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锂离子电池组的三维热模型
孙红光 王晓辉 布莱恩Tossan 里根迪克森
摘要：
一个三维热模型已经发展到更好地了解电池的热行为的一个包下模拟行驶循环。它的数值方法采用了三维CFD包级子模型，一个一维的电池组网络子模型，和一个三维热和电化学耦合电池/模块级子模型，使得电池的非均匀发热率，电池温度可快速预测包装中的分布以及电池温度变化。特别地，使用三维CFD子模型计算每个单独电池冷却通道的流量分布。使用冷却通道的预测流动曲线作为流动边界条件，使用一维电池组网络子模型和电池/模块级热学子模型预测电池单元的热行为，其中电化学反应和双重考虑电池单元的层效应。电池单元的热行为通过物理测试相关联。最后，电池组冷却流的影响和电池组冷却系统的设计对非均匀性的影响 研究和讨论了在模拟的US06驱动循环下单个电池单元温度和电池单元温度变化的变化。
关键词
电池组；热模型；发热率；温度均匀性
1.介绍
可充电锂离子电池组依然被认为是用于电动车辆和各种其他应用的清洁，高效且环保的电源。电池组的主要热问题是在每个单独的电池单元内以及在充电/放电循环期间在整个电池组内的过热和不均匀加热，这可导致电池快速降级和电池单元的容量减少。其中电池单元在受控温度范围内工作的电池组设计是理想的。电池热行为的数学建模以及冷却策略已被证明是一种有效且经济的工具，可提高电池组性能并延长耐用性。
已经开发了各种数学模型，主要基于多孔电极理论[1]来描述可充电电池单元的充电/放电。值得注意的是，Wang等人。开发了一种微观宏观耦合模型来预测电池的充放电行为。在他们的工作中，应用物种和电荷的微观守恒方程和Bulter-Volmer方程来描述物种浓度，固相和液相电位以及电荷转移之间的关系。使用宏 观细胞模型预测电池单元电流密度和电位基于微观方程开发的局部体积平均技术[2]。电池发热率可以根据电流密度，电位和相应的开路电位来计算[3]。然而，由于计算模型尺寸，使用当前状态计算硬件基于实际车辆驾驶时间表完成电池单元级仿真需要大量时间，尽管基于锂离子电池模拟的正确正交分解的降阶电池模型是由蔡和怀[4]介绍，以减少计算时间。
最近，Shin等人开发了一种有效且简化的二维电池热模型。[5.6]它显著缩短了计算时间。基于电流密度的连续性，J ，电极和欧姆定律，正电极电位V p和负电极电位V n 的控制方程推导如下：
其中rp和rn分别是正电极和负电极的电阻。他们采用Newman和Tiedemann[7]提出的极化表达式来描述电流密度和电极电位之间的关系。
遵循顾的方法[8]Shin等人。得到为表达式拟合参数，yuml;和uuml; ，作为电池的功能放电深度（DOD）
其中C0~C6是使用恒定放电测试数据确定的常数。考虑到电极和电解质界面处的电荷转移以及电极上的欧姆加热，Shin等人。在电池放电过程中得到的发热率方程q”如下
其中一个是该电池的特定区域，同时一个p和一个Ntilde;是电池的正极和负极的比表面积，分别。应该注意的是，参数Y表示为Shin等人的方法中仅电池放电深度（DOD）的函数。换句话说，在他们的二维电池模型中没有考虑双层效应或非法拉第过程。
在这项研究中，Shin等人提出了电极电位和电流密度的控制方程。采用[5]，[6]并扩展到三维域。为了模拟非法拉第过程和电化学反应或法拉第过程以及预测瞬态充电/放电循环下的电池行为，将那些控制方程与从等效电路模型得到的方程组合，其中使用电容器来描述双层效应。随后，将这些等式合并到FLUENT CFD电池单元/模块级模型中以用户定义功能（UDF）的形式，可以同时计算电池发热率，对流传热率，传导热传递率和电池温度。最后，通过结合三维电池组流动子模型开发去耦合三维电池组热模型，而不考虑电池单元的细节，一维电池组网络子模型和电池单元/模块级子模型，其中在包流子模型中计算流边界条件。在电池热模型与物理测试相关联后，电池组电池温度变化与不均匀性有关 ，究了各个电池温度。
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命名 a 电池单元的比表面积，m -1 ap 正电极的比表面积，m -1 an 负电极的比表面积，m -1 Ae 电池活性材料表面积，m2 Apt 电池冷却板表面积， m2 At 电池单元端子标签的横截面积， m2 C 电池等效电路模型的电容，F C0 sim; C6 无量纲常数 Cp,c 电池的比热， J kgminus;1 Kminus;1 Cp,pt 电池座的比热， J kgminus;1 Kminus;1 ha冷却板的集中传热系数，W mminus;2 Kminus; I 电流A Ic 电容器电流，A J 电流密度, A mminus;2 Kpt 电池冷却板的等效导热系数，W mminus;1 Kminus;1 Kt 电池单元接头片的导热系数，W mminus;1 Kminus;1 Lpt 电池座厚度， m Lt 电池单元端子标签的长度，m mc 电池的质量，kg mpt 电池冷却板的质量，kg N 单元格中的分隔符数量（无量纲） P 电池的电源输入/输出，W q“电池活性物质的发热率，W mminus;3 R 电池电阻，Omega; R1 电池等效电路型号的电阻1的电阻Omega; R2电池等效电路型号的电阻2的电阻Omega; Rt电池片的电阻，Omega; rp正电极电阻，Omega; rn负电极电阻，Omega; SOC 荷电量 t 时间 S T 温度 ◦C Tadj,i相邻电池温度，C Tc集总电池温度，◦C Ti电池组入口处的冷却液温度， ◦C Tmax 在模拟的US06循环下，集中电池单元峰值温度，◦C u摩擦速度或剪切速度， m sminus;1 V |
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