电池的热管理与设计采用数值仿真加速电池开发

蓄电池 热管理分析

电池的热管理与设计采用数值仿真加速电池开发

电池设计面临的挑战

较之其他种类的电池，锂离子电池以其高能量密度、高电压、低自放电率和良好的稳定性而成为混合动力车以及电动汽车能源的首选。但是，混合动力车和电动汽车所用的锂离子电池容量远大于市场上常见的消费电子中所用的锂离子电池的容量。由于锂离子电池在大功率放电时有可能会发生严重的温升，甚至可能有发热失控的危险，当前电动汽车用锂电池开发面临的主要问题是安全性问题。设计良好的热管理系统对于避免电池的过热和电池组内的不均匀发热至关重要，过热以及不均匀发热会导致电池性能退化、电池单体容量不匹配和内部潜藏的热量失控。电池热管理系统的设计不但需要冷却系统设计方面的知识，还需要具备电池组内部电池单体发热量计算方面的知识。

仿真如何发挥辅助设计的作用

仿真在两个层次上起到辅助作用：电池单体级和系统级。电池单体级是指一个电池单体，而系统级可以是电池组模块或者整个电池组。

对于电池单体级，关注点是电池单体内部发热的详细情况和温度的分布。这一类问题主要由电池制造商和电池研究者在开展研究工作。实验数据表明电池充、放电过程中生热率是时变的。发热可能是由内部的电阻损耗、局部电极过电压极化、电池反应熵、混合热和副反应等引起。如果只考虑其中最重要的电阻损耗和局部电极过电压极化的影响，发热可以由开路电势和正、负极之间的电势差来描述。基于这一假设的模型可以用来预测锂离子电池电极的电势和电流密度分布，它们是放电时间的函数。然后，基于该模型计算出来的电势和电流密度分布结果可以用于计算锂离子电池的温度分布。接下来，利用该温度分布的计算结果就可以检验电极配置，诸如电极的长宽比和集电片的布局，对发热的影响，还可以基于电池的热性能确定电池的放电速率。图1a 和图1b 给出了基于该模型由Ansys Fluent 计算得到的典型结果。该模型计算得到的温度分布结果与实验测量结果吻合得很好。

图1a 电池单体内的电流密度分布