今天正好有些時(shí)間，想起前段時(shí)間以來有網(wǎng)友問我關(guān)于鋰離子電池單體如何分析，下列就ansys軟件，簡單的說下過程及注意事項(xiàng)。
過熱的危害
首先應(yīng)會(huì)從單體電池的角度闡述過熱的危害，我簡單的說一下：電池的組成部分包含電解液、正負(fù)極材料、隔膜，銅鋁箔等各種材料，溫度過高會(huì)加速電池的老化速率，當(dāng)電池的溫度如果超過120℃，首先隔膜會(huì)收縮，而且正負(fù)極材料也會(huì)發(fā)生分解，電池內(nèi)部會(huì)發(fā)生一系列的熱反應(yīng)，種種問題會(huì)造成不安全的因素，因而在電池設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮電芯單體的溫度性能，來確定電池的倍率放電能力。
一般來說除了電池內(nèi)部發(fā)生嚴(yán)重的短路，溫度在正常情況下不會(huì)超過120攝氏度。
建議沒有電化學(xué)基礎(chǔ)的，先了解一下電池的原理及組成，這樣有助于電池幾何體的建模和產(chǎn)熱的行為分析。
我們經(jīng)常從網(wǎng)上看到一些圖片關(guān)于單體的溫度性能，如下圖：
這樣的分析結(jié)果到底對(duì)不對(duì)呢，如何精確的得到此圖，這需要自己的掌握了。
下列以本人在幾年前做的一個(gè)單體的分析來說明過程：
1.電池參數(shù)獲取
導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容是關(guān)鍵的兩個(gè)因素
首先電池參數(shù)的獲取，下列給大家列出一個(gè)實(shí)例，里面參數(shù)需要大家和電池供應(yīng)商去溝通。
此圖中的參數(shù)是某款磷酸鐵鋰電池的物性參數(shù)。具體體積數(shù)據(jù)需要計(jì)算測(cè)量。
由此數(shù)據(jù)可以計(jì)算電池的比熱容，導(dǎo)熱系數(shù)，密度等數(shù)據(jù)。
首先需要確定電池卷心的結(jié)構(gòu)方式，是層疊式還是卷繞式。比如層疊式，可以數(shù)一下極片的層數(shù)，可以完成體積的測(cè)量。
有上式可以確定電池的導(dǎo)熱系數(shù)。
關(guān)于比熱容，可以用加權(quán)法來計(jì)算，這里不再贅述。
關(guān)于電池的內(nèi)阻，一般用直流內(nèi)阻來計(jì)算發(fā)熱量。
2.關(guān)于電池的建模
針對(duì)單體模型的建模程序：包含電芯部分(包括正極片、負(fù)極片、隔膜等)作為一個(gè)單元進(jìn)行模型的建立，作為發(fā)熱源。其他部分根據(jù)根據(jù)單體實(shí)際模型與尺寸進(jìn)行建模和設(shè)置相關(guān)個(gè)更變參數(shù)，包含極耳、極柱、殼體等主要傳熱部件。
(A)幾何模型
1)對(duì)于電芯而言，不再分成一片一片的正負(fù)極單片，而是將整個(gè)電芯擬合為一個(gè)整體來考慮，其具有新的物性和形狀;
2) 對(duì)將極耳和正負(fù)電極連接起來的金屬片而言，根據(jù)單體實(shí)際模型進(jìn)行建模，其物性參數(shù)取當(dāng)量值;
3) 極耳連接出電極后，各片之間緊密相靠，形成一個(gè)整體，厚度為各片厚度之和;
4)電池內(nèi)部空腔部分空氣不考慮其流動(dòng)性，極堆單體之間的液體不考慮流動(dòng)。
上圖為國內(nèi)某公司20Ah 磷酸鐵鋰電池的幾何體模型。
3.關(guān)于物理模型假設(shè)
1) 在充放電過程中，只考慮直流內(nèi)阻的影響;
2) 不考慮電池實(shí)際充放電過程中的體積變化及壓力變化，僅僅考慮電芯、隔膜、極耳、殼體等之間的傳導(dǎo)作用;
3) 將空氣視為理想氣體，忽略由于溫度、壓力變化引起的比熱和導(dǎo)熱系數(shù)的變化，而視其為定值;
4) 假設(shè)放電過程中，無副反應(yīng)發(fā)生。
4.有限元分析
首先網(wǎng)格的劃分要注意小尺寸，一般電池的外殼一般厚度僅僅1mm，因此在外殼和卷心之間需要做一些接觸，對(duì)此需要計(jì)算資源。關(guān)于對(duì)流換熱系數(shù)，因這里是自然對(duì)流，常規(guī)的數(shù)值5~10W/m2.K即可。環(huán)境溫度25℃。
對(duì)比發(fā)現(xiàn)，仿真和實(shí)驗(yàn)的誤差比較小。
注：此處較大溫差是電芯中部溫度與表面溫度的實(shí)驗(yàn)組差值！
5.關(guān)于電池的熱源問題
電池模塊的熱來源、產(chǎn)熱速率、電池?zé)崛莸扔嘘P(guān)參數(shù)，與電池的本質(zhì)密切相關(guān)。電池放出熱量取決于電池的化學(xué)、機(jī)械、電學(xué)本質(zhì)和特征，特別是電化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)。電池反應(yīng)中產(chǎn)生的熱能，可以用電池反應(yīng)熱Qr來表示；電化學(xué)極化使電池實(shí)際電壓偏離其平衡電動(dòng)勢(shì)，而由電池極化引起的能量損失用Qp來表示。更多的分析，各位可以看看文獻(xiàn)，不過個(gè)人覺得非常復(fù)雜，其實(shí)可以簡化一下，用內(nèi)阻和電池的溫度系數(shù)既可以。
6.總結(jié)一下：
fluent軟件和ansys 瞬態(tài)熱分析軟件都可以完成分析，只不過建模有一些區(qū)別，對(duì)于單體的分析，不推薦使用fluent，一般ansys自帶的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)熱分析也比較方便，而且邊界條件的施加簡單。
如果需要計(jì)算極柱的溫度特性，在模型建立和網(wǎng)格劃分過程中，需要單獨(dú)對(duì)其處理，后期熱源的添加需要綜合考慮極柱次材料的內(nèi)阻。
本文來源：電動(dòng)汽車網(wǎng)，作者：大唐
