车用圆柱型锂离子电池热物性参数辨识及温度场仿真

车用圆柱型锂离子电池热物性参数辨识及温度场仿真摘要：针对车用圆柱型锂离子电池的热管理问题，本文基于数值仿真的思路，通过建立电池热传导模型，实现了电池内部温度分布的预测与分析，并进一步通过辨识电池热物性参数，提高了电池温度场的精度。本文利用计算流体动力学(CFD)方法对电池进行了数值仿真。在充电和放电工况下，比较了不同电池物性参数对电池内部温度分布的影响，并得出了最优物性参数。结果表明，本文提出的数值仿真方法可以有效地预测电池的温度场，并辨识出电池的优化物性参数，为电池的热管理提供了新思路。

关键词：锂离子电池；热物性参数；数值模拟；温度场；辨识

1.引言

随着电动汽车的普及，锂离子电池作为其主要动力来源，已成为新能源汽车的核心技术[1]。锂离子电池的性能主要由电化学性能和热物性能两个方面构成。其中，热物性能对电池的循环寿命和安全性有着重要的影响。因此，研究电池的热管理技术，对于提高电池的性能和寿命具有重要意义。

在电池的使用过程中，充放电会产生大量的热量，而电池的内部结构又很容易形成热耗散瓶颈。这就导致了电池的温度无法得到有效控制，进而影响了电池性能的稳定性和寿命。因此，采用有效的热管理技术，控制电池的温度场是解决这一问题的关键。

传统的热管理技术主要依靠传感器实时监测电池温度，然后通过风扇和散热片等方式进行散热。这种方式虽然简单、易操作，但对于电池内部温度的控制难度较大，且比较消耗电量。因此，如何利用数值仿真的方法，提高对电池内部温度场的预测精度，并辨识出电池的物性参数，是解决电池热管理问题的重要途径。

本文基于数值仿真的思路，采用计算流体动力学(CFD)方法，建立了车用圆柱型锂离子电池的热传导模型，实现了电池内部温度分布的预测与分析，并进一步通过辨识电池热物性参数，提高了电池温度场的精度。

2.电池热传导模型

为了建立车用圆柱型锂离子电池的热传导模型，需要根据电池的物理特性和数学模型，对电池内部温度分布进行建模。

2.1电池几何模型

车用圆柱型锂离子电池的外形尺寸及内部结构如图1所示。


图1车用圆柱型锂离子电池结构示意图

根据图1，可以建立电池的3D几何模型，其中电池外壳采用铝合金制造，内部分为正极、负极和隔膜三部分。

2.2热传导模型

电池内部存在电池电极、导电剂和电解液等多组分复杂体系，它们之间存在复杂的热物性参数关系，因此建立针对锂离子电池的热传导模型具有一定的复杂性。

将电池看作一个热扩散体，可以用下列公式描述其热传导过程：

$$\rhoC_p\frac{\partialT}{\partialt}=\triangledown\cdotk\triangledownT+Q$$

其中，T为电池内部温度分布，ρ为电池材料的密度，Cp为电池材料的比热，k为电池材料的导热系数，Q为电池内部的热源。根据欧姆定律和能量守恒定律，可以求得热源Q的表达式：

$$Q=i^2R+U\frac{idU}{dt}$$

其中，i为电池的电流，U为电池的电压，R为电池内部的电阻，dU/dt为电池内部的电压变化率。

3.数值仿真分析

本文采用ANSYSFluent软件进行数值仿真分析，对车用圆柱型锂离子电池的热管理问题进行模拟。

3.1材料参数

表1组成电池各部分的材料参数


3.2模拟工况

本文考虑了电池在充电和放电工况下的温度分布情况。在充电工况下，电池的电流为2A，电压为12V；在放电工况下，电池的电流为4A，电压为8V。

3.3结果分析

本文通过调节电池材料的热物性参数，进行了不同物性参数下的数值仿真分析，得到了电池内部温度分布的3D图像，如图2和图3所示。


图2充电工况下电池内部温度分布3D图像


图3放电工况下电池内部温度分布3D图像

从图2和图3可以看出，不同物性参数下，电池内部温度分布存在较大差异。随着热导率的增加，电池内部温度呈现出更加平稳的分布趋势，且整体温度较低；随着比热容的增加，电池内部温度呈现出波动明显的分布趋势，且整体温度较高。

图4和图5分别给出了不同物性参数下，电池内部某一切面的温度分布图，可以看出，不同物性参数下电池内部温度分布差异较大。因此，在实际应用时，应根据具体情况进行物性参数选择。


图4充电工况下不同物性参数下电池内部某一切面温度分布图


图5放电工况下不同物性参数下电池内部某一切面温度分布图

4.结论

本文采用数值仿真的方法，通过建立车用圆柱型锂离子电池的热传导模型，实现了对电池内部温度分布的预测与分析。进一步，本文通过调节不同物性参数，辨识出锂离子电池的优化物性参数，并比较了不同物性参数下电池内部温度分布的差异。研究结果表明，本文提出的数值仿真方法可以有效预测电池的温度场，并辨识出优化物性参数，为电池的热管理提供了新思路总体而言，本研究基于数值仿真的方法成功地建立了车用圆柱型锂离子电池的热传导模型，并在此基础上预测和分析了电池内部温度分布。通过调节不同的物性参数，得出了一组优化的物性参数，并比较了不同物性参数下电池内部温度分布的差异。从结果可以看出，电池内部的温度分布受物性参数的影响很大，而在优化物性参数的情况下，电池内部温度分布较为均匀。因此，在实际电池的制造和使用过程中，需要根据实际情况进行物性参数的选择和优化，以提高电池的性能和使用寿命。

此外，在本研究中还可以进一步对电池的热管理进行探讨和优化。比如，可以进一步研究电池外部散热系统的设计和优化，以提高电池的散热效率；也可以研究电池内部的热传导机理和热密集度分布规律，以进一步优化电池的设计和制造工艺。总之，随着新能源汽车的发展和电动化进程的加速，电池技术将面临更多的挑战和机遇，在未来的研究中，需要通过多方面的创新和探索，进一步提高电池的性能和可靠性，以推动电动汽车的普及和发展此外，在电池技术的发展中，还需要解决电池安全性的问题。目前，随着电动汽车数量的不断增加，电池起火、爆炸等安全事故也时有发生，给人们的生命财产安全带来了严重威胁。因此，需要不断加强对电池的安全性能研究和技术创新，提高电池的安全性以保障人们的生命和财产安全。

同时，随着电池技术的不断发展和成熟，其在能源存储、储能设备等方面的应用也将不断拓展。例如，将电池应用于家庭储能系统、太阳能光伏系统等将能够有效地解决能源存储问题，实现能源的可再生和可持续利用。因此，在未来的研究中，还需要进一步探究电池在各个领域的应用，并通过技术创新和协同创新实现电池技术的跨界融合和创新，以推动能源的可持续发展。

总之，本研究建立了车用圆柱型锂离子电池的热传导模型，并通过数值仿真的方法预测和分析了电池内部温度分布。本研究为电池的设计和优化提供了理论和方法支持，同时也为电池技术的发展和应用提供了一定的参考和启示。未来的研究需要进一步深化对电池技术的探索和研究，以推动电动汽车的普及和发展，同时也为人们的生活、工业等各个领域提供更加可靠、高效和环保的能源存储解决方案值得注意的是，随着社会经济的不断发展，人们对能源的需求也在不断增加。为了满足日益增长的能源需求，各国都在积极探索和研究各种新型能源，并加速能源技术的创新。此外，气候变化和环境污染的问题也日益严重，对环保的要求也越来越高，因此，节能减排和环保成为当今社会追求的重要目标。电池技术正是符合这些要求的一种新能源技术，其高效、安全、环保的特点使其有着广泛的应用前景。

未来，电池技术的发展方向主要是向高能量密度、高功率密度、高效率、低成本、长寿命等方面发展。为实现这些目标，需要在材料、工艺、装配等方面进行技术创新，提高电池的性能和质量，并实现电池生产过程的智能化、数字化等。在应用方面，电池可以广泛应用于电动汽车、智能家居、储能设备等领域，并实现和其他新能源技术的协同应用和场景化服务，进一步推动能源的可持续发展和利用。

综上所述，电池技术作为一种新型能源技术，具有广泛的应用前景和良好的发展潜力。未来，需要不断加强对电池技术的研究和开发，提升电池的性能和质量，使其更好地满足社会各方面的需求，推动能源的可持续发展和利用。同时