基于Fluent的单体锂离子电池热仿真分析

詹世东　李康伟　蔡友彬　石浩宇　吴彦鑫

摘 要：本文采用Fluent软件中的MSMD电池模型进行仿真，分析了不同放电倍率下单体锂离子电池的电压和温度特性。首先，根据实际尺寸建立单体锂离子电池的三维模型，并进行网格划分及边界条件命名等前处理;其次，利用Fluent的MSMD电池模块对电池单体在300K室温条件下分别以1C、3C、5C、7C的放电倍率进行温度仿真，得到单体电池的温度特性曲线和电压特性曲线，分析结果表明，随着放电倍率的增大，电池的放电终止电压越低，耗电量越高，电池的温度和温差都随之增大。

关键词：锂离子电池 MSMD 单体电芯

Thermal simulation analysis of Lithium-ion cell based on Fluent

Zhan Shidong Li Kangwei Cai Youbin Shi Haoyu Wu Yanxin

Abstract：This paper uses the MSMD battery model simulation in the Fluent software to analyze the voltage and temperature characteristics of lithium-ion cell under different discharge rates.First， a three-dimensional model of the lithium-ion battery cell according to the actual size is established， and pre-processing such as grid division and boundary condition naming are conducted. Secondly， the MSMD battery module in the fluent software is used to simulate the temperature of the battery cells at the discharge rates of 1C， 3C， 5C， and 7C at 300K room temperature. Finally， the temperature characteristic curve and voltage characteristic curve of lithium-ion cell are obtained. The analysis results show that as the discharge rate increases， the lower the discharge end voltage of the battery and the higher the power consumption， the temperature and temperature difference of the battery increase accordingly.

Key words：Lithium-ion battery; MSMD; Cell

1 前言

目前，隨着环境污染及能源短缺问题在全球范围内的出现，寻找更环保、低耗和安全的汽车能源显得尤为关键，因此推动电动汽车的发展成了人们普遍关注的重点。锂离子电池的高能量密度、循环寿命长、安全性高等优点被广泛应用于电动汽车行业。但是，锂离子电池的安全性能受充放电过程中的温度影响较大，锂离子电池最佳工作温度范围为20℃～40℃，最大温差不超过5℃。单体电池的温度和温差过大会导致锂离子电池的充放电效率降低，温差严重时还会产生电池的热失控和安全问题。

闫凯和楚金甫等人[1]利用CFD软件对18650单体电芯进行了1C放电工况下的热仿真分析，并使用热成像对比验证二者的测试结果，得出了CFD软件热仿真分析的数据相对准确的结论;北京建筑大学的周庆辉和陈展等人[2]利用Fluent软件进行了不同电流下锂离子电池的温度场仿真，得出电池电流越大对电池的温度和温差的影响越大;南昌大学的李甜甜等人[3]进行单体电池的温度场仿真分析，并对单体电池进行对应的放电实验得到了电池实际温度的相关数据，结合仿真得到的数据，得出所建立的电池三维热模型具有真实性。

本文以研究单体锂离子电池热仿真为目的，采用基于Fluent的MSMD电池模块建立单体电池生热模型，对不同放电倍率下的单体电池的温度及电压情况进行研究。

2 单体电芯建模

2.1 单体锂离子电池模型建立

利用CATIA软件对格瑞普公司生产的软包钴酸锂16.8Ah单体电芯进行三维建模。因原电池模型较为复杂，本文将原模型的凸台、倒角、凹槽等与电池放电生热影响不大的细节删除，将原电池模型进行简化，得到简化后的电池模型尺寸，如图1所示。电芯的长度为154.5mm、宽度为85mm、厚度为10.5mm。极耳长度为11.5mm、宽度为25mm、两极耳间距为6.5mm。在SpaceClaim中对几何模型进一步进行简化，将电池的极耳与电芯部分设置为独立的几何结构，并对各部分进行命名。

2.2 电池模型的网格划分与前处理

因电池模型简化后为规则的长方体几何结构，故在ANSYS Mesh中将网格类型设置为六面体网格，网格尺寸控制为3mm，其余网格划分选项不作修改，对电池模型进行网格划分。最终网格平均质量为0.97831，网格单元数为4348，该网格质量可以保证在网格整体不失真的情况下进行温度仿真，且同时保证了数据精度与仿真速度。

对单体锂离子电池模型的边界进行命名，在ANSYS Mesh中将电芯外表面定义为wall-cell，将极耳顶面定义为tap-n与tap-p，将极耳的其余面定义为wall-n与wall-p。

3 锂离子电池热仿真基础

3.1 锂离子电池热特性分析

锂离子电池生热主要是指充放电过程中因电池内部发生化学反应使得锂离子在电池正负极材料之间来回运动所产生的反应热Qa，这部分热量占电池生热量的绝大部分[4]，除外，锂离子电池的生热量还包括欧姆内阻的焦耳热Qb、极化反应的极化热Qc。所以锂离子电池在充放电过程中所产生的总热量应为[5]：

式中，n为电池的数量;m为电池极耳的质量;Q为电池的电化学反应热;I为充放电电流;M为摩尔质量;F为法拉第常数;Re为欧姆内阻;Rp为极化内阻。

3.2 MSMD电池模型的微分方程

在Fluent中的MSMD模块，采用微分方程求解电池热场和电场[6]：

上式中，和为正负极的有效电导率，和为正负极的相电势，和为电化学反应产生的体积电流传递速率和电化学反应热，和分别为电池内部短路引起的电流传递率和产热率，为热滥用条件下热失控反应产生的热量。

4 单体电芯放电生热仿真

4.1 单体电芯温度仿真

本文采用ANSYS Fluent的MSMD 电池模块建立单体电芯放电生热温度场仿真模型，在Fluent软件中打开能量方程，设置为瞬态求解。在Fluent求解器中分别输入以下UDF指令打开MSMD电池模型[7]：

define/models/addon-module/8，在MSMD电池模型中选择 NTGK 模型，设置电芯容量为16.8 A.h，在Conductive Zones中分别定义电芯及正负极，在Electric Contacts中定义正负极极耳连接面。

设置正负极极耳材料为铝，负极极耳设置扩散系数uds0与uds1，电芯材料属性设置如表1所示，设置初始温度为300K，电芯与极耳的壁面在自然条件下对流换热系数设置为5W/（m2·K），设置电池电压和温度监测，时间步数设为50，单位步长为30s，分别以1C、3C、5C、7C的放电倍率进行单体电芯温度场仿真，经计算得出各放电倍率下单体电芯的壁面温度云图、电压特性曲线和温度特性曲线，如图2、3、4所示。

4.2 不同放电倍率下的仿真结果

从图2可以得到在1C、3C、5C和7C放电倍率下的电池最低温度和最高温度以及温差的对比数据，如表2所示。

因为电池放电时大部分热量由电池内部电化学反应产生，小部分热量由内阻热产生，热量以热传导的形式向外扩散，电芯各方向导热系数不同，所以电池最高温度位于电芯中间，最低温度位于极耳附近。由表2可知，随着放电倍率的增大，单体电芯最高温度、最低温度、温差都随之相应增大。在7C放电倍率下，单体电芯温差最大，为1.81K。

由图3可知，随着放电倍率的逐渐增大，电池放电终止电压逐渐降低，放电终止时间逐渐减小，放电电压曲线的斜率不断增大，电池电量耗尽时间逐渐减小。由图4可知，随着放电倍率的逐渐增大，电池放电终止温度逐渐升高，斜率增大，电池升温速度加快。

4.3 仿真结果分析

从锂离子电池在不同的放电倍率下进行的放电生热分析仿真结果看出，当放电倍率增大时，电池的电压初始电压和终止电压减低，电池电压下降速度加快，电池内阻增大，电池内部生热量随之增大，导致电池各部分产生的温度和温差增大。若以更大放电倍率对电池进行放电，或将电池串联组成电池包放电使用时，将可能导致电池温度超过电池的合理工作温度范围，如果不及时采取适当的散热措施，将影响电池的正常放电工作，并且会危害到电池的使用寿命，甚至出现热失控等安全隐患。

5 结束语

1）随着锂离子电池放电倍率的增大，电池的终止电压降低，电量下降速度加快，电池的最低与最高温度增大，温差也增大。

2）对锂离子电池进行不同放电倍率下的温度仿真得出，电池中心部分温度最高，极耳部分温度最低，由此可根据不同放电倍率下的温度变化进行对电池包的结构散热进行设计及优化。

3）在进行电池1C、3C、5C的放电倍率放电时，电池温度逐渐升高，但都低于40℃，以7C放电倍率进行放电时电池最低温度和最高温度都超过电池放电的合理工作范围，此时需及时采取散热措施，保证电池使用壽命。

基金项目：广东省攀登计划科技创新战略专项（项目编号：pdjh2020a0820）。

参考文献：

[1]闫凯，楚金甫，陈西山，古伟鹏，常乐.纯电动车用动力电池系统温度场特性的数值研究[J].时代汽车，2018（02）：35-37.

[2]周庆辉，陈展，刘少楠.基于Fluent的锂离子动力电池的热分析[J].北京建筑大学学报， 2017，33（03）：33-37+65.

[3]李甜甜. 电动汽车锂离子电池热特性分析及散热优化[D]. 南昌大学， 2016.

[4]田华，王伟光，舒歌群，严南华.基于多尺度、电化学-热耦合模型的锂离子电池生热特性分析[J].天津大学学报（自然科学与工程技术版）， 2016， 49（07）：734-741.

[5]方雄灿. 电动汽车锂离子电池组热特性分析及电池箱体散热结构优化[D].合肥工业大学， 2017.

[6]薛宁.动力电池热行为及其过热性分析[D].吉林大学， 2017.

[7]郭磊.对FLUENT辐射模型的数值计算与分析[J].制冷与空调（四川）， 2014，28（03）：358-360.