0引言

隨著高新企業(yè)的蓬勃發(fā)展,人們的生活水平得到了顯著提升,而對(duì)能源的需求量也越來(lái)越大?為了減少對(duì)不可再生資源的依賴(lài),開(kāi)發(fā)新型的能源結(jié)構(gòu)迫在眉睫?在這樣的新形勢(shì)下,高效的能量?jī)?chǔ)存與轉(zhuǎn)換裝置顯得尤為重要,用以實(shí)現(xiàn)集中化?智能化及高效化的管理及應(yīng)用?智慧儲(chǔ)能的概念應(yīng)運(yùn)而生?儲(chǔ)能作為一個(gè)配電設(shè)備?發(fā)電設(shè)備?傳輸設(shè)備以及用戶(hù)終端,其在電網(wǎng)的作用,極大地改善了電網(wǎng)對(duì)大量能源的適應(yīng)性?

目前,在市場(chǎng)上占據(jù)主導(dǎo)地位的儲(chǔ)能技術(shù)大致分為4類(lèi):(1)抽水儲(chǔ)能;(2)儲(chǔ)熱;(3)電化學(xué)儲(chǔ)能;(4)機(jī)械儲(chǔ)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(yōu)良特性的電池,在動(dòng)力電池及儲(chǔ)能電池領(lǐng)域擁有極大的市場(chǎng)?可是鋰離子電池在實(shí)際應(yīng)用中還可能出現(xiàn)熱失控的問(wèn)題?原因在于,鋰離子電池在充放電過(guò)程中,電池內(nèi)阻發(fā)熱?電極極化發(fā)熱及化學(xué)反應(yīng)放熱等會(huì)使電池溫度迅速升高,電池溫度升高會(huì)進(jìn)一步促使反應(yīng)的加劇,從而形成產(chǎn)熱與溫升的正反饋?當(dāng)溫度超過(guò)一定限制時(shí),電池可能會(huì)出現(xiàn)膨脹?泄露?乃至爆炸等不安全因素?不僅如此,在充電過(guò)程中負(fù)極側(cè)極易產(chǎn)生鋰枝晶而易縮短電池壽命?因此,對(duì)電池的產(chǎn)熱行為深入研究對(duì)電池的安全保障及延長(zhǎng)電池壽命有著極大的幫助?

目前已經(jīng)商業(yè)化生產(chǎn)并使用的獨(dú)立式光伏系統(tǒng)中一般采用蓄電池作為儲(chǔ)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(gòu)建儲(chǔ)能裝置已成為目前研究的一大重點(diǎn)?本文采用儲(chǔ)能電池常用的磷酸鐵鋰電池(LiFePO4)作為研究目標(biāo),計(jì)算出仿真過(guò)程中所需的熱物理參數(shù),使用ICEM CFD繪制電池模型并畫(huà)出結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,轉(zhuǎn)而使用ANSYS Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值仿真,研究單體電池在1C恒流放電時(shí)溫度分布情況,最后與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性?

1電池模型及其工作原理

鋰離子電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由正負(fù)極?正負(fù)極極柱?隔膜?絕緣環(huán)和殼體組成?具體的圓柱型鋰離子電池的縱向切面展開(kāi)圖如圖1所示?

鋰離子電池本質(zhì)上是一種濃度差電池,以碳素材料(一般多為石墨)為負(fù)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(guò)電解質(zhì)進(jìn)入電池負(fù)極,嵌入負(fù)極碳層的微孔中?而在電池的使用過(guò)程中(相當(dāng)于放電),嵌入微孔中的鋰離子又運(yùn)動(dòng)回到正極?這樣,在電池充放電過(guò)程中,鋰離子在正負(fù)極之間不斷的來(lái)回奔跑,故稱(chēng)其為“搖椅電池”?具體工作原理如圖2所示?

根據(jù)Bernardi均勻產(chǎn)熱理論,由于鋰電池的層狀結(jié)構(gòu),可以認(rèn)為電池內(nèi)部各處產(chǎn)熱均勻,整個(gè)電池可以認(rèn)為是一個(gè)各向異性的整體,忽略電池內(nèi)濃溶液的流動(dòng)以及電池內(nèi)部微弱的熱輻射過(guò)程,可以認(rèn)為鋰電池的傳熱過(guò)程是一個(gè)發(fā)生在均一各向異性材料中的固體熱傳導(dǎo)過(guò)程?下一章對(duì)電池?zé)嵛锢韰?shù)計(jì)算建立模型,研究電池的產(chǎn)熱行為?

2測(cè)溫平臺(tái)

本文采用26650型磷酸鐵鋰電池,標(biāo)稱(chēng)電壓3.6V,標(biāo)稱(chēng)容量2200mAh,電池質(zhì)量為39g?實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度為27°C,在電池中部及兩端布置熱電偶,將導(dǎo)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖3所示?其他使用設(shè)備還包括電池測(cè)溫儀一臺(tái),測(cè)試用電腦一部?

3 熱物理參數(shù)的確立

圓柱型鋰離子電池的產(chǎn)熱模型中涉及到的熱物理參數(shù)包括比熱容C，發(fā)熱功率Ph，質(zhì)量M，反應(yīng)總時(shí)長(zhǎng)T與電池密度ρ。

根據(jù)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(guò)程中的總產(chǎn)熱量,由于1C放電后電芯的剩余電量SOC在電池行業(yè)內(nèi)可忽略不計(jì),通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)出電池的總發(fā)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(guò)程持續(xù)2834s,算得C=3.84J/(g·K)?

計(jì)算發(fā)熱功率的表達(dá)式(2)為:

算得P=0.84W?

對(duì)于單體電池自身的吸熱量,由于電池材料以及結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,視為各向異性,導(dǎo)熱反應(yīng)過(guò)程非常復(fù)雜,因此我們考慮在直角坐標(biāo)系中沿坐標(biāo)軸x?y?z的熱流密度可分別由式(3)(4)(5)表示:

解得導(dǎo)熱系數(shù)為1.37W/(m·k)?

對(duì)流換熱系數(shù)方程由式(6)表示:

算出對(duì)流換熱系數(shù)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(shù)與計(jì)算得出得熱物理參數(shù),歸納出該儲(chǔ)能電池建模所需的熱物理參數(shù),如表1所示?

基于以上數(shù)據(jù)在ICEM CFD中以1:1的比例繪制三維電池模型圖并繪制網(wǎng)格,對(duì)于單體電池的網(wǎng)格劃分,考慮電池殼體為四邊形,電池內(nèi)部為四面體的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)其劃分?這種劃分方式更容易實(shí)現(xiàn)局部曲面的擬合,與實(shí)際模型更接近?網(wǎng)格繪制如圖4所示?

經(jīng)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn),確定最佳網(wǎng)格數(shù)為144120,檢查網(wǎng)格質(zhì)量(Quality),長(zhǎng)寬比(Aspectratio)均接近于1,角度(Angle)均大于18,網(wǎng)格總體質(zhì)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(jì)算得出的熱物性參數(shù),運(yùn)用ANSYSFluent軟件對(duì)電池進(jìn)行仿真?在模型中選取對(duì)應(yīng)的溫度測(cè)試點(diǎn)與實(shí)測(cè)保持一致,設(shè)置邊界條件為對(duì)流邊界加在電池的上下兩端面,初始溫度設(shè)定為300K,與實(shí)測(cè)電池環(huán)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(xiàn)中間高兩端低且逐級(jí)遞減的趨勢(shì),溫度最高點(diǎn)為電池中部42.49°C,溫度最低點(diǎn)為電池兩端,約40°C左右,其中電池在仿真過(guò)程中1C放電時(shí)電池表面最高溫度隨時(shí)間的變化與實(shí)測(cè)相比,最大誤差為0.77°C,平均誤差為0.44°C(詳見(jiàn)圖7),誤差均不超過(guò)1°C,由此也證明了該儲(chǔ)能型電池產(chǎn)熱研究的準(zhǔn)確性?

6結(jié)論

儲(chǔ)能型鋰離子電池的產(chǎn)熱行為研究對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)中鋰離子電池可能出現(xiàn)的熱失控方面提供了理論依據(jù),對(duì)增強(qiáng)電池安全性能方面具有正面的研究意義?本文基于對(duì)單體鋰離子電池?zé)嵛锢韰?shù)計(jì)算得出的數(shù)據(jù),與實(shí)驗(yàn)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)相擬合,建立電池三維熱模型,并使用ICEM CFD,ANSYS Fluent等軟件進(jìn)行仿真處理?通過(guò)該研究得出以下結(jié)論:

單體電池在不受外界條件干擾的前提下,在對(duì)其1C恒流放電的過(guò)程中趨于穩(wěn)定,并運(yùn)用物理公式推算出比熱容,發(fā)熱功率等熱物理參數(shù),為儲(chǔ)能型電池的熱研究提供理論依據(jù)?

基于ICEM CFD繪制質(zhì)量較好的結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格,結(jié)合ANSYS Fluent軟件進(jìn)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(shí)測(cè)電池升溫作對(duì)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(jié)果的準(zhǔn)確性,為后續(xù)儲(chǔ)能型電池的熱管理研究打下理論基礎(chǔ)?

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