锂离子电池单体热仿真分析

几何模型的建立及网格划分

为了简化计算，将电池内核简化为材料均匀发热均匀但是导热各向异性的长方体，整个锂离子动力电池仿真模型分为正负极柱、电池内核、塑料外壳四个部分，忽略结构之间的间隙。在SolidWo rks中按照IFP66/182/29_5型电池真实尺寸进行建模，为了尽可能保证仿真结果的精确性，保留了单体电池的圆角和一些小的特征，建模后倒入ansys-workbenchl 4.5平台中的fluid flow Cfluent)模块，进行仿真分析。

模型倒入workbenchl4.5后，首先在design modeler模块中进行边界命名和几何检查，之后将模型倒入meshing进行网格划分，采用proximity and curvature划分函数，全四面体网格，对细小特征和极耳处进行了局部加密，最终网格数121万，网格如图2.12所示。

对复杂几何模型而言，网格划分过于粗糙时，网格质量难以保证，会出现大量扭曲严重的网格而导致计算失真。因此，有必要在网格划分之前对几何模型进行合理的简化，并对划分好的网格质量进行检查以保证网格精度。网格质量检查的指标包括:扭曲比、细长比、单元翘曲量、单元弦差、雅克比、单元坍塌量等，特别是对于本文采用的CFD软件Fluent而言，体扭曲比Skewness必须不能超过0.9_5，最好不能超过0.90。除了官方给出的检查项外，研究者仍需手动检查网格是否贴体，如果网格并没有和几何模型很好的贴合，即使检查项的各个指标在优秀范围内，这套网格也是不可接受的。有经验的前处理人员常常会对流场、温度场等结果进行预判，提前在其变化梯度比较大的地方提前进行网格加密，以保证计算流体软件能够在这个位置将此变量的特征更好的捕捉。

通过以上网格划分和质量检查方法，可以保证几何模型的网格质量并有合理的加密，进而确保计算的收敛性和仿真精度。

仿真条件设定

本节对电池温度场研究主要是电池单体内部产热加上电池与空气进行自然对流的生热、散热过程，仿真计算开启层流模型和能量模型。对能量方程的差分选用二阶迎风格式。能量方程的收敛标准为残差值小于10-7，其他方程收敛标准为残差值小于10-4。

锂动力电池只有在很低的温度下内阻才会变的比较大，锂动力电池单体仿真时研究的温度范围在常温附近，此时电池内阻发生的变化很小，可在研究中将其近似视为固定值。根据 2.4.2节中的试验获得锂动力电池放电的电池生热总功率:

Φ=7.1×10-4I2

锂离子电池发热体分为正负极柱和电池内核，正负极柱为欧姆内阻发热，电池内核发热功率为总功率减去正负极的发热功率，其中正极极柱内阻为0.054mΩ，负极极柱内阻为0.027mΩ。则电池内核发热功率为:

Φ=6.29×10-04I2 

选择常规的压力基求解器，速度和压力祸合算法为SIMPLE算法，梯度算法选择格林一高斯基于节点的算法，其他均选择二阶迎风格式。因为要与实验比较，瞬态计算的边界条件设置均与实验时的工况相同，环境温度为30℃，时间步长为10S，每时间步迭代步数等均为默认，辐射和对流换热系数分别设为0.25和4.7W/(m2·K)。

锂离子动力电池单体热模型验证

采用本文建立的锂离子动力电池单体热模型，对电池分别进行67A,  133A和200A恒流放电60 min的工况进行模拟计算，图2.13是第60 min电池单体的温度云图。仿真的温度监控位置和实验相同，图2.14是60min内仿真监控点温度变换曲线及其与实验值的对比。

本文选择的是电池测点3的值进行仿真与实验对比。从图2.14可知，通过CFD软件建立的单体电池热仿真模型得到的温度测点与实验值非常接近，具体值相差一直不超过0.7 ℃，验证了仿真模型的可靠性。通过确认单体电池仿真模型的可靠性，可以为后续的电池成组及其热管理系统的设计和验证提供仿真基础。