0引言

隨著高新企業的蓬勃發展,人們的生活水平得到了顯著提升,而對能源的需求量也越來越大?為了減少對不可再生資源的依賴,開發新型的能源結構迫在眉睫?在這樣的新形勢下,高效的能量儲存與轉換裝置顯得尤為重要,用以實現集中化?智能化及高效化的管理及應用?智慧儲能的概念應運而生?儲能作為一個配電設備?發電設備?傳輸設備以及用戶終端,其在電網的作用,極大地改善了電網對大量能源的適應性?

目前,在市場上占據主導地位的儲能技術大致分為4類:(1)抽水儲能;(2)儲熱;(3)電化學儲能;(4)機械儲能?鋰離子電池作為一款集比能量高?能量密度高?自放電率小?輸出功率大等諸多優良特性的電池,在動力電池及儲能電池領域擁有極大的市場?可是鋰離子電池在實際應用中還可能出現熱失控的問題?原因在于,鋰離子電池在充放電過程中,電池內阻發熱?電極極化發熱及化學反應放熱等會使電池溫度迅速升高,電池溫度升高會進一步促使反應的加劇,從而形成產熱與溫升的正反饋?當溫度超過一定限制時,電池可能會出現膨脹?泄露?乃至爆炸等不安全因素?不僅如此,在充電過程中負極側極易產生鋰枝晶而易縮短電池壽命?因此,對電池的產熱行為深入研究對電池的安全保障及延長電池壽命有著極大的幫助?

目前已經商業化生產并使用的獨立式光伏系統中一般采用蓄電池作為儲能裝置,但蓄電池的使用壽命一般僅在6~7年,所以目前采用鋰電池構建儲能裝置已成為目前研究的一大重點?本文采用儲能電池常用的磷酸鐵鋰電池(LiFePO4)作為研究目標,計算出仿真過程中所需的熱物理參數,使用ICEM CFD繪制電池模型并畫出結構化網格,轉而使用ANSYS Fluent軟件進行數值仿真,研究單體電池在1C恒流放電時溫度分布情況,最后與實驗數據對比驗證仿真結果的準確性?

1電池模型及其工作原理

鋰離子電池的內部結構主要由正負極?正負極極柱?隔膜?絕緣環和殼體組成?具體的圓柱型鋰離子電池的縱向切面展開圖如圖1所示?

鋰離子電池本質上是一種濃度差電池,以碳素材料(一般多為石墨)為負極,含鋰的化合物為正極,其中不存在金屬鋰,只有鋰離子,鋰離子通過電解質進入電池負極,嵌入負極碳層的微孔中?而在電池的使用過程中(相當于放電),嵌入微孔中的鋰離子又運動回到正極?這樣,在電池充放電過程中,鋰離子在正負極之間不斷的來回奔跑,故稱其為“搖椅電池”?具體工作原理如圖2所示?

根據Bernardi均勻產熱理論,由于鋰電池的層狀結構,可以認為電池內部各處產熱均勻,整個電池可以認為是一個各向異性的整體,忽略電池內濃溶液的流動以及電池內部微弱的熱輻射過程,可以認為鋰電池的傳熱過程是一個發生在均一各向異性材料中的固體熱傳導過程?下一章對電池熱物理參數計算建立模型,研究電池的產熱行為?

2測溫平臺

本文采用26650型磷酸鐵鋰電池,標稱電壓3.6V,標稱容量2200mAh,電池質量為39g?實驗室環境溫度為27°C,在電池中部及兩端布置熱電偶,將導線焊于電池兩端,最后將連接好的電池置于固定容器中,搭建實驗平臺如圖3所示?其他使用設備還包括電池測溫儀一臺,測試用電腦一部?

3 熱物理參數的確立

圓柱型鋰離子電池的產熱模型中涉及到的熱物理參數包括比熱容C，發熱功率Ph，質量M，反應總時長T與電池密度ρ。

根據比熱容的物理定義,我們得到式(1):

其中to和t分別為電池在1C放電的起始溫度和最高溫度,Qh為電池放熱過程中的總產熱量,由于1C放電后電芯的剩余電量SOC在電池行業內可忽略不計,通過實驗測出電池的總發熱量為2378.44J,電池起始溫度27°C,最高溫度42.9°C,放電前后最大溫差為15.9°C,放電過程持續2834s,算得C=3.84J/(g·K)?

計算發熱功率的表達式(2)為:

算得P=0.84W?

對于單體電池自身的吸熱量,由于電池材料以及結構較為復雜,視為各向異性,導熱反應過程非常復雜,因此我們考慮在直角坐標系中沿坐標軸x?y?z的熱流密度可分別由式(3)(4)(5)表示:

解得導熱系數為1.37W/(m·k)?

對流換熱系數方程由式(6)表示:

算出對流換熱系數為12W/(m²·k)?

4建立三維熱物理模型

基于電池自身的物理參數與計算得出得熱物理參數,歸納出該儲能電池建模所需的熱物理參數,如表1所示?

基于以上數據在ICEM CFD中以1:1的比例繪制三維電池模型圖并繪制網格,對于單體電池的網格劃分,考慮電池殼體為四邊形,電池內部為四面體的結構化網格對其劃分?這種劃分方式更容易實現局部曲面的擬合,與實際模型更接近?網格繪制如圖4所示?

經網格無關性檢驗,確定最佳網格數為144120,檢查網格質量(Quality),長寬比(Aspectratio)均接近于1,角度(Angle)均大于18,網格總體質量較好,可用于Fluent仿真?

5仿真分析

基于建立好的鋰離子電池仿真模型和計算得出的熱物性參數,運用ANSYSFluent軟件對電池進行仿真?在模型中選取對應的溫度測試點與實測保持一致,設置邊界條件為對流邊界加在電池的上下兩端面,初始溫度設定為300K,與實測電池環境溫度保持一致?

鋰離子電池在1C放電倍率下的溫度分布云圖及切平面溫度分布如圖5?6所示?

在電池放電2834s后,電池整體溫度分布呈現中間高兩端低且逐級遞減的趨勢,溫度最高點為電池中部42.49°C,溫度最低點為電池兩端,約40°C左右,其中電池在仿真過程中1C放電時電池表面最高溫度隨時間的變化與實測相比,最大誤差為0.77°C,平均誤差為0.44°C(詳見圖7),誤差均不超過1°C,由此也證明了該儲能型電池產熱研究的準確性?

6結論

儲能型鋰離子電池的產熱行為研究對光伏發電系統中鋰離子電池可能出現的熱失控方面提供了理論依據,對增強電池安全性能方面具有正面的研究意義?本文基于對單體鋰離子電池熱物理參數計算得出的數據,與實驗測溫數據相擬合,建立電池三維熱模型,并使用ICEM CFD,ANSYS Fluent等軟件進行仿真處理?通過該研究得出以下結論:

單體電池在不受外界條件干擾的前提下,在對其1C恒流放電的過程中趨于穩定,并運用物理公式推算出比熱容,發熱功率等熱物理參數,為儲能型電池的熱研究提供理論依據?

基于ICEM CFD繪制質量較好的結構性網格,結合ANSYS Fluent軟件進行仿真,模擬出電池在1C放電倍率下的溫度分布情況,并與實測電池升溫作對比,得出最高溫度誤差為0.77°C,平均誤差為0.44°C,反映了熱仿真結果的準確性,為后續儲能型電池的熱管理研究打下理論基礎?

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