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电池
文章
LiCoO2的热模拟方法
锂离子电池——与传统电池的比较研究
实验验证
摘要：电池温度预测在能源效率方面起着重要作用
以及几种电气和电子设备。在这方面，
识别适当的模型以研究电池的热行为至关重要。这篇文章
报告了使用LiCoO2 26650锂离子电池的热模拟方法的比较研究
并提供表征电热现象的方法。三种方法
已经在数值上实现了-热集总模型、3D计算流体动力学
以及基于Newman、Tiedeman、Gu和Kim公式的电化学模型。
最后两种方法使用ANSYS Fluent软件进行求解。仿真结果用计算机进行了验证
恒流放电和低电压下电池表面温度的实验测量
公路驾驶自行车。结果表明，三种模型与实际温度基本一致
测量。电化学方法在0.5C时具有较低的误差。然而，这种模式
在1.5C时提供更高的误差（1.3℃），其中电池的最大温升为：
18.1°C。在行驶循环下，所有模型的误差顺序相同。集总模型
适用于模拟各种电池工作条件。此外，这项工作非常重要
扩展到研究自然对流下的发热、电压和传热系数。
关键词：锂离子电池；MSMD；集总模型；ANSYS；自然对流；
热管理
1.导言
电动汽车（EV）的使用对于降低油耗越来越重要
避免环境污染。然而，清洁能源汽车面临的主要挑战是：
其目的是改善其通常由锂离子组成的能量存储系统的性能
（锂离子）电池。锂离子电池（LIB）的一个弱点是，它们的性能很差
取决于温度，建议的操作范围为15°C至35°C[1]。
探索LIBs模型的性能在以下几个领域具有潜在的应用价值：
as：状态监测、健康评估、剩余使用寿命（RUL）预测和电池
热管理系统（BTMS）。
电池2020、6、40；doi:10.3390/batteries6030040 www.mdpi.com/journal/batteries
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为了估计LIB的温度，
或它们之间的组合。热模型
可以是集总、一维（1D）、二维（2D）或三维（3D）系统，
其中建模的主要输入要求是热特性和发热率
电池的一部分。
关于热集总模型，它可以在均匀温度下模拟整个电池
考虑到电池内的梯度温度可忽略不计[2]，并且
能够在考虑内部热影响的情况下估计电池的中心和表面温度
电阻[3]和电池组的劣化[4]。此外，还存在许多其他热影响因素
基于集总系统的研究。例如，Bryden等人[1]确定了许多材料的热容
细胞，科曼等人[5]研究了热滥用条件，林等人[6]制定了电热
Gao等人[7]提出了一种用于控制电池组的降阶模型。
上述关于集总模型的大多数研究都是使用小型电池开发的
例如18650（18mm直径和65mm高度）和26650（26mm直径和65 mm高度）。
对于大型电池，研究冷却参数以保持最大值是合适的
由于温度梯度相当大，因此电池[8]的温度和均匀性受到影响。例如，
在参考文献[9]中，作者报告了20 Ah锂离子电池在室温下的非均匀温度分布
放电速率为2C、3C和4C。C率是充电的测量值C率是充电或放电电流的测量值
关于额定容量，例如，对于1 Ah电池，1C率表示以下电流：
电池在一小时内完全放电。
Samba等人[10]使用2D计算软件研究了袋装电池的热分布
流体动力学（CFD）模型。此外，一些研究还采用了分析技术，如：
多项式近似，以估计1D和2D电池内部的热传导
模型[11,12]。
三维热模型通常基于CFD求解器，并已得到广泛应用
由研究人员研究单电池[13]和电池组（如
参考文献[14-16]中开展的工作。
另一方面，电化学模型可以使用多尺度多域（MSMD）求解
根据锂离子在电池中传输的物理，使用电化学方程的方法
在不同的领域和不同的尺度[17]。这种方法不仅有助于确定
温度分布，还包括相关特性，如：发热、电压、电流
场等。MSMD方法通过以下方式在商用软件ANSYS Fluent中实现：
三个子模型：等效电路模型（ECM）[18]，基于
Newman伪2D方程[19]，以及Newman、Tiedeman、Gu和Kim（NTGK）模型，该模型是
需要放电试验作为输入数据的半经验电化学模型[20]。当使用时
在NTGK模型中，模拟和测量的电池温度之间的差异可能小于
1摄氏度[21]。此外，MSMD模型能够模拟电池连接的电池组
电气[22,23]和热失控[24,25]。Panchal等人[19]通过以下方式应用MSMD框架：
求解Newman模型确定26650 LFP锂离子电池的温度和电压
以恒定的放电速率放电，而G.Li和S.Li[17]模拟了一个棱柱形电池
以相同的方式进行驾驶循环。
上述模型已独立研究。例如，Xu等人[26]
提出了一项面向圆柱形LIB热控制的比较研究，但未考虑：
电化学和CDF模型。合适的热管理系统是实现优化的优先事项
电池的性能和安全性[27]。特别地
模型和其他方法非常稀少。本文的主要贡献是：
•提供一种方法来表征LIB的电热行为，研究热量
自由对流下的传递系数，包括热辐射效应、热产生和热传导，
以及热参数的估计。
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•比较用于圆柱形LIB热建模的主要方法与实验方法
同一案例研究的验证。
使用26650锂钴氧化物（LCO）电池。三种最常用的模型：
研究：对LIB的热行为进行了数值求解：集总模型、3D-CFD模型和
使用NTGK模型的电化学方法。此外，使用NTGK模拟电压
配方。所有这些模拟都是在实验装置相同的物理条件下进行的
在恒定电流放电率下和公路燃油经济性试验（HWFET）下进行试验
周期此外，使用集总模型研究了日产Leaf的真实行驶循环。
本文的结构如下：第2节介绍了这些方法的理论框架
用于本工作中使用的电池建模。第3节描述了估算热损失的程序
参数和发热率。第4节提供了模型之间的比较。
第5节给出了结论。
2.理论背景
2.1.电池几何结构和啮合
根据应用的模型，需要考虑一些几何因素。
集总模型是在不求解空间温度的情况下制定的，
其中温度均匀。用于求解3D-CFD模型的电池几何形状是
实心圆柱体，长65 mm，直径26 mm。NTGK模型的单元几何结构有三种：
组件：阳极（负极接线片）、阴极（正极接线片）和果冻卷，如图1a所示。细节
图1b中提供了果冻卷的形状。穿过外壳的热阻被认为是可忽略的，
则不建模。此外，未研究电池支架引起的热效应。
阴极
阳极
活动区（果冻卷）
（a） （b）
图1.纽曼、蒂德曼、古和金（NTGK）模型的电池细节：（a）电池几何结构。
（b） 锂钴氧化物（LCO）26650电池的果冻卷。
进行了网格独立性研究，以求解3D-CDF（表1）和NTGK模型
（表2），均采用6A的放电电流进行建模。在每种情况下，选择网格2进行以下操作：
考虑到该最大回火为NTGK模型选择了一个包含38777个单元的网格。
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表1.三维计算流体动力学（CFD）模型的网格独立性测试。
描述：网格1、网格2、网格3
元件数量1104 45604 161124
最高温度（C）41.30 41.42 41.43
总传热率（W）1.51 1.52 1.52
表2.多尺度多域（MSMD）模型的网格独立性测试。
描述：网格1、网格2、网格3
元件数量：1812 38777 132892
最高温度（C）39.23 39.10 39.10
总传热率（W）1.31 1.31 |
