基于ANSYS的18650锂离子电池单体稳态热分析

余小清，陈国喜，邹嘉林，陈东云，王宣懿

（重庆邮电大学先进制造工程学院，重庆 400065）

基于ANSYS的18650锂离子电池单体稳态热分析

余小清，陈国喜，邹嘉林，陈东云，王宣懿

（重庆邮电大学先进制造工程学院，重庆 400065）

锂电池性能优越广泛应用于电动汽车,但在使用过程中会大量发热，存在安全隐患。针对18650锂电池单体建立了三维模型，利用有限元分析软件ANSYS模拟其特定工况，得到了18650锂电池单体发热状态下的温度场。

18650锂电池；ANSYS；稳态热分析；温度场

CLC NO.: U469.7 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)07-18-02

引言

锂离子电池因其大容量、高电压、良好的安全性能及循环性能等优越性能广泛应用于电动汽车行业[1]，但其在使用过程中过度放热会引起电池内部温度异常升高，缩短电池的使用寿命，因此需要对电池温度场分析研究[2]。本文利用ANSYS软件，建立18650锂离子电池单体模型，进行热分析研究，对18650锂离子电池在使用过程中的温度场分布进行模拟,得到热分析结果。在实际工程中，该分析结果为锂离子电池温度场的分布测定和优化设计提供了一定的理论依据。

1、仿真计算理论依据

电池内部结构及反应机理相对复杂，且有软件运算能力有所限制，因此对18650锂离子电池进行以下简化假设：电池内部电解液流动性较差，忽略内部对流换热；电池内部辐射对散热影响较小，忽略不计；热量在电池内部均匀产生。

根据假设，建立电池稳态传热、内部生成热数学模型[3]：

式（1）中，q′′为热流密度，k为导热系数；式（2）中，Q为电池内部单位体积生热率，V为电池的总体积，Uoc为电池的开路电压，U为电池的工作电压，t为电池温度；电池电压随温度变化的温度系数，一般取值-0.5×10-3V/K。

2、仿真分析

2.1 有限元模型

18650锂离子电池单体为螺旋结构，在进行热分析时由于生热主要为正负极，其它部分为次要因素。因此分析时对模型进行简化。简化后的18650锂离子电池单体模型如图1所示。

图1 简化18650锂离子电池单体模型

2.2 材料参数

选择磷酸铁锂电池作为分析对象，根据电池单体分配材料属性，设置电池各个材料的比热容和热传导系数。材料参数[4]如表1所示。

表1 材料参数

2.3 载荷与约束

在热分析中，基本传热方式有热传导、热对流和热辐射三种[5]。对于18650锂离子电池单体，热对流及热辐射影响较小，主要考虑热传导的传热方式其载荷方式为内部热生成率，内部热生成率根据式（2）计算所得如下表2。

表2

对电池模型进行稳态热及瞬态热分析，施加温度载荷、对流载荷及热生成载荷。一般空气自然对流系数5～25W/(m2×K)，考虑18650锂离子电池在电池包中所处环境为中一般对流[5]，故对流换热系数大致选定为10，施加对象为模型外壳表面，环境温度为22℃。

2.4 网格划分

由于18650锂离子电池单体的几何形状相对不规则，在考虑精度的情况下，可采用四面体网格划分的方法来划分网格[6]，对几何形状不规则的结构进行离散，只要划分足够细密的单元，可以获得具有足够精度的解。综上，经多次划分后确定电池的网格大小为，共划分结点98228个，网格单元15483个，该尺寸网格可以保证其结果的收敛性[7]。18650锂离子电池网格划分如图2所示。

图2 18650锂离子电池单体网格划分

3、计算结果及分析

根据建立的锂离子电池单体温度场有限元模型，用ANSYS进行了热仿真分析[8]，得到了锂离子电池单体温度场在热传导为主要传热方式下的温度场分布如图3所示。

图3 18650锂离子电池单体温度场

4、结语

本文从理论与仿真分析完成了18650锂电池单体的热分析，从图3可知，18650锂离子电池单体最高温度为 42.08°C，最低温度为 41.69°C。在实际工程中，该分析结果为锂离子电池温度场的分布测定和优化设计提供了一定的理论依据。

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18650 lithium ion battery based on ANSYS Steady state thermal analysis

Yu Xiaoqing, Chen Guoxi, Zou Jialin, Chen Dongyun, Wang Xuanyi
( Institute of advanced manufacturing engineering of chongqing university of posts and telecommunications, Chongqing 400065 )

Lithium-ion batteries superior performance is widely used in electric cars, but in use process will be a large number of fever, pose a safety hazard. For 18650 lithium battery monomer three-dimensional model is established, using the finite element analysis software ANSYS to simulate its specific operating mode, 18650 lithium-ion battery monomer the temperature field of hot condition.

18650 lithium batteries; ANSYS; The steady state thermal analysis; The temperature field

U469.7

：A

：：1671-7988 (2017)07-18-02

余小清（1996-），女，就读于重庆邮电大学，机械设计制造及其自动化专业。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.07.008