电动汽车用锂离子电池单体温度场分析

杜士彪，周全，李想，庞康

电动汽车用锂离子电池单体温度场分析

杜士彪1，周全2，李想2，庞康2

（1.河北大学 质量技术监督学院，河北 保定 071000；2.保定长安客车有限公司，河北 定州 073000）

文章通过实验测得了锂离子电池内阻在常温下随soc的变化情况。实验显示放电时soc在0.2到1之间时内阻变化不大，soc小于0.2时内阻急剧升高，且充电内阻明显大于放电内阻。之后进行了锂离子电池单体在常温下，0.8C和1C的充放电温升试验。获得了温升随时间变化的数据。并通过fluent对电池单体进行了与实验对应的仿真，仿真结果显示充放电情况下仿真与实验最大温差基本在1℃以内。所以可以用本模型对锂离子电池生热进行分析，为实际使用提供一定的指导。

锂离子电池；内阻；充放电；温度场

前言

近几十年来，对进口石油的依赖和价格上涨、环境污染和全球变暖的担忧，促使积极研究新能源汽车[1]。为了解决以上问题，国家大力推广电动汽车的研发使用，而电动汽车因其无污染、能量利用效率高、噪音低、易保养、政策优惠等优点已经逐渐引起人们的重视[2]。

但是锂离子电池存在的一些问题制约着电动汽车的发展，其中最为紧迫的一个就是锂离子电池生热的问题。锂离子动力电池单体最佳工作温度在15℃到35℃，而实际电动汽车的则处于较大的波动范围[3]。锂离子电池在大功率放电过程中会产生大量的热量，在某些情况下会缩短电池寿命或造成安全隐患[4]。

所以本文主要目的在于探究车用锂离子电池单体在使用过程中温度变化情况以及温度场的分布，为其添加热管理系统提供一定的依据。

1 锂离子动力电池热特性及基本原理

1.1 锂离子电池的结构和工作原理

锂离子电池正极材料为锂离子的嵌入化合物[5]。正负电极是发生电化学反应的部分，通过进行化学反应从而产生需要的电动势。中间的隔膜既可以阻止锂原子通过而防止电池短路，也可以在电池温度过高时充当电阻，保护电池[6]。从而能够达到锂离子电池使用时间延长的效果，并且在最大程度上使得锂离子电池的生热量降低。但是由于锂离子电池自身结构的原因，还是会有大部分的热量难以散发。

图1 锂离子电池结构

1.2 电池生热率模型

锂离子电池温度的上升对电池的性能和寿命具有不利的影响，而导致电池温度上升的原因有很多，其主要的原因之一是电池内部电阻引起的[7]。电池内部产热主要由极化内阻热Q、欧姆内阻热Q、电池反应热Q三部分组成[8][9]：

最初，经典的li-ion发热的公式，被.等人从电化学反应的角度推导出：

I：电池充放电电流，单位为A。

V：电池体积，单位m3。

Uocp：电池开路电压。单位V。

U：电池工作时的电压。单位V。

2 内阻计算部分

2.1 内阻计算原理

图2 内阻测量原理图

依据欧姆定律，可得电池放电时欧姆内阻Rn和极化内阻Rp，具体计算公式如下：

2.2 实验数据分析

对实验结果进行处理得到如下表格：

表1 soc与内阻关系

得到数据图形如下：

图3 soc与放电内阻的关系

函数如下：

R=13.64*soc^4-34.73*soc^3+31.36*soc^2 -11.56*soc +2.90

图4 soc与充电内阻的关系

R=3.872*soc^5-12.82*soc^4+12.23*soc^3-2.95*soc^2- 0.435 *soc+ 2.10

3 基于CFD的仿真分析

3.1 单体电池建模

在进行热仿真之前需要对电池单体进行一定的简化，以及做一些必要的假设，了解单体电池的热物性参数。

3.1.1几何模型

电池单体形状如图所示：

图5 电池单体形状图

图中可以看出电池单体形状为一规则矩形块，除极耳外无附加结构，极耳用于电路连接，其尺寸很小，厚度仅2毫米，由于本身并不产生热量，在产热传热分析中影响很小，故在分析中将其简化。

锂离子电池内部结构复杂，而且内部极片、隔膜、极耳等尺寸较小，由于对模型进行简化不会对实验结果有影响，所以本文对锂离子单体建模时只对电池内核建模，忽略其他影响不大的部件。

根据所要研究的电池的参数，长×宽×高分别为：93.25×148×27.2mm。

3.1.2单体电池物理属性的假设及热物性参数

在Li-ion电池的3D模型简化的过程中，因为其内部的一些复杂特质，比如材料多样以及反应的过程中又涉及到诸多的化学变量，所以我们为了最终结果便于得出。就必须要对它进行一定的简化：

（1）Li-ion电池内部每一个微单元，我们可以认为他所产生的热量是基本一致的。

（2）由于Li-ion电池温度并不是特别高，所以本文就可以忽略对流和辐射的影响。

（3）Li-ion电池的密度、比热容、热导率在放电前后始终保持恒定，不随着电荷状态的变化而变化。

表2 锂离子动力电池属性

在仿真过程中需要不断地调节散热系数，从而使仿真结果与实验结果拟合。

在fluent仿真中还需要模拟出锂离子电池的发热程序。在上面本文已经测得了锂离子电池的内阻。可以利用udf函数监测时间从而获得任意时间的内阻。然后根据欧姆定律即可获锂离子电池在任意时刻的发热功率。

3.2 仿真设置与分析

锂离子电池实验时在六个面内设置了16个传感器，仿真时对其中四个典型的传感器进行了数据的分析。将实验结果与仿真结果进行对比，并不断地调试热物性参数，使得仿真结果与实验结果达到很好的拟合。

3.2.1 1C放电结果分析

经过不断调试最终采取如下表3的散热系数，1C放电时四个位置的传感器最终的平均温差大约是0.75℃，核心区域温升10℃。且在整个温升过程中，实验值与仿真值均以相同的趋势变化，所以采用本文的参数对电池进行仿真有较高的可信度。

1C放电，壁面散热系数设置如下：

表3 壁面散热系数设置

4个传感器对比拟合结果，如下图所示：

（a）4号传感器

（b）11号传感器

（c）13号传感器

（d）16号传感器

图7 1C放电结束电池温度场

3.2.2 0.8C放电结果分析

通过调整热物性参数，最终得到了如下表4的散热系数。在0.8C放电仿真与实验的对比中平均温差在1℃左右，且整个温升过程有良好的拟合效果，从而说明数据可信。

0.8C放电，壁面散热系数设置如下：

表4 壁面散热系数设置

4个传感器对比拟合结果，如下图所示：

图8 0.8C放电对比拟合结果

图9 0.8C放电结束电池温度场

3.3 充电结果仿真

3.3.1 1C充电仿真

通过调整热物性参数，最终得到如下表5的散热系数。在1C充电仿真与实验的对比中平均温差在0.6℃左右，且整个温升过程有良好的拟合效果，从而说明数据可信。

1C充电，壁面散热系数设置如下：

表5 壁面散热系数设置

图11 1C充电结束电池温度场

3.3.2 0.8C充电仿真

通过调整热物性参数，最终得到了如下表6的散热系数。在0.8C充电仿真与实验的对比中平均温差在1.1℃左右，且整个温升过程有良好的拟合效果，从而说明数据可信。

0.8C充电，壁面散热系数设置如下：

表6 壁面散热系数设置

4个传感器对比拟合结果，如下图所示：

图12 0.8C充电对比拟合结果

（1）从仿真分析结果和实验数据的对照看，1C、0.8C充放电仿真所呈现出的温升曲线都是非常好的符合了实验所呈现出的温升曲线。这表明模型与实验在各种情况下是非常接近的，所以用此模型所得到的计算结果对实际使用是有必然意义的。

图13 0.8C充电结束电池温度场

（2）从仿真的温度云图看，电池表面温度明显低于电池核心温度，因充放电电流不同温差2-3℃，所以对于单体电池而言，不适合用表面温度代表其最高温度。

4 结论

（1）放电时内阻随soc变化会产生很大的变化，尤其是在低soc区域内阻急剧的升高。所以锂离子电池使用时要减少在低soc的使用时间。

（2）充电时内阻明显大于放电的内阻，充电时可以辅助一定的热管理及降温措施。

（3）在充放电1C、0.8C的情况下，仿真结果与实验结果相差基本在1℃以下。可以用此模型代替实际实验进行一定的预测，为实际使用提供指导。

[1] H.S.Hamut,I.Dincer,G.F.NaterePerformance assessment of thermal management systems for electric and hybrid electricvehicles[J]. energyresearch.2013,37(1):13-24.

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[6] 范亮,卢惠民,孙泽高.浅谈汽车动力电池现状与发展[J].新材料产业,2014,10:20-25.

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[9] Sato Noboru,thermal behavior analysis of lithium ion batteries for electric and vehicle batteries[J].Journal of power Source 2001(99): 70-77.

Temperature Field Analysis of Lithium Ion Battery for Electric Vehicle

Du Shibiao1, Zhou Quan2, Li Xiang2, Pang Kang2

( 1.School of Quality and Technology Supervision, Hebei University, Hebei Baoding 071000; 2.Baoding Chang’an Bus Manufacturing Co., Ltd., Hebei Dingzhou 073000 )

Through the experiment, the change of the internal resistance of the lithium ion battery with the soc at room temperature is measured. Experiments show that the internal resistance of lithium ion soc does not change much between 0.2 and 1 when discharge,while the soc is less than 0.2, the internal resistance increases sharply. And the resistance of charge bigger than discharge.Then the temperature rise test of Li ion battery at 0.8C and 1C at room temperature was carried out. The data of temperature rise with time are obtained .The battery cell is simulated by fluent corresponding to the experiment. The simulation results show that the maximum temperature difference between the simulation and the experiment is basically within 1 ℃ under charge and discharge.Therefore, this model can be used to analyze the heat generation of lithium ion batteries and provide some guidance for practical use.

Lithium ion battery; Internal resistance; Charge and discharge; Internal resistance

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.03.002

TM911.3

A

1671-7988(2021)03-04-06

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杜士彪，本科，就读于河北大学质量技术监督学院机械设计制造及其自动化专业。