基于Fluent的18650锂电池热分析实操

导读：本文以FSEC赛车常用的18650锂离子电池为研究对象，利用CATIA完成电池建模工作，实测电池充放电电阻、SOC等数据，通过Bernardi模型，计算得到电池生热速率，在Fluent中建立数值模拟模型，分析单体电池在最高放电倍率下的生热情况。

一、锂电池技术参数

目前18650电池普遍具有内阻小，质量小，安全性能可靠且循环寿命长的特点。电池在正常工作时耐高温，耐过充，性能好且适用于一些大电流负载，高循环性能要求的用电设备。并且该电池拥有较大的可持续放电电流以及较小的内阻并且其循环寿命高。电池的主要参数如下表1-1：

二、锂电池材料物性参数

电池的热物性参数包含电池各部分材料的比热容、导热系数和密度等。在进行热仿真分析时需要对电池材料的热物性参数进行设置以确保仿真结果的准确性，因此准确地获得电池热物性参数对电池的热仿真具有十分重要作用。锂离子电池热物性参数如表1-2。

由于电池内部为卷绕构成，成分复杂并且电池各种材料的热物性参数差别较大，在仿真分析时，会对实际模型进行简化，其内部将看作为一个均匀整体，如果对每个材料单独设置会增加分析难度，因此对其进行加权计算。

（1）可以用单体压实密度来计算电池的密度：

（1-1）

式中，mz为电池单体的质量，kg；vz为电池单体的体积m^3。

（2）锂离子电池比热容的确定可以用电池的质量加权法，公式如下： 

 （1-2）

式中是电池各部分材料的比热容，是各材料质量，kg。

（3）锂离子电池导热系数的确定：

实际工作中电池在各个方向上的传热可能不同，并且电池内部组成复杂，不易直接测量。本文使用类似于计算电路中等效电阻的方法对锂离子电池三个正交方向上的等效导热系数进行计算。计算公式如1-3：   

      （1-3）

式中，分别是电池的正极材料、负极材料和隔膜的平均导热系数，W/(m·K）；l、b、h分别是x，y，z轴方向的正极材料、负极材料和隔膜的厚度，m。

最终得到锂离子电池的热物性参数如表1-3。

三、锂电池概念模型建立

利用CATIA建模软件来绘制单体锂离子电池的三维模型，电池的实际尺寸为底部圆半径×高：9mm×65mm，由于电池实际模型内部结构较为复杂，在有限元分析中处理起来比较困难，基于对电池内部结构均匀为整体的假设，对电池模型进行简化。这样的简化在对仿真结果精度影响不大的情况下，为仿真分析的过程中节省了大量的计算步骤。

四、单体电池网格模型建立

使用Fluent Mesh对电池三维模型进行网格划分，由于模型为圆柱体，采用Sweep的形式划分四面体网格，设置网格尺寸大小为0.5mm。网格数量为283140个，节点数量150257个。

五、热源与边界条件的确定

基于对单体电池模型内外均匀一体的简化，将整个单体电池视为一个独立发热体，本文使用目前较为流行的Bernardi模型，生热速率方程如下：

（1-4）

式中，I为电池的充放电电流,A；V为电池的体积，m^3;U为电池开路电压，V；U1为电池电压，V；T为温度,K；U-U1表示焦耳热；是电池热源中的可逆反应热；（这里取0.5），是电池热源中的可逆反应热；

由欧姆定律，U-U1可改为U-U1=IR的形式，因此电池生热速度计算式可写为：

（1-5）

通过对电池进行热分析，施加对应的温度条件，空气对流条件以及热生成载荷。电池与空气传热属于自然对流，一般来讲空气自然对流系数取5-25W/(m^2·K)，针对18650锂离子电池在工作中的环境状况，对流换热系数取10W/(m^2·K)，施加对象为电池三维模型的外表面，并且工作环境温度和流场初始温度取为25℃。

六、Fluent仿真设置

将网格模型导入Fluent中，在进行仿真计算时相关参数设定及计算步骤如下：

（1）检查网格质量：在进行仿真分析设置之前我们要对导入Fluent中的网格模型进行检查，单击软件面板中的【General】→【Mesh】→【Check】，防止出现负体积网格。

（2）确定物理模型：对单体锂离子电池进行热仿真是一个能量交换的过程，符合能量守恒，我们在【Models】中打开能量方程【Energy】（on）。

（3）设置材料参数：选择【Materials】功能，选中【Materials】→【Create/Edit Materials】→【User Defined Database】对电池材料的参数进行自定义设置，我们将材料种类设为固体，密度设置为2722kg/m^3，比热容取970J/(kg·k)，导热系数选择【cyl-orthotropic】，其径向、切向和轴向三个方向分别为2.8W/(m^2·K)、2.8W/(m^2·K)和30W/(m^2·K)。

（4）定义热源：通过Bernardi模型的生热速率方程计算出电池在不同条件下的生热速率并填入相关设置中。

（5）设置边界条件：在选型里设置电池的侧面和上下地面为Wall，电池表面与空气的传热属于自然对流，自然对流的交换系数取10W/m^2·K，设置环境温度为25℃。边界条件的相关参数设置如图1.3。

图1.3 电池单体边界条件设置图

（6）选择求解器：压力基求解器。

（7）确定求解参数：在Solution Controls中均采用默认参数即可。

（8）流场初始化：采用标准初始化，全局初始温度25℃。

（9）求解：在选项中设置计算时间为1200s，时间步长为1s，最大迭代步数为100。设置完成后开始计算求解。

七、仿真结果

求解完成之后，对其进行相关的后处理得到仿真结果图，如下图所示。

图1.4 电池温度云图

图1.5 ZY平面温度云图

审核编辑：刘清