电动汽车的锂离子动力电池热效应的有限元分析讲义.docxVIP

电动汽车的锂离子动力电池热效应的有限元分析Jin Biao1, Shu Xiong1, Liu Wei21. Guangdong University of Science Technology, Dongguan, Guangdong, 523083, Chin2. Product Development Department of Dongfeng Commercial Vehicle Technical Center of Dongfeng CommercialVehicle Company Limited, Wuhan, Hubei, 430056, Chin139.com摘要通过建立一个三维瞬态矩形的换热模型，并且在不同的放电条件下对温度场进行数值模拟，来研究放电电流、环境温度、对流换热系数和发射率对LiFeO4电池的散热能力的影响。结果表明，最大温度明显随着放电电流和环境温度的增加而增大。而且，发射率对电池表面温度的影响在自然对流时是很明显的，在强制对流条件下的影响是很小的。进一步发现，在环境温度很低的时候，发射率对电池表面温度的影响是很明显的，在环境温度很高的时候，影响并不明显。关键词：产热率；散热因素；热效率前言锂离子动力电池是电动和混合动力汽车的重要储电装置，在电池充电和放电的过程中，出现温度升高的现象，会引起一些热安全性能问题。因此，为了解决这个问题，研究电池的温度场和热产生机理是十分重要的。在过去的三十年来，热影响的研究主要关心和集中于锂离子动力电池的热产生机理、模型和耗散影响因素的分析。Bernardi等人建立了一个基于均匀性假设的典型热产生速率模型，提出了电池的生成热主要由可逆的化学反应生成热和焦耳（欧姆）热组成。Sato分析了锂离子电池在冲放电过程中的热产生原因，并指出了总的生成热由化学反应热、极化反应热和焦耳热组成，同时，他给出了近似计算的公式，对锂离子动力电池热产生机理的数值分析为以后的研究打下了很好的基础。Wu等人通过建立一个二维的传热模型，研究了圆柱型锂离子动力电池在不同的SOCs条件和冷却条件下的温度分布。陈等人考虑了电池表面的对流和辐射换热，建立了一个基于Bernardi等人提出的热产生速率模型的三维传热模型，并且分析了深度放电、放电电流、对流导热系数和电池壳壁厚度对电池温度分布的影响。此外，国家可再生能源实验室（NREL）的Kim等人提出了一种锂离子电池的三维传热通用模型，这个模型加入了各种可能的生成热的反应，并且准确的模拟了在耐热实验中圆柱型锂离子电池的内部温度场的变化，耐热模拟实验表明了电芯尺寸在很大程度上影响了其热性能。Lin等人建立了一个三维传热模型来分析电流、对流换热系数和导热系数对100Ah的锂锰电池的散热能力的影响。Li结合实验和有限元分析的方法，分析了在不同充放电电流的条件下锂离子电池的温度分布。作者在此研究中，通过模拟和分析了一个矩形的LPF电池的在不同的散热影响因素下的温度分布，来获得散热能力最佳的设计。锂离子电池的热产生模型和热模拟2.1研究对象简介矩形LPF电池的简化模型如图1所示，m-n是沿着y轴穿过其中心的中心线，它主要由core、shell、cap和poles组成，几何尺寸、core的尺寸、shell的厚度、cap的尺寸、poles的尺寸和电池容量分别是，，，和。电池的组件和材料的特性在表1中列出。建立模型为了简化数值模拟，不考虑电池内部对流和热辐射，电池的核心包括壳体和两极的导热系数、密度和热容都假定是均衡的，并且在一定温度范围内保持恒定。基于上述假设，适用于三维瞬态传热模型的直角坐标形式的能量守恒方程如下：式中，，，和分别指电池电芯的平均密度，恒压条件下的平均比热容，温度和时间。根据热量均匀分布的假设，单位体积内的热量产生速率由q来表示，q可由下式给出：式中，，，，，和分别是电池电芯体积，开路电压（OCV），工作电压，温度影响系数，焦耳热和可逆反应热。可以定义为电流I(A)和内阻R(Ω)的乘积，因此，方程(1)就可以改写为:可逆反应热对总的热量的产生的影响在锂电池正常工作的情况下是很小的，因此总的热量可以认为是焦耳热，所以总热量的产生率可以看做只与内部电阻有关，总热量的产生率与在恒定电流放电时的放电时间有关。45Ah的锂电池在不同的放电电流随时间变化的多项式方程q在文献[7]中已经给出。在不考虑温度影响的情况下，两极的热产生速率qp可以由下式获得：根据牛顿冷却公式和黑体斯忒藩-玻尔兹曼方程，边界条件的表达式可由方程（5）和方程（6）给出：式中，，，，，，和分别是对流换热量，对流换热系数，表面温度，环境温度，辐射换热量，发射率和斯忒藩-玻尔兹曼常数。结果与讨论不同的工作环境和外部环境在锂电池放电过程中都对其