基于NTGK模型的锂离子电池热特性分析

0引言

随着新能源汽车渗透率的持续增长和电池储能成本的下降,锂离子电池作为新能源行业的核心部件,其需求和应用爆发性增长。由于锂离子电池固有的电化学性质,其在快速充电和高强度放电过程中极易积聚大量热量,使其性能严重受制于工作温度。锂离子电池的理想工作温度为15~35℃,且电池组中各单体电池间最大温差一般不应超过5℃。当电池温度超过50℃时,电池退化速度和老化速度就会加快,甚至会导致热失控,造成起火、爆炸等一系列危险。因此,有必要对电池生热机理和散热技术进行深入研究,进而提高动力电池系统的安全性。

目前评估锂电池温度,常用集总热模型、电化学模型、等效电路模型(ECM)或它们的组合。热模型可以是集总模型或一维(1D)、二维(2D)、三维(3D)系统,并且根据电池的热特性和热生成速率等参数建立^[1]。D.Bernardi等人^[2]提出了基于电池内阻和熵增反应的电池生热速率方程,该方程从电化学反应热、欧姆热与极化热三方面来估算电池总产热。Yang等人^[3]提出了一种具有高精度的半经验热模型,在不同的电流和温度下分别模拟了棱柱形锂离子电池的恒电流放电和充电过程,并进行了相应的实验以进行模型验证。Guo等人^[4]采用多孔电极P2D模型预测电池的电化学行为,并通过线性近似方法简化P2D模型与电/热方程之间的耦合。zhuang等人^[5]采用了锂离子电池等效电路模型和热模型相耦合的模型,将电池组结构优化与冷却策略设计相结合,开发了一种新型电池热管理系统。

本文应用ANSYSFluent软件,依托其多尺度多维度(MSMD)方法在处理不同解域中的不同物理问题上的优势,采用电化学子模型——NTGK模型,探究锂离子电池不同放电倍率下的放电特性。

1 数值计算方法

1.1电芯模型

本文所研究的锂电池采用某品牌18650电芯,如图1(a)所示,标称容量3 450 MAh,额定电压3.6 V,充电截止电压4.2 V,放电截止电压3.6V,外形尺寸φ65×18 MM。建立电芯物理模型,如图1(b)所示,由正极柱(positive tab)、负极柱(negative tab)、电芯本体(active zone)组成,采用六面体扫掠方式划分网格,并实现网格拓扑共享,网格数量为2175,节点数为2 522,网格结果如图1(c)所示。电芯材料参数如表1所示。

1.2 NTGK模型

NTGK模型 (NewMan,TiedeMann,Gu,andKiM Model)是一个简单的半经验电化学模型。在该模型中,体积电流传输率j通过以下关系式与电势场关联:

   (1)

式中:Qn为电场的总电量;Qr为实验中为了获取模型参数Y与U的电池容量;Vol为单电池的活动区域的体积;V为电池电压,其可以直接通过电路网络法或MSMD方法求解得到。

Y与U为电池放电深度(Depth of Discharge,DoD)的函数,DoD定义为:

对给定的电池,其电压-电流响应曲线可以通过实验获取。因此式(1)中的Y与U可以通过拟合得到。在模拟之前,Y和U可以根据测试数据作为DOD和温度的函数进行拟合:

   (3)

式中:an、bn为拟合系数;C1、C2为NTGK模型指定的系数;T为实际温度;Tref为参考温度。

根据倍率放电曲线实验数据,参照以上公式,参数Y与U拟合结果为:

U=4.14855-2.013312DOD²十8.469845DOD³-

27.62265DOD⁴-19.1033DOD⁵    (5)

Y=84.46286-1018.997DOD十5794.31DOD²-

13869.6DOD³十14693.16DOD⁴-5689.84DOD⁵    (6)

1.3 边界条件设置

电池表面设置为自然对流,对流换热系数为3~8 W/(m² ·k),本次研究设置为5 W/(m² ·k)。采用瞬态仿真,打开重力,设置重力Z负方向。初始温度设置为25℃,开启能量方程与MSMD电池模型,放电倍率分别为1C、2C、3C。

2 结果与分析

2.1模型验证

锂电池测试系统由ITECH IT8500可编程电子负载测试仪、恒温箱及midi LOGGER GL840温度采集装置构成,如图2所示。

单体电芯有3个温度测点,如图1 (b)所示,测温点1、3距电芯正极端、负极端3 mm,测温点2位于电池正中间,测温点选用T型热电偶。环境温度25℃ ,放电倍率设置为1C、2C、3C。由图3可知,仿真结果与实验结果基本一致,1C放电仿真与实验最大误差为0.45℃ ,2C放电仿真与实验最大误差为1.8℃ ,3C放电仿真与实验最大误差为1.1℃ ,均在合理范围内。由图4可知放电过程中电压变化,实验和仿真曲线基本一致,验证了NTGK模型精度。

2.2 不同倍率对电芯温度的影响

在1C~3C放电倍率下,电芯温度场分布情况如图5所示。由图可知,电芯分别以1C、2C、3C倍率放电时,最高温度分别为310.33、330、350.45 K。随着放电倍率的提高,电芯放电热量逐步增加,电芯温度快速上升,因此高倍率放电时,尤其要改善电芯散热条件,增加散热功率。此外,由图5可以观察到不同放电倍率下,电芯温度分布一致,即由电芯内核逐渐向外壳降低。

3结论

本文采用NTGK模型分析18650电芯特性,根据锂电池测试数据,验证了该模型的可行性和精度。利用NTGK模型分析了1C~3C放电倍率下电芯温度场,结果表明,随着放电倍率增加,电芯温度急剧增加,3C放电倍率比2C放电倍率高20.45℃ ,2C放电倍率比1C放电倍率高19.67℃ 。因此,在高倍率放电工作过程中有必要加强电芯散热条件,以达到最佳工作温度,确保电芯性能与工作寿命。

[参考文献]

[1] 何川,郑金奎,李茂德.锂离子动力电池生热模型综述[J].电力与能源进展,2021,9(2):72—84.

[2] BERNARDI D,pAWLIKOWSKI E,NEWMAN J.A general energy balance for battery systems [J].Journalofthe Electrochemical Society,1985,132(1): 5—12.

[3] YANG N X,FUYH,YUEHY,etal.An improved semiempirical model for thermal analysis of lithium—ion batteries [J].Electrochimica Acta,2019,311:8—20.

[4] GUO M,KIM GH ,WHITE RE.AThree—Dimensional Multi—physics Model for a Li—Ion Battery[J].Journal of power Sources,2013,240: 80—94.

[5] ZHUANGW C,LIUZ T,SUHY,et al.Anintelligent thermal management system for optimized lithiumion battery pack[J].Applied Thermal Engineering,2021,189:116767.

2025年第3期第7篇