电动汽车的锂离子动力电池热效应的有限元分析

1、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, China533404502. Product Development Department of Dongfeng Commercial Vehicle Technical Center of Dongfeng CommercialVehicle Company Limited, Wuhan, Hubei, 430056, Ch

2、in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1 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

3、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

4、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

5、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。2 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135mm×25mm×170mm，132mm×22mm×158.5mm，1.5mm，18mm×10mm和45Ah。电池的组件和

6、材料的特性在表1中列出。2.2 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： CpTt=x2Tx2+y2Ty2+z2Tz2 式中，(kg/m3 )，Cp(J/kgK)，T(K) 和t(s)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，Vc(m3)，Uocv(V)，U(V)，UocvT，I(Uocv-U)(J)和ITUocvT(

7、J)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。(Uocv-U)可以定义为电流I(A)和内阻R()的乘积，因此，方程(1)就可以改写为: q=1VcI2R+ITUocvT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

8、由方程（5）和方程（6）给出：Qc=h(Ts-T)式中，Qc(J)，h(w/m2K)，Ts(K)，T(K)，Qr(J)，和(w/m2K4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。2.3 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热性能有所影响，放电电流是生成热量的最主要影响因素，热对流、热辐射和环境温度是热量扩散的主要影响因素。工作环境（1）中不同的放电电流时锂电池表面温度分布的模拟结果如图2所示：如图2所示，在放电结束的时候，高温度主要集中在电池外壳的中心区域，相对的，低温度主要集中在边缘区域。与电池电芯相比，外壳的正面和反

9、面由于较低的热产生速率，所以温度较低。此外，最低温度分布在电池顶盖的中心区域，这是因为这个区域没有和电池电芯直接接触，而且，其材料是低导热系数的额PP材料。如图2（c）所示，放电电流为135A时，电池电芯的最高温度是376.7K，会引起电池内部的化学反应，因此，为了保证电池的安全性和好的性能，应该让电池的放电电流保持在3C以内。图3是在工作条件（1）下放电结束时沿Y轴（直线m-n）的温度分布,图3中的曲线都是均匀的，也就是说，与电池电芯中心点的最大温度相比，而且最低温度是电池表面的两面。如图2和图3所示，在相同的环境温度和冷却条件下，放电电流对电池温度的电话是有影响的，电池表面的温度随着放电电

10、流的增加而升高，原因是电池内部的热源放电电流的平方,成正比转移到电池表面。更大的放电电流将会导致电池内的温度较高, 使电池失败甚至爆炸,是吗因此,必须控制放电电流, 需要适当提高热强度在电池的中部地区耗散。图4是在工作条件下放电结束时沿直线m-n的温度分布。如图4所示，在相同的放电电流和热传递系数下，当电池放电结束时，环境温度越高，电池内部的最大温度就越高。因为对流换热和环境温度是成反比的，所以当环境温度在290K308K变化时，最大温度的变化范围是309.8K322.2K，另一方面，环境温度越高，就会引起更少的热量交换和更少的对流热量散失。当换热系数分别为5和25w/m2K时，在工作条件（3

11、）下，不同的发射率时，沿直线m-n的温度分布如图5所示。当环境温度分别为290K和300K时，在工作条件（4）下，不同的发射率时，沿直线m-n的温度分布如图6所示。在不同的环境温度下，发射率的变化对电池表面温度的影响程度是不同的。环境温度为300K是发射率的变化对电池表面温度的影响是很小的，这是因为辐射换热量是和电池标面温度的四次方和环境温度的四次方的差成正比的，环境温度越低就会促进辐射换热，同时会使电池表面温度降低。如图5和图6所示，辐射换热能发挥冷却的作用，但是在不同的对流换热系数和环境温度下，这种影响是不同的。所以最有效的方法是强制冷却以确保电池的正常工作。通过以上分析，我们可以得出一个

12、这样的结论，锂电池的温度分布是和电池内部的热产生因素和外部的热散失因素有一定的联系的，并且电池的热性能在很大程度上取决于工作条件。当电池达到一定的温度时就会引起内部的化学反应，过度的放电会使电池内部的温度急剧升高，这会对电池的性能和安全性造成很大的影响。此外，电池表面的对流换热系数和环境温度对散热有一定的影响，所以，可以通过提高对流换热系数和降低环境温度来改善冷却性能。另外，辐射对散热的影响程度取决于环境温度和对流换热系数。3 结论基于以上分析结果，我们可以得出以下锂电池的有关结论：(1)电池表面的高温度只要集中分布在中心区域，电池内部和外部的最大温度随着放电电流的增大而升高。(2)对流换热系

13、数越大，对流换热效果越强，电池内部和外部的温度就越低。(3)环境温度越高，电池表面温度就越高。(4)在强制对流条件下，发射率对电池表面最大温度有一定的影响，相反的，在自然对流条件下，发射率对电池表面最大温度有着明显的影响。(5)在高温时，发射率对电池表面最大温度的影响不是十分明显，相反的，在低温时就有着明显的影响。参考文献1 Bernadi D ， Pawlikowsiki E ， Newman J.T. A general energy balance for battery system. J Electrochem Soc，1985, 132:5-12.2 Sato N. Thermal

14、 behavior analysis of lithium - ion batteries for electric and hybrid vehicles.J Power Sources，200l，99:70-77.3 Wu M S，Liu K H，Wang Y Y，et a1.Heat dissipation design for lithium-ion batteries.J Power Sources，2002，109:160-166.4 Chen S C，Wan C C，Wang Y Y. Thermal analysis of lithium-ion batteries. J Power Sources，2005，140,1:111-124.5 Kim G H，Pesaran A，Spotnitz R.A three-dimensional thermal abuse model for lithium-ion cells.J Power Sources，2007, 170: 476-489.6 Lin Chentao, Li Teng, Chen Quanshi. Analysis of the heat dissipation influence factors of Li Mn2O4-based Lithium-ion pow