空冷條件下18650鋰電池溫度場(chǎng)仿真分析

楊 成，李繼龍，李 丹，姜星晨，畢韶丹

(1.沈陽理工大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，沈陽 110159；2.遼陽新美克塑料制品有限公司，遼寧 遼陽 111000)

鋰離子電池具有能量密度高、額定電壓高、循環(huán)次數(shù)多、自放電率低、無記憶效應(yīng)等突出優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活中[1]。其中18650電池是日本SONY公司制定的一種標(biāo)準(zhǔn)鋰離子電池型號(hào)，18表示電池直徑為18mm，65表示電池長度為65mm，0表示電池結(jié)構(gòu)為圓柱形。由于其標(biāo)準(zhǔn)性，易于工業(yè)化生產(chǎn)，18650電池是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的一種鋰離子電池，如特斯拉的電池組便是由數(shù)千節(jié)18650電池所組成。然而在充放電過程中，鋰離子電池會(huì)產(chǎn)生較大的熱量，尤其作為動(dòng)力電池在使用時(shí)，高放電倍率會(huì)導(dǎo)致發(fā)熱量成倍增加[2]；若散熱系統(tǒng)不能及時(shí)排出產(chǎn)生的熱量，電池內(nèi)部溫度便會(huì)急劇上升[3]，導(dǎo)致電池性能顯著下降，甚至出現(xiàn)燃燒、爆炸等更加嚴(yán)重的后果[4-6]。因此，為有效掌握鋰電池使用過程中的溫度狀態(tài)，需對(duì)其充放電過程中的溫度場(chǎng)進(jìn)行精確分析。

鋰離子電池的發(fā)熱量主要包括電池反應(yīng)的可逆熵?zé)帷W姆內(nèi)阻熱、極化內(nèi)阻熱和副反應(yīng)熱。針對(duì)其發(fā)熱模型以及溫度場(chǎng)模擬，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了深入的研究。Bernardi D等[7]研究了電池的溫度特性，并提出電池產(chǎn)熱率模型；Ye Y等[8]以電化學(xué)-熱耦合模型仿真分析了一種錳酸鋰電池，且通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其模型的有效性；楊威等[9]對(duì)水下航行器的電池組溫度場(chǎng)進(jìn)行了仿真，獲取了電池在不同工況下的溫度分布；丁亞軍等[10]利用熱模型估算出恒溫環(huán)境下圓柱鋰電池表面的自然對(duì)流傳熱系數(shù)。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，利用有限元分析軟件COMSOL Multiphysics5.4建立電化學(xué)-熱耦合三維模型，對(duì)18650錳酸鋰電池在不同空氣流速與放電倍率下的溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，為電池使用及散熱研究提供參考。

1 仿真模型構(gòu)建

1.1 單電池模型

單電池模型用于對(duì)鋰電池的電化學(xué)性能進(jìn)行建模仿真，選擇COMSOL電化學(xué)模塊中鋰離子電池物理場(chǎng)進(jìn)行單電池建模。電池采用錳酸鋰電池，其正極材料為錳酸鋰(LiMn2O4)；負(fù)極為碳基材料(LixC6)；電解質(zhì)采用六氟磷酸鋰(LiPF6)的碳酸乙烯酯(EC)和碳酸甲乙酯(EMC)溶液，其中EC和EMC的摩爾比為3∶7。

正極的充放電反應(yīng)為

負(fù)極的充放電反應(yīng)為

選擇多孔電極對(duì)正負(fù)極建模，其中正極、負(fù)極、隔膜、正極集流體和負(fù)極集流體的厚度分別取為55μm、55μm、30μm、10μm和7μm。

考慮電解質(zhì)濃度對(duì)其電導(dǎo)率及過電位的影響，以Butler-Volmer電極動(dòng)力學(xué)描述電極中的局部電荷轉(zhuǎn)移電流密度，以Bernardi電池產(chǎn)熱模型計(jì)算充放電時(shí)的發(fā)熱量，其中相關(guān)電化學(xué)及傳遞動(dòng)力學(xué)參數(shù)取自文獻(xiàn)[9]和文獻(xiàn)[11]，具體見表1所示。

表1 電化學(xué)及傳遞動(dòng)力學(xué)參數(shù)表

零電位點(diǎn)設(shè)置在負(fù)極集流體邊界上。為實(shí)現(xiàn)電解質(zhì)中的離子電荷守恒，集流體邊界是絕緣的。模型中顆粒表面的物質(zhì)通量由局部電化學(xué)反應(yīng)速率決定。初始荷電狀態(tài)(State of Charge，SOC)取為10%。

1.2 熱模型

熱模型用于描述鋰電池在流動(dòng)空氣中的傳熱行為，為有熱源的非穩(wěn)態(tài)傳熱問題。采用COMSOL的固體和流體傳熱物理場(chǎng)進(jìn)行傳熱建模；采用層流物理場(chǎng)進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)建模；采用多物理場(chǎng)中流動(dòng)耦合來實(shí)現(xiàn)傳熱與空氣層流流動(dòng)間的耦合。

根據(jù)18650電池的尺寸(直徑18mm，長度65mm)建立電池模型，電池結(jié)構(gòu)如圖1所示。

電池模型結(jié)構(gòu)包括活性電池材料域、心軸和電池連接頭。其中活性電池材料域?yàn)閱坞姵啬Ｐ椭姓龢O、負(fù)極及電解質(zhì)；心軸為尼龍絕緣體，用于纏繞單電池片；電池連接頭即為電池頂部凸起，材質(zhì)為鋼。

圖1 電池結(jié)構(gòu)

建立長方體作為空氣流動(dòng)域，如圖2所示。其中一側(cè)作為空氣流動(dòng)入口，另一側(cè)為出口，其寬、深、高尺寸分別為45mm、3.5mm、68mm。

圖2 空氣流動(dòng)域結(jié)構(gòu)

環(huán)境溫度(空氣與電池初始溫度)設(shè)置為25℃；相關(guān)材質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)、密度、熱容等參數(shù)均采用COMSOL內(nèi)置數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)；除空氣入口面外，其余各面的空氣初始流動(dòng)速度均設(shè)置為0。

1.3 電化學(xué)-熱耦合模型

鋰電池在空氣中的散熱過程采用電化學(xué)-熱耦合模型進(jìn)行多物理場(chǎng)耦合仿真。通過單電池模型對(duì)電化學(xué)過程進(jìn)行仿真，得到充放電過程中所釋放的熱量，以其作為熱模型中的熱源；通過熱模型的仿真計(jì)算，得到單電池-空氣系統(tǒng)的溫度分布，以其作為電化學(xué)計(jì)算過程中的溫度參數(shù)；以熱量和溫度作為傳遞變量，實(shí)現(xiàn)電化學(xué)模型與熱模型的耦合。電化學(xué)-熱耦合模型如圖3所示。

對(duì)于單體電池，其活性電極材料域中溫差較小，為簡化計(jì)算，單電池模型中的電化學(xué)計(jì)算采用集總模型，熱模型為分布模型，用于電池仿真的溫度為活性電極材料域的平均溫度。

圖3 電化學(xué)-熱耦合模型

2 仿真結(jié)果分析與討論

2.1 不同空氣流速下溫度場(chǎng)仿真

基于所建立的電化學(xué)-熱耦合模型，分別在空氣入口流速為0.1m/s、0.2 m/s、0.5 m/s的條件下進(jìn)行仿真模擬，放電倍率取6C，仿真時(shí)長為3600s，得到溫差(電池溫度與初始溫度之差)隨時(shí)間的變化如圖4所示。圖4中最大溫差、最小溫差和平均溫差分別為電池空間域中最高溫度、最低溫度和平均溫度所對(duì)應(yīng)的溫差。

圖4 6C放電倍率下溫差動(dòng)態(tài)圖

由圖4中不同空氣入口流速下的溫度變化對(duì)比可得，隨著空氣入口流速的增大，電池溫度降低，且趨于穩(wěn)定的時(shí)間減短；由于空氣流速增大，傳熱速率也增大，縮短了發(fā)熱和散熱過程達(dá)到平衡的時(shí)間。

為具體說明電池上各點(diǎn)溫度的不同，在空氣入口流速為0.1m/s，放電倍率為6C的條件下，仿真時(shí)長1800s時(shí)得到電池的溫度場(chǎng)如圖5所示。

圖5 1800s時(shí)電池的溫度場(chǎng)

由圖5可見，最高溫度出現(xiàn)在電池底部接近心軸處，最低溫度出現(xiàn)在迎風(fēng)面的外壁；這是由于心軸材料的導(dǎo)熱系數(shù)較小，頂部鋼制接頭的導(dǎo)熱系數(shù)較大，造成熱量在下部中心處積累。

為進(jìn)一步分析電池溫度與空氣流速間的關(guān)系，在空氣入口流速為0.1～1.0 m/s的范圍內(nèi)以0.1m/s為間隔進(jìn)行仿真，放電倍率同樣取為6C，仿真時(shí)長為7200s，得到溫度穩(wěn)定后電池最高溫度與空氣流速之間的關(guān)系如圖6所示。

由圖6可見，單體電池最高溫度隨空氣流速的增加而降低，且降低趨勢(shì)逐步趨于平緩；由于空氣流速增大，對(duì)流傳熱系數(shù)隨之增大，空氣流動(dòng)帶走的熱量增加，故電池溫度降低；隨著電池溫度降低，電池與空氣間的溫差減小，即傳熱驅(qū)動(dòng)力減小，傳熱量也逐漸減少，故當(dāng)空氣流速增大到一定程度后，溫度降低減緩，逐步趨于穩(wěn)定。

圖6 電池溫度與空氣流速的關(guān)系

2.2 不同放電倍率下溫度場(chǎng)仿真

取空氣流速為0.1m/s，分別對(duì)放電倍率為2C、3C、6C時(shí)進(jìn)行仿真模擬，仿真時(shí)長7200s，得到溫差動(dòng)態(tài)圖如圖7所示。

由圖7可見，放電倍率為2C、3C、6C時(shí)，電池最大溫差分別穩(wěn)定在約7K、12.5K、35K。隨著放電倍率的增加，電池溫度顯著上升；錳酸鋰電池的充電工作溫度范圍為0～45℃，放電工作溫度范圍為-20～60℃。當(dāng)放電倍率為6C時(shí)，電池最高溫度已經(jīng)達(dá)到60℃，超出電池的正常工作溫度范圍，故應(yīng)盡可能避免過高的放電倍率；在需要維持高放電倍率的情況下，必須采取一定的主動(dòng)散熱措施，如機(jī)械通風(fēng)或液冷等。

圖7 0.1 m/s空氣流速下溫差動(dòng)態(tài)圖

3 結(jié)論

采用有限元計(jì)算軟件COMSOL Multiphysics對(duì)18650鋰電池建立電化學(xué)-熱耦合三維模型，以溫度和熱量作為連接電化學(xué)模型和熱模型的接口，實(shí)現(xiàn)耦合。在空氣冷卻條件下電池充放電過程中溫度場(chǎng)的動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果表明：增大空氣流速可在一定范圍內(nèi)有效降低電池溫度，但隨著流速的進(jìn)一步增大，由于溫度降低，傳熱推動(dòng)力減小，電池溫度將逐步趨于平緩；增加放電倍率會(huì)導(dǎo)致電池溫度的顯著升高，對(duì)于本文仿真條件下的錳酸鋰電池，當(dāng)充電倍率達(dá)到6C時(shí)，電池溫度將超出正常工作溫度范圍。