鋰離子電池溫度場分析

1、鋰離子電池溫度場分析王晉鵬 胡欲立（西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院，西安，710072）摘要：本文用有限元軟件ANSYS對Sony(US18650)型鋰離子電池進(jìn)行了溫度場分析，并討論了不同放電速率和對流換熱系數(shù)對電池溫度場的影響。關(guān)鍵字：ANSYS 鋰離子電池 溫度場 中圖分類號(hào)：TM912.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：BAnalyze of Li-ion Batteries Temperature FieldWang Jinpeng Hu Yuli（College of Marine Engineering，Northwestern Polytechnical University，Xian 710072）Ab

2、stract: Li-ion Batteries(Sony US18650) temperature field are analyzed using ANSYS, the factors affecting Li-ion Batteries temperature field including discharge rate and convection coefficient are discussed.Key words: ANSYS Li-ion batteries temperature field1 引言鋰離子電池是繼鎳氫電池之后的新一代綠色高能可充電電池，具有電壓高、體積小、比能

3、量高、循環(huán)性能好、自放電小、無記憶效應(yīng)、無污染等突出優(yōu)點(diǎn)，近10年來得到了飛速的發(fā)展1。 但在鋰離子電池的使用過程中仍然存在很多問題，其中由于熱量的產(chǎn)生而引起溫度的升高就是一個(gè)很值得關(guān)注的問題。溫度的升高將會(huì)引起電池內(nèi)部的各種反應(yīng)，包括SEI膜分解反應(yīng)、嵌鋰碳（LixC6）與電解液的反應(yīng)、嵌鋰碳與粘結(jié)劑的反應(yīng)、電解液分解反應(yīng)，以及正極材料的分解反應(yīng)2。這些反應(yīng)將會(huì)大大降低鋰離子電池的壽命。因此對鋰離子電池進(jìn)行溫度場分析是非常有必要的。本文利用有限元分析軟件ANSYS對Sony(US18650)型鋰離子電池進(jìn)行了溫度場分析，并討論了不同放電速率和不同邊界條件對電池溫度場的影響。2 鋰離子電池溫度

4、場分析的基本假設(shè)（1）由于電池內(nèi)部電解液的流動(dòng)性很差，因此電池內(nèi)部的對流換熱可以忽略不計(jì)；（2）電池內(nèi)部輻射對散熱的影響非常小，因此可以忽略不計(jì)；（3）電池內(nèi)部的各種材料是各向同性的，因此電池內(nèi)部的溫度只在徑向上變化，在其它方向上不變；（4）熱量在電池內(nèi)部是均勻產(chǎn)生的。 根據(jù)以上假設(shè)可以建立圓柱形鋰離子電池的一維瞬態(tài)傳熱數(shù)學(xué)模型： (1) 式中：t電池的溫度()； 電池的密度(kg/m3)； c電池的比熱容(J/(kg·)； 時(shí)間(s)； 電池的導(dǎo)熱系數(shù)(w/(m·)； r電池的半徑(m)； Q電池內(nèi)部單位體積的熱生成率(w/m3)。3 內(nèi)部生成熱的確定內(nèi)部生成熱的確定方法

5、主要有兩種：一是通過實(shí)驗(yàn)直接測量；二是通過公式計(jì)算，計(jì)算公式如下所示： (2)式中：Q電池內(nèi)部單位體積的熱生成率(w/m3)； I電池的放電電流(A)； V電池的總體積(m3)； T電池的溫度()； Eoc電池的開路電壓(V)； E電池的工作電壓(V)。經(jīng)測量Sony(US18650)型鋰離子電池內(nèi)部單位體積的熱生成率隨放電深度的關(guān)系如圖1所示3： 圖1 Sony(US18650)型電池在2C、C/1、C/2、 圖2 鋰離子電池溫度場有限元模型C/3、C/6放電時(shí)的熱生成率4 ANSYS有限元分析過程ANSYS的有限元分析過程包括三個(gè)步驟： （1）建模和劃分網(wǎng)格利用ANSYS的前處理程序，經(jīng)過

6、單元類型選擇、材料參數(shù)的確定、幾何建模、單元生成等步驟，建立鋰離子電池溫度場的有限元分析模型，并對有限元的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于柱形電池的對稱性，所以選擇電池橫截面的四分之一進(jìn)行建模，并選用二維熱傳導(dǎo)單元PLANE55進(jìn)行網(wǎng)格劃分。完成的有限元模型如圖2所示。 （2）加載和求解完成建模和網(wǎng)格劃分之后，用戶可在求解階段通過求解器獲得分析的結(jié)果。在該階段用戶可以定義分析類型、分析選項(xiàng)、載荷數(shù)據(jù)和載荷步選項(xiàng)，然后開始有限元求解。本次分析的類型為瞬態(tài)分析，施加的載荷有溫度載荷、對流載荷以及生成熱載荷，載荷步數(shù)為每10秒一步。 （3）后處理在完成計(jì)算后，可以通過用戶圖形界面獲得求解過程的計(jì)算結(jié)果，并對結(jié)

7、果進(jìn)行運(yùn)算。這些計(jì)算結(jié)果可能包括位移、溫度、應(yīng)力、速度及熱流等，輸出形式有圖形顯示和數(shù)據(jù)列表兩種。5 結(jié)果分析 Sony(US18650)型鋰離子電池的性能參數(shù)如下表所示：容量（Ah）導(dǎo)熱系數(shù)（w/m·k）比熱容（J/kg·k）密度（fg/m3）1.353.010002.7×103表1 Sony(US18650)型鋰離子電池的性能表假設(shè)電池開始放電時(shí)的溫度為25，周圍流體的溫度為25。利用這些數(shù)據(jù)分析了不同放電速率和不同對流換熱系數(shù)對電池溫度場的影響。5.1 不同放電速率對電池溫度場均勻性的影響 圖3和圖4分別表示了1C和C/2放電結(jié)束時(shí)電池溫度場的分布情況。從圖

8、中可以看出當(dāng)放電速率為1C，電池表面的對流換熱系數(shù)為10w/(m2·k)時(shí)，放電結(jié)束后電池中心溫度和外壁溫度的差為 圖3 1C放電時(shí)電池溫度場分布云(h=10w/(m2·k)5.699；當(dāng)放電速率為C/2，電池表面的對流換熱系數(shù)為10w/(m2·k)時(shí)，放電結(jié)束后電池中心溫度與外壁溫度的差為3.287。說明放電速率越快，電池中心溫度與外壁溫度的差越大，電池溫度場的均勻性越差。造成這個(gè)現(xiàn)象的主要原因是：電池放電速率越快，電池的放電時(shí)間就越短，電池的散熱時(shí)間就越短，電池內(nèi)部產(chǎn)生的熱量難以很快散發(fā)出去。 5.2 不同放電速率對電池最高溫度的影響從圖3可以看出，當(dāng)放電速率

9、為1C，電池表面的對流換熱數(shù)為10w/(m2·k)時(shí)，電池內(nèi)部的最高溫度為75.678；從圖4可以看出，當(dāng)放電速率為C/2，電池表面的對流換熱系數(shù)為10w/(m2·k)時(shí)，電池內(nèi)部的最高溫度為52.1。說明電池的放電速率越快，電池內(nèi)部的最高溫度就越高。造成這個(gè)現(xiàn)象的主要原因是：電池的放電速率越快，電池的放電電流就越大，產(chǎn)生的熱量就越多；放電速率越快，散熱時(shí)間就越短，電池內(nèi)部的熱量難以很快散發(fā)出去。 圖4 C/2放電時(shí)電池溫度場分布云圖(h=10w/(m2·k)5.3 不同對流換熱系數(shù)對電池溫度場均勻性的影響從圖3可以看出，當(dāng)放電速率為1C，電池表面的對流換熱數(shù)為1

10、0w/(m2·k)時(shí)，放電結(jié)束后電池中心溫度與外壁溫度的差為5.699；從圖5可以看出，當(dāng)放電速率為1C，電池表面的對流換熱數(shù)為100w/(m2·k)時(shí)，放電結(jié)束后電池中心溫度與外壁溫度的差為21.77。說明電池表面的對流換熱系數(shù)越大，電池內(nèi)部溫度場的均勻性越差。造成這個(gè)現(xiàn)象的主要原因是：電池表面的對流換熱系數(shù)越大，電池表面的散熱就越快，而電池中心由于距表面較遠(yuǎn)，對流換熱系數(shù)對其的影響較小。 5.4 不同對流換熱系數(shù)對電池最高溫度的影響 圖5 1C放電時(shí)電池溫度場分布云圖(h=100w/(m2·k)從圖3可以看出，當(dāng)放電速率為1C，電池表面的對流換熱數(shù)為10w/(

11、m2·k)時(shí)，電池內(nèi)部的最高溫度為75.678；從圖5可以看出，當(dāng)放電速率為1C，電池表面的對流換熱系數(shù)為100w/(m2·k)時(shí)，電池內(nèi)部的最高溫度為63.271。說明對流換熱系數(shù)越大，電池內(nèi)部的最高溫度就越低。造成這個(gè)現(xiàn)象的主要原因是：電池表面的對流換熱系數(shù)越高，電池內(nèi)部的熱量就越容易散發(fā)出去。6 結(jié)論本文用有限元軟件ANSYS對Sony(US18650)型鋰離子電池進(jìn)行了溫度場分析，分別得到了放電速率為1C，對流換熱系數(shù)為10w/(m2·k)時(shí)；放電速率為C/2，對流換熱系數(shù)為10w/(m2·k)時(shí)；放電速率為1C，對流換熱系數(shù)為100w/(m2·k)時(shí)電池溫度場的分布云圖。結(jié)果表明放電速率和對流換熱系數(shù)對電池的溫度場有著明顯的影響。電池的放電速率越快，電池內(nèi)部的最高溫度就越高，電池溫度場的均勻性就越差；電池表面的對流換熱系數(shù)越大，電池內(nèi)部的最高溫度就越低，電池溫度場的均勻性就越差。參考文獻(xiàn)1 王新喜、宮志剛等鋰離子電池的研究進(jìn)展J艦船防化200