基于ANSYS的18650锂离子电池单体稳态热分析

引言
1、仿真计算理论依据
锂离子电池因其大容量、高电压、良好的安全性能及循 环性能等优越性能广泛应用于电动汽车行业[1]，但其在使用 过程中过度放热会引起电池内部温度异常升高，缩短电池的 使用寿命，因此需要对电池温度场分析研究[2]。本文利用 ANSYS 软件，建立 18650 锂离子电池单体模型，进行热分 析研究，对 18650 锂离子电池在使用过程中的温度场分布进 行模拟,得到热分析结果。在实际工程中，该分析结果为锂离 子电池温度场的分布测定和优化设计提供了一定的理论依 据。
telecommunications, Chongqing 400065 )
Abstract: Lithium-ion batteries superior performance is widely used in electric cars, but in use process will be a large number of fever, pose a safety hazard. For 18650 lithium battery monomer three-dimensional model is established, using the finite element analysis software ANSYS to simulate its specific operating mode, 18650 lithium-ion battery monomer the temperature field of hot condition. Keywords: 18650 lithium batteries; ANSYS; The steady state thermal analysis; The temperature field CLC NO.: U469.7 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)07-18-02
表 1 材料参数
根据建立的锂离子电池单体温度场有限元模型，用 ANSYS 进行了热仿真分析[8]，得到了锂离子电池单体温度场 在热传导为主要传热方式下的温度场分布如图 3 所示。
图 3 18650 锂离子电池单体温度场
2.3 载荷与约束 在热分析中，基本传热方式有热传导、热对流和热辐射
三种[5]。对于 18650 锂离子电池单体，热对流及热辐射影响 较小，主要考虑热传导的传热方式其载荷方式为内部热生成 率，内部热生成率根据式（2）计算所得如下表 2。
-U
-
t
dUoc dt
)
（1） （2）
式（1）中，q¢¢ 为热流密度，k 为导热系数；式（2）中，
Q 为电池内部单位体积生热率，V 为电池的总体积，Uoc 为电
作者简介：余小清（1996-），女，就读于重庆邮电大学，机械设计 制造及其自动化专业。
池的开路电压，U
为电池的工作电压，t
为电池温度；
dUOC dt
电池内部结构及反应机理相对复杂，且有软件运算能力
有所限制，因此对 18650 锂离子电池进行以下简化假设：电
池内部电解液流动性较差，忽略内部对流换热；电池内部辐
射对散热影响较小，忽略不计；热量在电池内部均匀产生。
根据假设，建立电池稳态传热、内部生成热数学模型[3]：
q¢¢
=
-k
dT dx
Q
=
I V
(Uoc
为
电池电压随温度变化的温度系数，一般取值-0.5×10-3 V/K。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 19
汽车实用技术
2017 年第 7 期
2、仿真分析
2.1 有限元模型 18650 锂离子电池单体为螺旋结构，在进行热分析时由
于生热主要为正负极，其它部分为次要因素。因此分析时对 模型进行简化。简化后的 18650 锂离子电池单体模型如图 1 所示。
10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.07.008
基于 ANSYS 的 18650 锂离子电池单体稳态热分析
余小清，陈国喜，邹嘉林，陈东云，王宣懿
（重庆邮电大学先进制造工程学院，重庆 400065）
摘 要：锂电池性能优越广泛应用于电动汽车,但在使用过程中会大量发热，存在安全隐患。针对 18650 锂电池单体 建立了三维模型，利用有限元分析软件 ANSYS 模拟其特定工况，得到了 18650 锂电池单体发热状态下的温度场。 关键词：18650 锂电池；ANSYS；稳态热分析；温度场 中图分类号：U469.7 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)07-18-02
表2
4、结语
本文从理论与仿真分析完成了 18650 锂电池单体的热分 析，从图 3 可知，18650 锂离子电池单体最高温度为 42.08°C， 最低温度为 41.69°C。在实际工程中，该分析结果为锂离子 电池温度场的分布测定和优化设计提供了一定的理论依据。
参考文献
对电池模型进行稳态热及瞬态热分析，施加温度载荷、 对流载荷及热生成载荷。一般空气自然对流系数 5～ 25W/(m2×K)，考虑 18650 锂离子电池在电池包中所处环境为 中一般对流[5]，故对流换热系数大致选定为 10，施加对象为 模型外壳表面，环境温度为 22℃。 2.4 网格划分
15483 个，该尺寸网格可以保证其结果的收敛性[7]。18650 锂 离子电池网格划分如图 2 所示。
图 2 18650 锂离子电池单体网格划分
3、计算结果及分析
图 1 简化 18650 锂离子电池单体模型 2.2 材料参数
选择磷酸铁锂电池作为分析对象，根据电池单体分配材 料属性，设置电池各个材料的比热容和热传导系数。材料参 数[4]如表 1 所示。
18650 lithium ion battery based on ANSYS Steady state thermal analysis
Yu Xiaoqing, Chen Guoxi, Zou Jialin, Chen Dongyun, Wang Xuanyi ( Institute of advanced manufacturing engineering of chongqing university of posts and