燃料電池AEC定容彈溫度場(chǎng)計(jì)算分析

宋 俊,李明海,王賀武

(1.大連交通大學(xué)機(jī)車車輛工程學(xué)院，遼寧 大連 116028；2.清華大學(xué)車輛與運(yùn)載學(xué)院，北京 100084)

1 引言

國(guó)家節(jié)能減排政策大力推廣，全國(guó)各類用車，如工業(yè)用車、客車、私家車等都紛紛由“燃油”轉(zhuǎn)向了“燃電”。電池關(guān)乎電動(dòng)汽車動(dòng)力性能的好壞，是電動(dòng)汽車的心臟。鋰電池能量密度高、無記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)使其成為燃料電池的首選。其可靠性和安全性分析已成為整個(gè)行業(yè)的重要課題[1-2]。對(duì)燃料電池的熱失控研究往往是在模擬加熱設(shè)備上進(jìn)行的。其中AEC(adiabatic explosion chamber)定容彈是一種展現(xiàn)燃料電池?zé)崾Э匾约盁崾Э胤磻?yīng)的綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)備[3-6]。AEC定容彈結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加熱均勻?qū)訜嵊|發(fā)電池?zé)崾Э匦Ч己?。可以深入研究電池?zé)崾Э刂蟮囊幌盗蟹磻?yīng)過程，對(duì)燃料電池安全性的探索提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)[6-9]。定容彈外殼采用保溫材料確保加熱溫度在設(shè)定的條件下，并設(shè)置相應(yīng)的加熱模式控制加熱。根據(jù)研究的AEC定容彈，開展了加熱過程的溫度場(chǎng)研究,并構(gòu)建了該加熱過程的研究模式,通過采用惰性氣體為主要研究材料,分析不同加熱狀態(tài)下的溫度分布情況，并揭示了定容彈中氮?dú)鉁囟入S時(shí)間的改變過程,為研究在高溫下燃料電池的熱失控作用奠定了理論基礎(chǔ)[9-11]。

2 AEC定容彈裝置

2.1 AEC定容彈結(jié)構(gòu)以及加熱棒的布置

AEC定容彈主架構(gòu)如圖1所示，該定容彈選用圓柱形結(jié)構(gòu)作為彈體的主結(jié)構(gòu)。定容彈內(nèi)部?jī)羧莘e為82 L(根據(jù)UL9540A標(biāo)準(zhǔn))，設(shè)計(jì)壓力為0.7 MPa，彈體內(nèi)的氣體介質(zhì)為氮?dú)鈁12-15]。上下蓋板以及筒壁上安裝加熱棒對(duì)定容彈加熱，在定容彈筒壁外側(cè)設(shè)置絕熱層，減少熱量的散失。由圖1所示，由于加熱棒與筒壁以及上下蓋之間直接接觸，所以傳熱效率高。另外由于加熱棒是均勻分布在彈體壁面以及上下蓋區(qū)域，可以實(shí)現(xiàn)定容彈內(nèi)部的氮?dú)饩鶆蚴軣帷?/p>

圖1 定容彈內(nèi)筒模型Fig.1 Model diagram of the inner cylinder of a constant volume projectile.

2.2 AEC定容彈加熱模式

彈體內(nèi)氮?dú)獾臏囟扔啥ㄈ輳椛舷律w以及筒壁上安裝的熱電偶進(jìn)行測(cè)量。利用加熱棒對(duì)定容彈進(jìn)行加熱，采用連續(xù)加熱、均勻加熱的加熱模式，使得定容彈內(nèi)氣體介質(zhì)均勻的達(dá)到實(shí)驗(yàn)預(yù)設(shè)溫度，并且使彈體內(nèi)的氣體介質(zhì)溫差最小，利用均勻溫升來控制加熱過程。實(shí)驗(yàn)從室溫開始記錄溫度，每加熱1 min，溫度升高1 ℃，每加熱30 min保溫5 min，最終加熱到150 ℃。定容彈加熱模式如圖2所示。

圖2 加熱棒加熱模式Fig.2 Heating pattern diagram of heating rod.

3 AEC定容彈計(jì)算模型

3.1 模型優(yōu)化

AEC定容彈在加熱過程中出現(xiàn)的熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射、結(jié)構(gòu)應(yīng)力與變形等問題。因?yàn)檫吔鐥l件有變化、計(jì)算公式的限制和動(dòng)態(tài)的復(fù)雜性等問題，使得在實(shí)際的生產(chǎn)過程中計(jì)算有誤差，所以在構(gòu)建定容彈的有限元模型時(shí)需要進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化。在構(gòu)建模型時(shí)會(huì)進(jìn)行以下優(yōu)化：

(1)經(jīng)典的傳熱理論對(duì)AEC定容彈的加熱過程同樣適用；

(2)材料各向同性；

(3)相互結(jié)合的結(jié)構(gòu)為一個(gè)等效整體、無間隙，熱流與溫度傳遞相對(duì)連續(xù)；

(4)定容彈體的加熱棒視為發(fā)熱均勻的體積熱源。

3.2 設(shè)置邊界條件

首先對(duì)定容彈進(jìn)行抽真空以及充入惰性氣體的操作，抽真空壓力到達(dá)約0.004 MPa，然后進(jìn)行充氮?dú)馓幚硎沟脡毫_(dá)到0.1 MPa，重復(fù)兩次操作，保證定容彈內(nèi)的氧氣含量低至不影響燃料電池?zé)崾Э氐陌l(fā)生。利用氮?dú)庾鳛闅怏w介質(zhì)進(jìn)行研究，根據(jù)材料的不同，定容彈的結(jié)構(gòu)主要分為兩大部分：由鋁制成的定容彈筒壁以及硅酸鋁制成的定容彈上下蓋。根據(jù)實(shí)驗(yàn)實(shí)際參數(shù)，設(shè)置初始溫度為20 ℃，定容彈體里充氮?dú)鈮毫?.1 MPa。加熱過程：從室溫加熱，每分鐘升高1 ℃，每升高30 ℃保溫5 min，最高升到150 ℃。AEC定容彈材料的熱物理性能如表1所示。

表1 各種材料的物理性能Table 1 Physical properties of various materials.

3.3 熱力學(xué)分析

熱力學(xué)分析主要是研究計(jì)算模型中的溫度場(chǎng)分布及對(duì)熱梯度、熱流密度等物理量。溫度場(chǎng)是指在某一時(shí)間的各點(diǎn)溫度的總和。它是時(shí)間與空間關(guān)系的函數(shù)，其直角坐標(biāo)系為：

t=f(x,y,z,τ)

(1)

式中：t為溫度；x,y,z為直角坐標(biāo)系的空間坐標(biāo)；τ為時(shí)間。式(1)表示物體的溫度在x,y,z三個(gè)方向和在時(shí)間上都發(fā)生變化的三維非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)。

3.3.1 控制方程

模擬計(jì)算過程中涉及的控制方程包括連續(xù)性方程(2)、動(dòng)量方程(3)、能量方程(4)。

(2)

(3)

(4)

式中：ρ為密度；p為壓力；ui為i方向上流體的速度分量；μ為流體的動(dòng)力粘度；keff為有效導(dǎo)熱率；Ji,j為組分i的擴(kuò)散通量；Sh為能量源項(xiàng)。

3.3.2 瞬態(tài)熱平衡矩陣

ANSYS Workbench能進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析和瞬態(tài)熱分析兩種。穩(wěn)態(tài)熱分析一般方程為：

[K]{I}={Q}

(5)

式中：[K]為傳導(dǎo)矩陣，包括熱系數(shù)、對(duì)流系數(shù)以及輻射系數(shù)和形狀系數(shù)；{I}為節(jié)點(diǎn)溫度向量；{Q}為節(jié)點(diǎn)熱流向量，包括熱生成。

在周期性非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程中，物體內(nèi)各處的溫度按一定的振幅隨時(shí)間進(jìn)行周期性波動(dòng)；同時(shí)物體內(nèi)的溫度分布也成周期性波動(dòng)，瞬態(tài)傳熱過程中系統(tǒng)的溫度、熱流率熱邊界條件以及系統(tǒng)內(nèi)能隨時(shí)間都有明顯的變化。瞬態(tài)熱分析滿足q=dU/dz,即流入或流出的熱傳遞速率q等于系統(tǒng)內(nèi)能的變化。根據(jù)能量守恒原理，瞬態(tài)熱力學(xué)分析一般方程為：

[C]{T}+[K]{T}={Q}

(6)

式中：[K]為傳導(dǎo)矩陣，包括熱系數(shù)、對(duì)流系數(shù)以及輻射系數(shù)和形狀系數(shù)；[C]為比熱矩陣，考慮內(nèi)能的增加；{T}為節(jié)點(diǎn)溫度對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)；{Q}為節(jié)點(diǎn)熱流向量，包括熱生成[16]。

4 AEC定容彈溫度場(chǎng)計(jì)算與分析

ANSYS作為一款有限元分析軟件功能強(qiáng)大。其熱處理的應(yīng)用包括可對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射及接觸熱阻等問題進(jìn)行分析計(jì)算求解[17]。

對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行有限元分析方法可行、結(jié)果準(zhǔn)確。因此采用有限元法對(duì)定容彈溫度場(chǎng)的分布狀況進(jìn)行仿真研究。定容彈的加熱過程為瞬態(tài)傳熱過程，其步驟如下：①前處理；②輸入各個(gè)材料的熱物理性能參數(shù)；③建立幾何模型；④網(wǎng)格劃分；⑤加載分析模塊，設(shè)置加熱時(shí)長(zhǎng)和步長(zhǎng)；⑥后處理，得到計(jì)算結(jié)果，輸出計(jì)算數(shù)據(jù)，顯示模擬結(jié)果。

4.1 計(jì)算模型的建立

首先利用SolidWorks軟件對(duì)AEC定容彈進(jìn)行三維建模，通過無縫接口將AEC定容彈優(yōu)化后的模型導(dǎo)入ANSYS Workbench，對(duì)定容彈進(jìn)行溫度場(chǎng)的分析，并與定容彈實(shí)際溫度場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比。分析在不同的時(shí)間節(jié)點(diǎn)處AEC定容彈的不同溫度曲線。有限元計(jì)算只針對(duì)節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)格，首先利用Mesh平臺(tái)對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行劃分，根據(jù)求解的需要在Mesh平臺(tái)下進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分，設(shè)置剖分最小尺寸為0.012 mm，生成大約1 200 000四面體網(wǎng)格。局部結(jié)構(gòu)網(wǎng)格如圖3所示。

圖3 定容彈局部網(wǎng)格Fig.3 Local grid of constant volume bullet.

4.2 AEC定容彈溫度場(chǎng)分布

根據(jù)之前搭建的AEC定容彈模型，添加好材料參數(shù)以及相應(yīng)的邊界條件。定容彈絕初始溫度為20 ℃，彈艙內(nèi)填充的惰性氣體介質(zhì)為氮?dú)?，筒壁設(shè)置絕熱層。設(shè)置求解步長(zhǎng)為30 min，總時(shí)長(zhǎng)為150 min。通過對(duì)邊界條件以及計(jì)算參數(shù)的設(shè)定，計(jì)算定容彈在此運(yùn)行狀態(tài)下的瞬態(tài)溫度場(chǎng)，待定容彈溫升穩(wěn)定后的溫度場(chǎng)云圖如圖4所示。

圖4 加熱150 min時(shí)定容彈溫度分布Fig.4 Temperature distribution cloud of constant volume projectile at 150 min heating.

由圖4和圖5可見，AEC定容彈的最高溫度為154.73 ℃，在定容彈的上下蓋以及筒壁周圍有加熱棒的位置；最低溫度為71.1 ℃，主要分布在上下蓋沒有加熱棒的區(qū)域。當(dāng)加熱到150 ℃后，在對(duì)定容彈進(jìn)行保溫的過程中，定容彈體內(nèi)各個(gè)點(diǎn)的溫度差值之間變小。在垂直方向上，由于加熱棒安裝位置的原因，定容彈內(nèi)的氮?dú)鉁囟炔灰恢庐a(chǎn)生溫度傳遞，使得氮?dú)鉁囟嚷咏訜岚舻臏囟取Ｋ椒较蛏蠝囟然境蓪?duì)稱分布，由于蓋板以及筒壁上有加熱棒的原因，定容彈兩端的溫度相對(duì)較高，符合傳熱規(guī)律。

圖5 加熱過程中定容彈體溫升曲線Fig.5 Temperature rise curve of constant volume projectile during heating.

由圖6、圖7可見，定容彈內(nèi)氮?dú)獾淖罡邷囟葹?51.15 ℃，在靠近加熱棒的位置，定容彈的最低溫度為104.44 ℃，在定容彈的上蓋附近沒有加熱棒的位置。由于定容彈的加熱棒都給中間部分加熱，所以中間位置的溫度偏高。但是在連續(xù)的加熱過程中，定容彈逐漸表現(xiàn)出溫度的不均勻性，這同樣表現(xiàn)出不同時(shí)刻的溫度分布情況，定容彈內(nèi)各點(diǎn)的溫度梯度較為明顯，筒壁附近的溫度相對(duì)較高。因?yàn)榻饘偻脖诘膶?dǎo)熱能力強(qiáng)，傳熱速度快，溫升速度快，彈體其它區(qū)域溫升相對(duì)較慢是因?yàn)榕c加熱棒相距較遠(yuǎn)，且彈體內(nèi)的氮?dú)鈱?dǎo)熱能力相對(duì)較差因此導(dǎo)致溫度上升較慢。

圖6 加熱150 min定容彈內(nèi)部溫度場(chǎng)Fig.6 Temperature field cloud diagram of constant volume bomb after 150min heating.

圖7 定容彈內(nèi)部氮?dú)鉁厣€Fig.7 Temperature rise curve of nitrogen in a constant volume projectile.

4.3 AEC定容彈溫度場(chǎng)分布

根據(jù)實(shí)際要求，主要對(duì)AEC定容彈內(nèi)的氮?dú)膺M(jìn)行溫度分析。在垂直和水平方向上，定容彈內(nèi)的氮?dú)鈱?duì)稱分布，由于加熱棒均勻分布在筒壁以及上下蓋附近，因此氮?dú)饽軌虺浞址从吵鰷囟鹊淖兓闆r。按照連續(xù)加熱模式，分別計(jì)算各點(diǎn)的溫度，對(duì)定容彈內(nèi)部氮?dú)鉁囟葓?chǎng)分布情況進(jìn)行研究。由表2可知，靠近筒壁的溫度最高為154.73 ℃，靠近上下蓋的區(qū)域的溫度最低大約為71.1 ℃；定容彈內(nèi)氮?dú)鉁囟茸罡?51.15 ℃，最低為104.44 ℃。由于該結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，從圖5中可以看出在溫升階段，靠近筒壁的區(qū)域溫升更快，溫度相對(duì)更高，彈艙內(nèi)的氮?dú)鉁囟认鄬?duì)較低。從圖5、圖7中可以看出，隨著加熱時(shí)間的增加，當(dāng)加熱60 min后，彈艙內(nèi)氮?dú)庾罡邷囟葹?10.08 ℃，最低溫度為75.775 ℃，當(dāng)對(duì)定容彈保溫5 min后，最高溫度為110.22 ℃，最低溫度為80.476 ℃。當(dāng)繼續(xù)給定容彈加熱30 min，彈體內(nèi)的最高溫度為140.11 ℃，最低溫度為95.384 ℃，對(duì)定容彈保溫5 min，彈艙內(nèi)的最高溫度為140.28 ℃，最低溫度為102.85 ℃。在保溫過程中，定容彈內(nèi)的氮?dú)庾罡邷囟茸兓幻黠@，但是最低溫度有很大的提升。同樣，上下蓋板由于材料以及設(shè)計(jì)的原因，散熱面積大，溫度傳遞較慢，熱損失較大，溫升慢。

表2 定容彈內(nèi)氮?dú)鉁厣齌able 2 Nitrogen temperature rise meter in the bomb.

4.4 燃料電池?zé)崾Э貙?shí)驗(yàn)分析

燃料電池的工作溫度一般在30 ℃左右，溫度太高會(huì)影響使用壽命。對(duì)于不同容量燃料電池的熱失控行為進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，得到不同電池容量狀態(tài)下電池?zé)崾Э氐臏囟热鐖D8所示。

T1：176 Ah 100% SOC;T2：60 Ah 50% SOC;T3：60 Ah 100% SOC圖8 不同容量電池?zé)崾Э貢r(shí)溫度Fig.8 Temperature diagram of batteries with different capacities when they are out of control.

通過圖8可以看出環(huán)境溫度升高導(dǎo)致電池發(fā)生熱失控，不通電池容量的電池發(fā)生熱失控的時(shí)間大不相同。相同容量電池不同SOC狀態(tài)下電池?zé)崾Э氐臏囟认嗖畈欢啵?0 Ah電池?zé)崾Э匕l(fā)生時(shí)溫度在100 ℃左右。不同容量電池，容量越大發(fā)生熱失控的時(shí)間越長(zhǎng)、反應(yīng)越劇烈。176 Ah電池發(fā)生熱失控的溫度大約在120 ℃。

5 結(jié)論

使用了有限元分析軟件ANSYS對(duì)加熱狀態(tài)下的燃料電池中AEC定容彈溫度進(jìn)行熱解析，從而獲取了在各種加熱模式下的各個(gè)時(shí)段內(nèi)定容彈溫度場(chǎng)的具體數(shù)值。并通過相應(yīng)的燃料電池?zé)崾Э貙?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖8所示，以證明模擬過程的正確性。通過仿真結(jié)果，解析了AEC定容彈在加熱狀態(tài)下，彈內(nèi)的流體介質(zhì)溫度場(chǎng)分布變化規(guī)律，結(jié)果如下。

(1)圓柱形AEC定容彈彈體在加熱過程中，彈體中有加熱棒的區(qū)域溫度最高，在沒有加熱棒的上下蓋的區(qū)域溫度較低。

(2)加熱狀態(tài)下，定容彈內(nèi)氣體介質(zhì)有一定的溫度梯度，在垂直方向上，溫度大致稱對(duì)稱分布，由于加熱棒安裝的位置的原因，定容彈內(nèi)的氣體介質(zhì)溫度有溫度熱量的傳遞現(xiàn)象，氣體介質(zhì)的溫度慢慢接近定容彈筒壁以及上下蓋的溫度。

(3)在對(duì)定容彈保溫的過程中，定容彈的最高溫度變化不大，但是定容彈的最低溫度溫升相對(duì)較大，能有效降低溫度梯度。

(4)定容彈測(cè)試溫度與實(shí)際氮?dú)鉁囟炔⒉灰恢?，最高溫度差距明顯，平均溫度基本一致。

(5)下一步將采用溫升控制進(jìn)一步降低溫度梯度，保證定容彈內(nèi)加熱均勻。