锂离子电池三维温度场分析
时间:2012-9-15 13:05:26来源:本站原创浏览次数:
1 建立锂离子电池的三维瞬态传热数学模型
(1) 由于电池内部电解液的流动性很差,因此电池内部的对流换热可以忽略不计;
(2) 电池内部辐射对散热的影响非常小,因此可以忽略不计;
(3) 电池内部的各种材料是各向同性的,因此电池内部的温度只在径向上变化,在其它方向上不变;
(4) 热量在电池内部是均匀产生的。
在上述四点假设中,由于电池两端也有散热,因此将第三条假设除去,由此可以建立圆柱型锂离子电池的三维瞬态传热数学模型:
(1)
式中:t 为电池的温度,℃;ρ 为电池的密度,kg/m3;c 为电池的比 热 容 ,J/ (kg·℃ );τ 为 时 间 ,s;l 为 电 池 的 导 热 系 数 ,W/(m·℃);r 为电池的半径,m;φ 为电池的圆周角,rad;z 为电池的长度,m;Q 为电池内部单位体积的热生成率,W/m3。
2 建立锂离子电池的三维有限元模型
由于圆柱型锂离子电池在轴向上是关于中间平面对称的,因此在轴向上可取一半建立锂离子电池的有限元模型;又由于在径向上锂离子电池是轴对称的,因此在径向上可取四分之一建立锂离子电池的有限元模型。建立好的圆柱型锂离子电池的三维有限元模型如图 1 所示。
3 内部生成热的确定
内部生成热的确定方法主要有两种:一是通过实验直接测量;二是通过公式计算,计算公式如(2)所示:(2)式中:Q 为电池内部单位体积的热生成率,W/m3;I 为电池的放电电流,A;V 为电池的总体积,m3;T 为电池的温度,℃;Eoc为电池的开路电压,V;E 为电池的工作电压,V;Eoc-E =IR(R为电池的内阻), 只在很小的范围内变化,取其值等于-0.5 mV/K。由此我们可以计算出 ICR65/400 型锂离子电池在 1 C 放电时的热生成率,结果如表 1 所示。
4 结果分析
ICR65/400 型锂离子电池的性能参数如表 2 所示。假设开始放电时电池的温度为 300 K,周围流体的温度为 300 K。利用这些数据分别对 ICR65/400 型锂离子电池的温度场进行了二维分析和三维分析,并对两者的结果进行了分析比较,最后分析了不同对流换热系数对电池温度场的影响本文首先在二维分析的基础上,利用有限元分析软件ANSYS 对 ICR65/400 型锂离子电池的温度场进行了三维分析。经分析比较,三维分析要比二维分析准确。接着分析了不同对流换热系数对电池温度场的影响,结果表明随着对流换热系数的增加,其对电池最高温度的影响越小,因此对流换热系数并不是越大越好。
5 结论
本文首先在二维分析的基础上,利用有限元分析软件ANSYS 对 ICR65/400 型锂离子电池的温度场进行了三维分析。经分析比较,三维分析要比二维分析准确。接着分析了不同对流换热系数对电池温度场的影响,结果表明随着对流换热系数的增加,其对电池最高温度的影响越小,因此对流换热系数并不是越大越好。
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