今天正好有些時間，想起前段時間以來有網友問我關于鋰離子電池單體如何分析，下列就ansys軟件，簡單的說下過程及注意事項。
過熱的危害
首先應會從單體電池的角度闡述過熱的危害，我簡單的說一下：電池的組成部分包含電解液、正負極材料、隔膜，銅鋁箔等各種材料，溫度過高會加速電池的老化速率，當電池的溫度如果超過120℃，首先隔膜會收縮，而且正負極材料也會發生分解，電池內部會發生一系列的熱反應，種種問題會造成不安全的因素，因而在電池設計時需要考慮電芯單體的溫度性能，來確定電池的倍率放電能力。
一般來說除了電池內部發生嚴重的短路，溫度在正常情況下不會超過120攝氏度。
建議沒有電化學基礎的，先了解一下電池的原理及組成，這樣有助于電池幾何體的建模和產熱的行為分析。
我們經常從網上看到一些圖片關于單體的溫度性能，如下圖：
這樣的分析結果到底對不對呢，如何精確的得到此圖，這需要自己的掌握了。
下列以本人在幾年前做的一個單體的分析來說明過程：
1.電池參數獲取
導熱系數和比熱容是關鍵的兩個因素
首先電池參數的獲取，下列給大家列出一個實例，里面參數需要大家和電池供應商去溝通。
此圖中的參數是某款磷酸鐵鋰電池的物性參數。具體體積數據需要計算測量。
由此數據可以計算電池的比熱容，導熱系數，密度等數據。
首先需要確定電池卷心的結構方式，是層疊式還是卷繞式。比如層疊式，可以數一下極片的層數，可以完成體積的測量。
有上式可以確定電池的導熱系數。
關于比熱容，可以用加權法來計算，這里不再贅述。
關于電池的內阻，一般用直流內阻來計算發熱量。
2.關于電池的建模
針對單體模型的建模程序：包含電芯部分(包括正極片、負極片、隔膜等)作為一個單元進行模型的建立，作為發熱源。其他部分根據根據單體實際模型與尺寸進行建模和設置相關個更變參數，包含極耳、極柱、殼體等主要傳熱部件。
(A)幾何模型
1)對于電芯而言，不再分成一片一片的正負極單片，而是將整個電芯擬合為一個整體來考慮，其具有新的物性和形狀;
2) 對將極耳和正負電極連接起來的金屬片而言，根據單體實際模型進行建模，其物性參數取當量值;
3) 極耳連接出電極后，各片之間緊密相靠，形成一個整體，厚度為各片厚度之和;
4)電池內部空腔部分空氣不考慮其流動性，極堆單體之間的液體不考慮流動。
上圖為國內某公司20Ah 磷酸鐵鋰電池的幾何體模型。
3.關于物理模型假設
1) 在充放電過程中，只考慮直流內阻的影響;
2) 不考慮電池實際充放電過程中的體積變化及壓力變化，僅僅考慮電芯、隔膜、極耳、殼體等之間的傳導作用;
3) 將空氣視為理想氣體，忽略由于溫度、壓力變化引起的比熱和導熱系數的變化，而視其為定值;
4) 假設放電過程中，無副反應發生。
4.有限元分析
首先網格的劃分要注意小尺寸，一般電池的外殼一般厚度僅僅1mm，因此在外殼和卷心之間需要做一些接觸，對此需要計算資源。關于對流換熱系數，因這里是自然對流，常規的數值5~10W/m2.K即可。環境溫度25℃。
對比發現，仿真和實驗的誤差比較小。
注：此處較大溫差是電芯中部溫度與表面溫度的實驗組差值！
5.關于電池的熱源問題
電池模塊的熱來源、產熱速率、電池熱容等有關參數，與電池的本質密切相關。電池放出熱量取決于電池的化學、機械、電學本質和特征，特別是電化學反應的本質。電池反應中產生的熱能，可以用電池反應熱Qr來表示；電化學極化使電池實際電壓偏離其平衡電動勢，而由電池極化引起的能量損失用Qp來表示。更多的分析，各位可以看看文獻，不過個人覺得非常復雜，其實可以簡化一下，用內阻和電池的溫度系數既可以。
6.總結一下：
fluent軟件和ansys 瞬態熱分析軟件都可以完成分析，只不過建模有一些區別，對于單體的分析，不推薦使用fluent，一般ansys自帶的穩態和瞬態熱分析也比較方便，而且邊界條件的施加簡單。
如果需要計算極柱的溫度特性，在模型建立和網格劃分過程中，需要單獨對其處理，后期熱源的添加需要綜合考慮極柱次材料的內阻。
本文來源：電動汽車網，作者：大唐
