热电池激活过程开路电压数值仿真方法

热电池激活过程开路电压数值仿真方法
王超;杨兆堂;兰伟;刘效疆;崔益秀
【摘要】探讨了一种基于ANSYS FLUENT的热电池激活过程数值仿真方法,可实
现对该过程热分布和开路电压曲线的预测,搭建的仿真模型考虑了点火头、引燃条、加热片的顺序燃烧放热和电解质的吸热熔融过程,能够较为精确地表征热电池激活
过程热分布特性.基于热分布仿真结果,通过加载单体电池开路电压随温度的变化曲线,实现对热电池激活过程开路电压的预测.经与实测结果比较,发现该仿真方法具有较高精度.%Based on ANSYS FLUENT,a numerical simulation method for the activation process of thermal battery was discussed,and the method could be applied to predict the heat distribution and open-circuit voltage of thermal battery in the activation process.The sequenced combustion and heat releasing of igniter,pyrotechnic cylinder and pellet and the melting process of electrolyte were considered in the simulation model to accurately exhibit the heat distribution characteristics of thermal battery in the activation process to some extent.Based on the simulation results of heat distribution,the model can predict the open-circuit voltage of thermal battery in the activation process by loading the open-circuit voltage curve of single cell thermal battery along with pared with the experimental results,it can be found that the simulation method has relatively high precision.
【期刊名称】《电源技术》
【年(卷),期】2018(042)005
【总页数】3页(P697-698,712)
【关键词】热电池;激活;数值仿真;开路电压;热分布
【作者】王超;杨兆堂;兰伟;刘效疆;崔益秀
【作者单位】中国工程物理研究院电子工程研究所,四川绵阳621900;中国工程物理研究院电子工程研究所,四川绵阳621900;中国工程物理研究院电子工程研究所,四川绵阳621900;中国工程物理研究院电子工程研究所,四川绵阳621900;中国工程物理研究院电子工程研究所,四川绵阳621900
【正文语种】中文
【中图分类】TM911
热电池工作时会经历激活过程和放电过程两个阶段。

对于片型热电池的数值仿真来说，有必要将两个阶段分开研究，原因在于：(1)时间尺度不同，激活过程通常只有几百毫秒，放电过程在几十秒到几十分钟之间[1－2]；(2)热特性关注点不同，激活过程主要关注点火头、引燃纸和加热片的顺序燃烧与电解质的熔融过程，放电过程主要关注堆体温度下降，电解质固化过程[3]；(3)电特性差异明显，激活过程一般不涉及电流的影响，只体现开路电压特性，放电过程涉及放电电流对于堆体温度和放电电压的影响[4]。

目前，虽然有较多关于热电池数值仿真的研究[1－5]，但是涉及热电池激活过程的报道非常少[6－7]。

美国工程师Eivind Listerud采用ANSYS实现了加热片燃烧过程的热仿真，但其模型过于简化，不仅没有表征点火头和引燃条的燃烧过程，也没能体现各个加热片着火的时间差[6]。

鉴于这一研究现状，本课题组在2015年着重开始了热电池激活过程仿真建模工作，并在早期报道了一种片型LiSi/FeS2热
电池激活时间预测方法。

近期，本课题组针对中心孔激活的片型热电池搭建了较为精确的激活过程仿真模型，该模型可体现热电池激活时复杂的燃烧过程，并能够表征电解质的熔融状态，此外，亦可通过热仿真后处理实现对激活过程开路电压曲线的预测。

1 仿真方法
本研究基于ANSYS FLUENT软件开展，鉴于热电池的旋转对称性，截取其旋转截面作为仿真研究对象，仿真计算过程中用到的所有物性参数均来源于本课题组早期建立的基础参数数据库。

下面简要介绍该仿真方法的关键技术点及其实现过程。

1.1 燃烧放热过程的实现
本研究不关注燃烧本身的化学反应过程，只表征其作为热源的产热过程。

所以，点火头、引燃条和加热片的顺序燃烧放热过程可通过移动热源的方式实现。

具体而言，如图1所示，点火头的燃烧为瞬发过程，着火时刻为td，燃烧时间为Δtd，发热
量为Qd，因此可在该区域加载一个触发时间为td，持续时间为Δtd，发热量为Qd的静止热源；引燃条从点火头处往下燃烧，着火时刻为td+Δtd，燃烧速度为Vy，发热量为Qy，因此在该区域加载一个触发时间为td+Δtd，向下移动速度为Vy，发热量为Qy的移动热源；当与加热片接触的引燃条着火时(时刻为tj)，加热片开始从左往右燃烧，燃烧速度为Vj，发热量为Qj，因此在该区域加载一个触发
时间为tj，向右移动速度为Vj，发热量为Qj的移动热源。

需要注意，不同位置加热片的tj不同，需根据实际的结构和尺寸来进行计算公式的编辑。

所有静止和移
动热源的加载都可在FLUENT中通过用户自定义函数(UDF)的DEFINE_SOURCE
宏实现。

图1 燃烧过程仿真方法示意图
1.2 区域计算条件的设置
就热电池而言，大部分计算区域可直接设置为固体，但部分特殊区域需要做针对性
处理。

点火头燃烧后残渣体积很小，为简化模型，将该计算区域设置为空气。

引燃条体积较大，燃烧后残渣也较为明显，此外，其残渣携带的热量很大，因此在建模时必须考虑残渣的影响。

引燃条燃烧残渣的实际形态不固定，如图2(a)所示，其多呈点滴状粘附于中心通孔侧壁，给建模带来较大难度。

本研究分别选取多孔介质[图2(b)]与残渣薄层[图2(c)]形态来对实际情况作近似处理，并对两种处理方法的仿真效果进行对比。

热电池的激活涉及电解质的熔融过程，为了表征该过程，本研究在仿真过程中加载了相变模型。

阴极和隔离片(EB)中均含有电解质(E)，建模时将两者设定为流体区域，并设置相应的相变温度和相变热，其中，两种区域的相变热不同，需要根据E的含量进行折算。

图2 引燃条燃烧后实际与模型简化形态
1.3 激活过程开路电压获取方法
前人的研究表明，单体热电池开路电压与温度呈线性关系，关系见式(1)所示：
式中：U为开路电压；T为温度；且T＞电解质熔点[8]。

因此，可基于激活过程热仿真计算结果，实现对热电池开路曲线的预测。

在热电池激活过程中，其上部单体电池先升温，因此会率先体现开路电压，此外，对于某一单体电池而言，越接近中心孔的部分，温度越高。

鉴于上述情况，本研究分别对每个单体电池进行U的计算，然后加和便可得到整个热电池的开路电压。

在理论上，单体电池本身体现出的开路电压也应该为其各部分开路电压最大值，而单体电池越靠近中心孔的部分T 越高，体现出开路电压也越大，因此T的选取区域是关键。

本研究结合实际单体电池中心孔区域各层材料的粗糙度和建模时网格的划分精度，选取其中心孔处0.1 mm的微元作为T的计算区域。

2 结果与讨论
2.1 温度仿真结果
本小节仅针对引燃条区域设置为空气加残渣薄层的模型进行分析。

图3所示为环
境温度318 K条件下热电池内部温度在0.05、0.1和0.2 s的分布云图。

从图3可见，该仿真方法能够准确体现热电池各热源燃烧放热及同时进行的热传导过程。

引燃条燃烧时的瞬时温度很高，可超过2 000℃，加热片燃烧的瞬时温度在1 000℃左右。

引燃条和加热片产生的热量向单体电池传递的速度较快，致使其升温较快，向包裹层和保温层的传热较慢，相应的温度变化不明显。

此外，引燃条在短时间内温度下降非常明显，这说明其有相当一部分热量传递给各个单体电池，对热电池开路电压的上升有至关重要的作用。

图3 环境温度318 K条件下各时间点热电池内部温度分布
2.2 开路电压仿真结果
图4 环境温度318 K条件下热电池激活过程开路电压仿真与实测结果对比
本研究将环境温度318 K条件下仿真所得的热电池激活过程开路电压曲线与实测
曲线进行了对比，结果见图4。

图4中黑色曲线为实测值，红色曲线为多孔介质引燃条模型的仿真结果，蓝色曲线为空气加残渣薄层引燃条模型的仿真结果。

从图4的结果可见，残渣薄层模型的仿真结果无论是电压起始点的位置还是电压最大值都明显好于多孔介质模型。

在实际情况中，引燃条的燃烧残渣是粘附于中心孔壁面的，虽然分布不均匀，但其所含热量可以直接传递给单体电池，因此残渣薄层模型的传热过程与实际过程更为接近。

多孔介质模型认为燃烧残渣与其所携带的大量热都均匀分布于整个引燃条区域，因此相较于实际情况和残渣薄层模型而言，其向单体电池传热偏慢，致使电压起始位置延后，电压最大值偏小。

2.3 电解质熔融仿真结果
开路电压曲线并不能表征热电池的带载能力，但可以从电解质的熔融状态进行侧面分析。

图5所示为环境温度318 K条件下，0.24 s时热电池内部电解质的熔融特性，图
5中红色代表电解质完全熔融，蓝色代表未开始熔融，中间色代表熔融中间态。

从图5中可见，自上往下各单体电池中电解质的熔融量逐渐减小，这是由于越靠近下部，各单体电池对应的加热片点燃时间越晚。

越靠近中心孔的电解质从引燃条和加热片获得热量越早，因此熔融越快。

单体电池阴极中的电解质较EB中的电解质先熔，这是由于阴极材料与上加热片之间距离较近，而EB与上、下加热片之间距离均较远。

从电解质的熔融状态可以分析热电池的带载能力，本研究认为，当最下层单体电池的电解质开始熔融时，热电池才开始具有带载能力，当所有单体电池的电解质都完全熔融时，热电池才具有完全带载能力。

对于本文研究的热电池，其具有完全带载能力的时间为0.39 s。

图5 环境温度318 K条件下电解质在0.24 s时的熔融特性
3 结论
本文提出了一种基于ANSYS FLUENT的热电池激活过程数值仿真方法，采用该方法对热电池激活时的温度分布、开路电压曲线和电解质熔融特性进行了研究，并通过热电池激活实验对开路电压仿真结果进行了验证。

结果表明，该仿真方法能够表征热源燃烧放热与热传导过程，且引燃条燃烧放热对热电池激活的前期过程起着关键作用；相较于多孔介质模型，空气加残渣薄层的引燃条模型能够更好地用于热电池激活过程开路电压的仿真，且精度较高；本仿真方法可通过电解质相变仿真结果分析热电池的带载能力。

参考文献：
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[5]HAIMOVICH N，DEKEL D R，BRANDON S.A simulator for system-level analysis of heat transfer and phase-change in thermal batteries I computational approach and single-cell calculations[J].Journal of the Electrochemical Society，2015(162)：A350-A362.
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