杜士彪，周全，李想，龐康

電動(dòng)汽車用鋰離子電池單體溫度場分析

杜士彪1，周全2，李想2，龐康2

（1.河北大學(xué) 質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督學(xué)院，河北 保定 071000；2.保定長安客車有限公司，河北 定州 073000）

文章通過實(shí)驗(yàn)測得了鋰離子電池內(nèi)阻在常溫下隨soc的變化情況。實(shí)驗(yàn)顯示放電時(shí)soc在0.2到1之間時(shí)內(nèi)阻變化不大，soc小于0.2時(shí)內(nèi)阻急劇升高，且充電內(nèi)阻明顯大于放電內(nèi)阻。之后進(jìn)行了鋰離子電池單體在常溫下，0.8C和1C的充放電溫升試驗(yàn)。獲得了溫升隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)。并通過fluent對(duì)電池單體進(jìn)行了與實(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng)的仿真，仿真結(jié)果顯示充放電情況下仿真與實(shí)驗(yàn)最大溫差基本在1℃以內(nèi)。所以可以用本模型對(duì)鋰離子電池生熱進(jìn)行分析，為實(shí)際使用提供一定的指導(dǎo)。

鋰離子電池；內(nèi)阻；充放電；溫度場

前言

近幾十年來，對(duì)進(jìn)口石油的依賴和價(jià)格上漲、環(huán)境污染和全球變暖的擔(dān)憂，促使積極研究新能源汽車[1]。為了解決以上問題，國家大力推廣電動(dòng)汽車的研發(fā)使用，而電動(dòng)汽車因其無污染、能量利用效率高、噪音低、易保養(yǎng)、政策優(yōu)惠等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)逐漸引起人們的重視[2]。

但是鋰離子電池存在的一些問題制約著電動(dòng)汽車的發(fā)展，其中最為緊迫的一個(gè)就是鋰離子電池生熱的問題。鋰離子動(dòng)力電池單體最佳工作溫度在15℃到35℃，而實(shí)際電動(dòng)汽車的則處于較大的波動(dòng)范圍[3]。鋰離子電池在大功率放電過程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，在某些情況下會(huì)縮短電池壽命或造成安全隱患[4]。

所以本文主要目的在于探究車用鋰離子電池單體在使用過程中溫度變化情況以及溫度場的分布，為其添加熱管理系統(tǒng)提供一定的依據(jù)。

1 鋰離子動(dòng)力電池?zé)崽匦约盎驹?/h2>

1.1 鋰離子電池的結(jié)構(gòu)和工作原理

鋰離子電池正極材料為鋰離子的嵌入化合物[5]。正負(fù)電極是發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的部分，通過進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)從而產(chǎn)生需要的電動(dòng)勢。中間的隔膜既可以阻止鋰原子通過而防止電池短路，也可以在電池溫度過高時(shí)充當(dāng)電阻，保護(hù)電池[6]。從而能夠達(dá)到鋰離子電池使用時(shí)間延長的效果，并且在最大程度上使得鋰離子電池的生熱量降低。但是由于鋰離子電池自身結(jié)構(gòu)的原因，還是會(huì)有大部分的熱量難以散發(fā)。

圖1 鋰離子電池結(jié)構(gòu)

1.2 電池生熱率模型

鋰離子電池溫度的上升對(duì)電池的性能和壽命具有不利的影響，而導(dǎo)致電池溫度上升的原因有很多，其主要的原因之一是電池內(nèi)部電阻引起的[7]。電池內(nèi)部產(chǎn)熱主要由極化內(nèi)阻熱Q、歐姆內(nèi)阻熱Q、電池反應(yīng)熱Q三部分組成[8][9]：

最初，經(jīng)典的li-ion發(fā)熱的公式，被.等人從電化學(xué)反應(yīng)的角度推導(dǎo)出：

I：電池充放電電流，單位為A。

V：電池體積，單位m3。

Uocp：電池開路電壓。單位V。

U：電池工作時(shí)的電壓。單位V。

2 內(nèi)阻計(jì)算部分

2.1 內(nèi)阻計(jì)算原理

圖2 內(nèi)阻測量原理圖

依據(jù)歐姆定律，可得電池放電時(shí)歐姆內(nèi)阻Rn和極化內(nèi)阻Rp，具體計(jì)算公式如下：

2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理得到如下表格：

表1 soc與內(nèi)阻關(guān)系

得到數(shù)據(jù)圖形如下：

圖3 soc與放電內(nèi)阻的關(guān)系

函數(shù)如下：

R=13.64*soc^4-34.73*soc^3+31.36*soc^2 -11.56*soc +2.90

圖4 soc與充電內(nèi)阻的關(guān)系

R=3.872*soc^5-12.82*soc^4+12.23*soc^3-2.95*soc^2- 0.435 *soc+ 2.10

3 基于CFD的仿真分析

3.1 單體電池建模

在進(jìn)行熱仿真之前需要對(duì)電池單體進(jìn)行一定的簡化，以及做一些必要的假設(shè)，了解單體電池的熱物性參數(shù)。

3.1.1幾何模型

電池單體形狀如圖所示：

圖5 電池單體形狀圖

圖中可以看出電池單體形狀為一規(guī)則矩形塊，除極耳外無附加結(jié)構(gòu)，極耳用于電路連接，其尺寸很小，厚度僅2毫米，由于本身并不產(chǎn)生熱量，在產(chǎn)熱傳熱分析中影響很小，故在分析中將其簡化。

鋰離子電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且內(nèi)部極片、隔膜、極耳等尺寸較小，由于對(duì)模型進(jìn)行簡化不會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有影響，所以本文對(duì)鋰離子單體建模時(shí)只對(duì)電池內(nèi)核建模，忽略其他影響不大的部件。

根據(jù)所要研究的電池的參數(shù)，長×寬×高分別為：93.25×148×27.2mm。

3.1.2單體電池物理屬性的假設(shè)及熱物性參數(shù)

在Li-ion電池的3D模型簡化的過程中，因?yàn)槠鋬?nèi)部的一些復(fù)雜特質(zhì)，比如材料多樣以及反應(yīng)的過程中又涉及到諸多的化學(xué)變量，所以我們?yōu)榱俗罱K結(jié)果便于得出。就必須要對(duì)它進(jìn)行一定的簡化：

（1）Li-ion電池內(nèi)部每一個(gè)微單元，我們可以認(rèn)為他所產(chǎn)生的熱量是基本一致的。

（2）由于Li-ion電池溫度并不是特別高，所以本文就可以忽略對(duì)流和輻射的影響。

（3）Li-ion電池的密度、比熱容、熱導(dǎo)率在放電前后始終保持恒定，不隨著電荷狀態(tài)的變化而變化。

表2 鋰離子動(dòng)力電池屬性

在仿真過程中需要不斷地調(diào)節(jié)散熱系數(shù)，從而使仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合。

在fluent仿真中還需要模擬出鋰離子電池的發(fā)熱程序。在上面本文已經(jīng)測得了鋰離子電池的內(nèi)阻?？梢岳胾df函數(shù)監(jiān)測時(shí)間從而獲得任意時(shí)間的內(nèi)阻。然后根據(jù)歐姆定律即可獲鋰離子電池在任意時(shí)刻的發(fā)熱功率。

3.2 仿真設(shè)置與分析

鋰離子電池實(shí)驗(yàn)時(shí)在六個(gè)面內(nèi)設(shè)置了16個(gè)傳感器，仿真時(shí)對(duì)其中四個(gè)典型的傳感器進(jìn)行了數(shù)據(jù)的分析。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，并不斷地調(diào)試熱物性參數(shù)，使得仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果達(dá)到很好的擬合。

3.2.1 1C放電結(jié)果分析

經(jīng)過不斷調(diào)試最終采取如下表3的散熱系數(shù)，1C放電時(shí)四個(gè)位置的傳感器最終的平均溫差大約是0.75℃，核心區(qū)域溫升10℃。且在整個(gè)溫升過程中，實(shí)驗(yàn)值與仿真值均以相同的趨勢變化，所以采用本文的參數(shù)對(duì)電池進(jìn)行仿真有較高的可信度。

1C放電，壁面散熱系數(shù)設(shè)置如下：

表3 壁面散熱系數(shù)設(shè)置

4個(gè)傳感器對(duì)比擬合結(jié)果，如下圖所示：

（a）4號(hào)傳感器

（b）11號(hào)傳感器

（c）13號(hào)傳感器

（d）16號(hào)傳感器

圖7 1C放電結(jié)束電池溫度場

3.2.2 0.8C放電結(jié)果分析

通過調(diào)整熱物性參數(shù)，最終得到了如下表4的散熱系數(shù)。在0.8C放電仿真與實(shí)驗(yàn)的對(duì)比中平均溫差在1℃左右，且整個(gè)溫升過程有良好的擬合效果，從而說明數(shù)據(jù)可信。

0.8C放電，壁面散熱系數(shù)設(shè)置如下：

表4 壁面散熱系數(shù)設(shè)置

4個(gè)傳感器對(duì)比擬合結(jié)果，如下圖所示：

圖8 0.8C放電對(duì)比擬合結(jié)果

圖9 0.8C放電結(jié)束電池溫度場

3.3 充電結(jié)果仿真

3.3.1 1C充電仿真

通過調(diào)整熱物性參數(shù)，最終得到如下表5的散熱系數(shù)。在1C充電仿真與實(shí)驗(yàn)的對(duì)比中平均溫差在0.6℃左右，且整個(gè)溫升過程有良好的擬合效果，從而說明數(shù)據(jù)可信。

1C充電，壁面散熱系數(shù)設(shè)置如下：

表5 壁面散熱系數(shù)設(shè)置

圖11 1C充電結(jié)束電池溫度場

3.3.2 0.8C充電仿真

通過調(diào)整熱物性參數(shù)，最終得到了如下表6的散熱系數(shù)。在0.8C充電仿真與實(shí)驗(yàn)的對(duì)比中平均溫差在1.1℃左右，且整個(gè)溫升過程有良好的擬合效果，從而說明數(shù)據(jù)可信。

0.8C充電，壁面散熱系數(shù)設(shè)置如下：

表6 壁面散熱系數(shù)設(shè)置

4個(gè)傳感器對(duì)比擬合結(jié)果，如下圖所示：

圖12 0.8C充電對(duì)比擬合結(jié)果

（1）從仿真分析結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)照看，1C、0.8C充放電仿真所呈現(xiàn)出的溫升曲線都是非常好的符合了實(shí)驗(yàn)所呈現(xiàn)出的溫升曲線。這表明模型與實(shí)驗(yàn)在各種情況下是非常接近的，所以用此模型所得到的計(jì)算結(jié)果對(duì)實(shí)際使用是有必然意義的。

圖13 0.8C充電結(jié)束電池溫度場

（2）從仿真的溫度云圖看，電池表面溫度明顯低于電池核心溫度，因充放電電流不同溫差2-3℃，所以對(duì)于單體電池而言，不適合用表面溫度代表其最高溫度。

4 結(jié)論

（1）放電時(shí)內(nèi)阻隨soc變化會(huì)產(chǎn)生很大的變化，尤其是在低soc區(qū)域內(nèi)阻急劇的升高。所以鋰離子電池使用時(shí)要減少在低soc的使用時(shí)間。

（2）充電時(shí)內(nèi)阻明顯大于放電的內(nèi)阻，充電時(shí)可以輔助一定的熱管理及降溫措施。

（3）在充放電1C、0.8C的情況下，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相差基本在1℃以下?？梢杂么四Ｐ痛鎸?shí)際實(shí)驗(yàn)進(jìn)行一定的預(yù)測，為實(shí)際使用提供指導(dǎo)。

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[3] 李維平,李隆健,陳化雨.鋰離子電池可逆與不可逆熱特性研究[J].汽車工程學(xué)報(bào).2019.9(2):123-129.

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Temperature Field Analysis of Lithium Ion Battery for Electric Vehicle

Du Shibiao1, Zhou Quan2, Li Xiang2, Pang Kang2

( 1.School of Quality and Technology Supervision, Hebei University, Hebei Baoding 071000; 2.Baoding Chang’an Bus Manufacturing Co., Ltd., Hebei Dingzhou 073000 )

Through the experiment, the change of the internal resistance of the lithium ion battery with the soc at room temperature is measured. Experiments show that the internal resistance of lithium ion soc does not change much between 0.2 and 1 when discharge,while the soc is less than 0.2, the internal resistance increases sharply. And the resistance of charge bigger than discharge.Then the temperature rise test of Li ion battery at 0.8C and 1C at room temperature was carried out. The data of temperature rise with time are obtained .The battery cell is simulated by fluent corresponding to the experiment. The simulation results show that the maximum temperature difference between the simulation and the experiment is basically within 1 ℃ under charge and discharge.Therefore, this model can be used to analyze the heat generation of lithium ion batteries and provide some guidance for practical use.

Lithium ion battery; Internal resistance; Charge and discharge; Internal resistance

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.03.002

TM911.3

A

1671-7988(2021)03-04-06

TM911.3

A

1671-7988(2021)03-04-06

杜士彪，本科，就讀于河北大學(xué)質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督學(xué)院機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)。