殷鵬翔
晉中職業(yè)技術(shù)學(xué)院車輛工程學(xué)院,山西晉中 030600
20世紀(jì)末期,內(nèi)燃機(jī)車輛的發(fā)展已趨于飽和,由于傳統(tǒng)燃油的持續(xù)使用,造成了環(huán)境污染與資源問(wèn)題。所以,在新能源汽車發(fā)展的同時(shí),電動(dòng)車也成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。由于其具有低排放及優(yōu)良的性能等諸多優(yōu)勢(shì)[1],因此在新能源汽車中占有一席之地。隨著電動(dòng)車的快速發(fā)展,電池作為汽車的動(dòng)力系統(tǒng),對(duì)其性能要求也越來(lái)越高,本文選取了一種電動(dòng)汽車常用的鋰離子電池組作為研究對(duì)象,并針對(duì)單體鋰電池的熱特性進(jìn)行了分析和研究,以滿足當(dāng)今社會(huì)的需求。
鋰電池在工作時(shí),其內(nèi)部會(huì)以一個(gè)速率來(lái)發(fā)熱,并且內(nèi)部產(chǎn)生的熱量會(huì)透過(guò)熱傳導(dǎo)進(jìn)入到電池的表層,再以自然對(duì)流或其他方式散發(fā)出去。由于鋰電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,所以本文采用了一種新的計(jì)算方式,即將其與其他材料的熱進(jìn)行了計(jì)算比較。因此,這個(gè)模型就是一個(gè)由一個(gè)熱源和一個(gè)外殼構(gòu)成的簡(jiǎn)易模型。
單體18650型鋰電池是一種由正負(fù)極、電解質(zhì)、密封圈組成的小型鋰電池。為了便于分析和簡(jiǎn)化計(jì)算機(jī)的運(yùn)算,在建立模型時(shí),將單體作為一個(gè)簡(jiǎn)單的單元,只包含一個(gè)外殼和一個(gè)內(nèi)部的熱源;為了簡(jiǎn)化計(jì)算,假設(shè)電池中的熱源介質(zhì)是均一的且生熱速率是恒定的。
由于鋰離子電池的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,本文在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了以下的假定:
(1)所述單元中的介質(zhì)是均一的,并且所述材料的密度、比熱容和熱傳導(dǎo)率在所述單元中保持不變;
(2)工作期間,電池的電流呈均勻性;
(3)所述電池材料的熱容和熱傳導(dǎo)率是不變的,且不會(huì)隨著溫度的改變而發(fā)生改變[2]。
在計(jì)算電池工作時(shí)的生熱速率時(shí),選取了由伯納迪研究小組所研究的模型,其模型的計(jì)算公式為:
(1)
基于以上的假定,可以得出鋰離子電池?cái)?shù)學(xué)模型為:
(2)
除生熱速率外,比熱容的幅值也極大地影響到單元內(nèi)的溫度分布,比熱容的計(jì)算公式為:
(3)
式中:m為的電池質(zhì)量,kg;ci為某種物質(zhì)的比熱容量,J/(kg·K);mi為物質(zhì)材料的質(zhì)量,kg。
在 Fluent軟件中,主要的工作過(guò)程有3個(gè)運(yùn)算部分:預(yù)處理、解析器、后處理。
(1)預(yù)處理。對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行模型化處理,尤其是需要進(jìn)行最大程度有效的簡(jiǎn)化,并將模型以網(wǎng)格的形式進(jìn)行劃分,可用的軟件工具有 GAMBIT、 TGrid、 prePDF、 GeoMesh等。GAMBIT是Fluent公司開發(fā)的一個(gè)預(yù)處理軟件,該軟件可以直接為Fluent生成網(wǎng)格模型,具有強(qiáng)大的復(fù)合建模功能;TGrid的功能是在已有的邊界柵格內(nèi)產(chǎn)生實(shí)體柵格,其工作原理是 GAMBIT將所產(chǎn)生的柵格引入 TGrid,然后 TGrid再對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格分割;prePDF和 GeoMesh都是預(yù)處理軟件,它們是 GAMBIT的前身,但 prePDF只需要用于燃燒問(wèn)題, GAMBIT就會(huì)逐漸取代 GeoMesh。另外, Fluent通過(guò)提供多軟件接口比如CAD/CAE及 GAMBIT等軟件進(jìn)行有效接口,進(jìn)一步提高了Fluent軟件的建模功能[4]。
(2)求解器。它是所有流體問(wèn)題的核心。當(dāng)前Fluent功能的更新是一個(gè)持續(xù)變化的過(guò)程,比如在預(yù)處理中加入更高效的可計(jì)算的實(shí)體建模;確定材料性質(zhì)、界定邊界、進(jìn)行步運(yùn)算及后處理。
(3)后處理。主要作用是在完成了對(duì)流體的計(jì)算后,根據(jù)觀察的要求對(duì)數(shù)據(jù)資料進(jìn)行加工處理。Fluent本身具備強(qiáng)大的后處理功能,能夠直觀地以圖像進(jìn)行顯示及輸出有效核心數(shù)據(jù),重要的計(jì)算報(bào)告等功能。此外,還可以使用特殊的后處理軟件 Tecplot,它可以繪制函數(shù)圖像,輸出二維、三維等圖像,并能為用戶生成各種需要的模式圖像[5]。
Fluent在問(wèn)題的求解中,要對(duì)解決實(shí)際問(wèn)題有一個(gè)大概的了解,然后才能進(jìn)行問(wèn)題的剖析和制定出一個(gè)解決方案。具體解決步驟如下:
(1)明確計(jì)算目標(biāo)。清楚使用Fluent可以得到什么結(jié)果,如何使用,并確定該模型及計(jì)算方法的精度。選擇的模式主要有:對(duì)模式進(jìn)行歸類、簡(jiǎn)單化、對(duì)計(jì)算區(qū)域的確定、模型內(nèi)主要部分計(jì)算區(qū)域的選??;該模式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可為2D或3D。
(2)物理模型的選取。因?yàn)槊總€(gè)模型都有相應(yīng)的設(shè)定,所以在使用Fluent之前,必須考慮到使用的模型能夠應(yīng)用于哪些功能。例如,用模型的分層流、穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、是非能量流。
(3)求解方法的確定:決定問(wèn)題的算法是否要增加其他的參量,是否要進(jìn)行優(yōu)化,是否要進(jìn)行優(yōu)化收斂加速時(shí)間等。
以上問(wèn)題得到解決后,就可以利用Fluent進(jìn)行操作運(yùn)算了。
Fluent工作流程如圖1所示。
圖1 Fluent工作流程
物理模型建立之后,通過(guò) Gambit進(jìn)行網(wǎng)格劃分,選取適合于模型的四面體網(wǎng)格,其劃分后的網(wǎng)格模型如圖2所示。
圖2 網(wǎng)格模型
在模型網(wǎng)格劃分完畢后,必須設(shè)定一個(gè)邊界條件,即內(nèi)部熱源材料為固態(tài),而其邊界則為壁內(nèi)邊界;將電池的邊緣條件設(shè)定為 WALL,后導(dǎo)入 MSH文件,為Fluent模擬做好準(zhǔn)備。
本文在建立模型時(shí)采用了毫米,因此在加入了Fluent以后,就不會(huì)再對(duì)該模型進(jìn)行單元單位變換了。在導(dǎo)入 MSH后,會(huì)對(duì)其進(jìn)行檢驗(yàn),如果不存在負(fù)值,則繼續(xù)進(jìn)行下一步的工作。
檢測(cè)完畢后,開啟能量方程,設(shè)定電池內(nèi)的物質(zhì)參數(shù),并進(jìn)行運(yùn)算;選擇的電池比熱容為1 008 J/kg·K,熱傳導(dǎo)率為2.7 W/(m·K),選擇的是自然通風(fēng),換熱系數(shù)為5 W/(m·K2)。在模擬單體鋰離子電池?zé)崽匦詴r(shí),選取了在不同的放電倍數(shù)下,對(duì)鋰離子電池的溫度分布進(jìn)行了比較。在此期間,電池會(huì)產(chǎn)生很多熱量。但如果鋰離子電池的溫度高于40 ℃,則有一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。所以可以選取該參數(shù)進(jìn)行比較分析。
經(jīng)過(guò)1 C的放電后,電池外殼表面的最高溫度為307.9 K,最低的溫度為306.7 K,內(nèi)熱源最高溫度為308.3 K,存在的溫差為1.6 K。1C放電結(jié)果如圖3所示。
圖3 1C放電結(jié)果
經(jīng)過(guò)2C的放電后,電池外殼表面的最高溫度為313.1 K,最低的溫度為311.8 K,內(nèi)熱源最高溫度為313.6 K,溫差為1.8 K。2C放電結(jié)果如圖4所示。
圖4 2C放電結(jié)果
在3C放電之后,電池外殼表面的最高溫度為318.2 K,最低的溫度為315.4 K,內(nèi)熱源最高溫度為318.9 K,溫差為3.5 K。3C放電結(jié)果如圖5所示。
圖5 3C放電結(jié)果
在4C放電之后,電池外殼表面的最高溫度為325.4 K,最低的溫度為321.3 K,內(nèi)熱源最高溫度為326.4 K,溫差為5.1 K。4C放電結(jié)果如圖6所示。
圖6 4C放電結(jié)果
在5C放電之后,電池外殼表面的最高溫度為336.2 K,最低的溫度為331.7 K,而內(nèi)熱源的最高溫度為337.7 K,溫差為6 K。5C放電結(jié)果如圖7所示。
圖7 5C放電結(jié)果
對(duì)不同放電倍率下電池的最高溫度和最低溫度進(jìn)行了分析,得到了電池溫度變化曲線如圖8所示。由圖可以看出,在不一樣的電流放電條件下,電池的穩(wěn)態(tài)溫度也是不同的。隨著放電倍率的增加,其內(nèi)部的熱量也隨之增加,最后達(dá)到了較高的溫度。由圖還可以看出,鋰離子的最佳工作溫度應(yīng)在298~313 K,可見單體的釋放速率為2C時(shí),就已經(jīng)接近了電池的工作極限或是工作的臨界值,必須對(duì)其進(jìn)行冷卻,使其恢復(fù)到最穩(wěn)定正常狀態(tài)。
圖8 不同放電倍率下電池溫度變化曲線
為了能夠科學(xué)快速地分析單體電池的最佳工作狀態(tài),本文通過(guò)仿真分析在不同工作溫度及放電倍率下的電池?zé)岱€(wěn)態(tài)情況,探討了其散熱性能,從分析結(jié)果上可知,鋰離子電池最佳工作溫度為298~313 K,并且單體放電倍率為2C時(shí),就達(dá)到了電池溫度的工作極限范圍,需要進(jìn)行快速散熱處理。仿真結(jié)論也為今后純電動(dòng)汽車電池組熱管理系統(tǒng)的開發(fā)提供了相應(yīng)的依據(jù)。