余小清,陳國喜,鄒嘉林,陳東云,王宣懿
(重慶郵電大學(xué)先進制造工程學(xué)院,重慶 400065)
基于ANSYS的18650鋰離子電池單體穩(wěn)態(tài)熱分析
余小清,陳國喜,鄒嘉林,陳東云,王宣懿
(重慶郵電大學(xué)先進制造工程學(xué)院,重慶 400065)
鋰電池性能優(yōu)越廣泛應(yīng)用于電動汽車,但在使用過程中會大量發(fā)熱,存在安全隱患。針對18650鋰電池單體建立了三維模型,利用有限元分析軟件ANSYS模擬其特定工況,得到了18650鋰電池單體發(fā)熱狀態(tài)下的溫度場。
18650鋰電池;ANSYS;穩(wěn)態(tài)熱分析;溫度場
CLC NO.: U469.7 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)07-18-02
鋰離子電池因其大容量、高電壓、良好的安全性能及循環(huán)性能等優(yōu)越性能廣泛應(yīng)用于電動汽車行業(yè)[1],但其在使用過程中過度放熱會引起電池內(nèi)部溫度異常升高,縮短電池的使用壽命,因此需要對電池溫度場分析研究[2]。本文利用ANSYS軟件,建立18650鋰離子電池單體模型,進行熱分析研究,對18650鋰離子電池在使用過程中的溫度場分布進行模擬,得到熱分析結(jié)果。在實際工程中,該分析結(jié)果為鋰離子電池溫度場的分布測定和優(yōu)化設(shè)計提供了一定的理論依據(jù)。
電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)及反應(yīng)機理相對復(fù)雜,且有軟件運算能力有所限制,因此對18650鋰離子電池進行以下簡化假設(shè):電池內(nèi)部電解液流動性較差,忽略內(nèi)部對流換熱;電池內(nèi)部輻射對散熱影響較小,忽略不計;熱量在電池內(nèi)部均勻產(chǎn)生。
根據(jù)假設(shè),建立電池穩(wěn)態(tài)傳熱、內(nèi)部生成熱數(shù)學(xué)模型[3]:
式(1)中,q′′為熱流密度,k為導(dǎo)熱系數(shù);式(2)中,Q為電池內(nèi)部單位體積生熱率,V為電池的總體積,Uoc為電池的開路電壓,U為電池的工作電壓,t為電池溫度;電池電壓隨溫度變化的溫度系數(shù),一般取值-0.5×10-3V/K。
2.1 有限元模型
18650鋰離子電池單體為螺旋結(jié)構(gòu),在進行熱分析時由于生熱主要為正負(fù)極,其它部分為次要因素。因此分析時對模型進行簡化。簡化后的18650鋰離子電池單體模型如圖1所示。
圖1 簡化18650鋰離子電池單體模型
2.2 材料參數(shù)
選擇磷酸鐵鋰電池作為分析對象,根據(jù)電池單體分配材料屬性,設(shè)置電池各個材料的比熱容和熱傳導(dǎo)系數(shù)。材料參數(shù)[4]如表1所示。
表1 材料參數(shù)
2.3 載荷與約束
在熱分析中,基本傳熱方式有熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射三種[5]。對于18650鋰離子電池單體,熱對流及熱輻射影響較小,主要考慮熱傳導(dǎo)的傳熱方式其載荷方式為內(nèi)部熱生成率,內(nèi)部熱生成率根據(jù)式(2)計算所得如下表2。
表2
對電池模型進行穩(wěn)態(tài)熱及瞬態(tài)熱分析,施加溫度載荷、對流載荷及熱生成載荷。一般空氣自然對流系數(shù)5~25W/(m2×K),考慮18650鋰離子電池在電池包中所處環(huán)境為中一般對流[5],故對流換熱系數(shù)大致選定為10,施加對象為模型外殼表面,環(huán)境溫度為22℃。
2.4 網(wǎng)格劃分
由于18650鋰離子電池單體的幾何形狀相對不規(guī)則,在考慮精度的情況下,可采用四面體網(wǎng)格劃分的方法來劃分網(wǎng)格[6],對幾何形狀不規(guī)則的結(jié)構(gòu)進行離散,只要劃分足夠細(xì)密的單元,可以獲得具有足夠精度的解。綜上,經(jīng)多次劃分后確定電池的網(wǎng)格大小為,共劃分結(jié)點98228個,網(wǎng)格單元15483個,該尺寸網(wǎng)格可以保證其結(jié)果的收斂性[7]。18650鋰離子電池網(wǎng)格劃分如圖2所示。
圖2 18650鋰離子電池單體網(wǎng)格劃分
根據(jù)建立的鋰離子電池單體溫度場有限元模型,用ANSYS進行了熱仿真分析[8],得到了鋰離子電池單體溫度場在熱傳導(dǎo)為主要傳熱方式下的溫度場分布如圖3所示。
圖3 18650鋰離子電池單體溫度場
本文從理論與仿真分析完成了18650鋰電池單體的熱分析,從圖3可知,18650鋰離子電池單體最高溫度為 42.08°C,最低溫度為 41.69°C。在實際工程中,該分析結(jié)果為鋰離子電池溫度場的分布測定和優(yōu)化設(shè)計提供了一定的理論依據(jù)。
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18650 lithium ion battery based on ANSYS Steady state thermal analysis
Yu Xiaoqing, Chen Guoxi, Zou Jialin, Chen Dongyun, Wang Xuanyi
( Institute of advanced manufacturing engineering of chongqing university of posts and telecommunications, Chongqing 400065 )
Lithium-ion batteries superior performance is widely used in electric cars, but in use process will be a large number of fever, pose a safety hazard. For 18650 lithium battery monomer three-dimensional model is established, using the finite element analysis software ANSYS to simulate its specific operating mode, 18650 lithium-ion battery monomer the temperature field of hot condition.
18650 lithium batteries; ANSYS; The steady state thermal analysis; The temperature field
U469.7
:A
::1671-7988 (2017)07-18-02
余小清(1996-),女,就讀于重慶郵電大學(xué),機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)。
10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.07.008