储能电池的热仿真及其产热分析
0引言
随着高新企业的蓬勃发展,人们的生活水平得到了显著提升,而对能源的需求量也越来越大｡为了减少对不可再生资源的依赖,开发新型的能源结构迫在眉睫｡在这样的新形势下,高效的能量储存与转换装置显得尤为重要,用以实现集中化､智能化及高效化的管理及应用｡智慧储能的概念应运而生｡储能作为一个配电设备､发电设备､传输设备以及用户终端,其在电网的作用,极大地改善了电网对大量能源的适应性｡
目前,在市场上占据主导地位的储能技术大致分为4类:(1)抽水储能;(2)储热;(3)电化学储能;(4)机械储能｡锂离子电池作为一款集比能量高､能量密度高､自放电率小､输出功率大等诸多优良特性的电池,在动力电池及储能电池领域拥有极大的市场｡可是锂离子电池在实际应用中还可能出现热失控的问题｡原因在于,锂离子电池在充放电过程中,电池内阻发热､电极极化发热及化学反应放热等会使电池温度迅速升高,电池温度升高会进一步促使反应的加剧,从而形成产热与温升的正反馈｡当温度超过一定限制时,电池可能会出现膨胀､泄露､乃至爆炸等不安全因素｡不仅如此,在充电过程中负极侧极易产生锂枝晶而易缩短电池寿命｡因此,对电池的产热行为深入研究对电池的安全保障及延长电池寿命有着极大的帮助｡
目前已经商业化生产并使用的独立式光伏系统中一般采用蓄电池作为储能装置,但蓄电池的使用寿命一般仅在6~7年,所以目前采用锂电池构建储能装置已成为目前研究的一大重点｡本文采用储能电池常用的磷酸铁锂电池(LiFePO4)作为研究目标,计算出仿真过程中所需的热物理参数,使用ICEM CFD绘制电池模型并画出结构化网格,转而使用ANSYS Fluent软件进行数值仿真,研究单体电池在1C恒流放电时温度分布情况,最后与实验数据对比验证仿真结果的准确性｡
1电池模型及其工作原理
锂离子电池的内部结构主要由正负极､正负极极柱､隔膜､绝缘环和壳体组成｡具体的圆柱型锂离子电池的纵向切面展开图如图1所示｡
锂离子电池本质上是一种浓度差电池,以碳素材料(一般多为石墨)为负极,含锂的化合物为正极,其中不存在金属锂,只有锂离子,锂离子通过电解质进入电池负极,嵌入负极碳层的微孔中｡而在电池的使用过程中(相当于放电),嵌入微孔中的锂离子又运动回到正极｡这样,在电池充放电过程中,锂离子在正负极之间不断的来回奔跑,故称其为“摇椅电池”｡具体工作原理如图2所示｡根据Bernardi均匀产热理论,由于锂电池的层状结构,可以认为电池内部各处产热均匀,整个电池可以认为是一个各向异性的整体,忽略电池内浓溶液的流动以及电池内部微弱的热辐射过程,可以认为锂电池的传热过程是一个发生在均一各向异性材料中的固体热传导过程｡下一章对电池热物理参数计算建立模型,研究电池的产热行为｡本文采用26650型磷酸铁锂电池,标称电压3.6V,标称容量2200mAh,电池质量为39g｡实验室环境温度为27°C,在电池中部及两端布置热电偶,将导线焊于电池两端,最后将连接好的电池置于固定容器中,搭建实验平台如图3所示｡其他使用设备还包括电池测温仪一台,测试用电脑一部｡圆柱型锂离子电池的产热模型中涉及到的热物理参数包括比热容C，发热功率Ph，质量M，反应总时长T与电池密度ρ。其中to和t分别为电池在1C放电的起始温度和最高温度,Qh为电池放热过程中的总产热量,由于1C放电后电芯的剩余电量SOC在电池行业内可忽略不计,通过实验测出电池的总发热量为2378.44J,电池起始温度27°C,最高温度42.9°C,放电前后最大温差为15.9°C,放电过程持续2834s,算得C=3.84J/(g·K)｡对于单体电池自身的吸热量,由于电池材料以及结构较为复杂,视为各向异性,导热反应过程非常复杂,因此我们考虑在直角坐标系中沿坐标轴x､y､z的热流密度可分别由式(3)(4)(5)表示:基于电池自身的物理参数与计算得出热物理参数,归纳出该储能电池建模所需的热物理参数,如表1所示｡基于以上数据在ICEM CFD中以1:1的比例绘制三维电池模型图并绘制网格,对于单体电池的网格划分,考虑电池壳体为四边形,电池内部为四面体的结构化网格对其划分｡这种划分方式更容易实现局部曲面的拟合,与实际模型更接近｡网格绘制如图4所示｡经网格无关性检验,确定最佳网格数为144120,检查网格质量(Quality),长宽比(Aspectratio)均接近于1,角度(Angle)均大于18,网格总体质量较好,可用于Fluent仿真｡基于建立好的锂离子电池仿真模型和计算得出的热物性参数,运用ANSYSFluent软件对电池进行仿真｡在模型中选取对应的温度测试点与实测保持一致,设置边界条件为对流边界加在电池的上下两端面,初始温度设定为300K,与实测电池环境温度保持一致｡锂离子电池在1C放电倍率下的温度分布云图及切平面温度分布如图5､6所示｡在电池放电2834s后,电池整体温度分布呈现中间高两端低且逐级递减的趋势,温度最高点为电池中部42.49°C,温度最低点为电池两端,约40°C左右,其中电池在仿真过程中1C放电时电池表面最高温度随时间的变化与实测相比,最大误差为0.77°C,平均误差为0.44°C(详见图7),误差均不超过1°C,由此也证明了该储能型电池产热研究的准确性｡储能型锂离子电池的产热行为研究对光伏发电系统中锂离子电池可能出现的热失控方面提供了理论依据,对增强电池安全性能方面具有正面的研究意义｡本文基于对单体锂离子电池热物理参数计算得出的数据,与实验测温数据相拟合,建立电池三维热模型,并使用ICEM CFD,ANSYS Fluent等软件进行仿真处理｡通过该研究得出以下结论:单体电池在不受外界条件干扰的前提下,在对其1C恒流放电的过程中趋于稳定,并运用物理公式推算出比热容,发热功率等热物理参数,为储能型电池的热研究提供理论依据｡基于ICEM CFD绘制质量较好的结构性网格,结合ANSYS Fluent软件进行仿真,模拟出电池在1C放电倍率下的温度分布情况,并与实测电池升温作对比,得出最高温度误差为0.77°C,平均误差为0.44°C,反映了热仿真结果的准确性,为后续储能型电池的热管理研究打下理论基础｡
