燃料電池AEC定容彈溫度場計算分析

宋 俊,李明海,王賀武

(1.大連交通大學機車車輛工程學院，遼寧 大連 116028；2.清華大學車輛與運載學院，北京 100084)

1 引言

國家節能減排政策大力推廣，全國各類用車，如工業用車、客車、私家車等都紛紛由“燃油”轉向了“燃電”。電池關乎電動汽車動力性能的好壞，是電動汽車的心臟。鋰電池能量密度高、無記憶效應等優點使其成為燃料電池的首選。其可靠性和安全性分析已成為整個行業的重要課題[1-2]。對燃料電池的熱失控研究往往是在模擬加熱設備上進行的。其中AEC(adiabatic explosion chamber)定容彈是一種展現燃料電池熱失控以及熱失控反應的綜合實驗設備[3-6]。AEC定容彈結構簡單，加熱均勻對加熱觸發電池熱失控效果良好?？梢陨钊胙芯侩姵責崾Э刂蟮囊幌盗蟹磻^程，對燃料電池安全性的探索提供關鍵數據[6-9]。定容彈外殼采用保溫材料確保加熱溫度在設定的條件下，并設置相應的加熱模式控制加熱。根據研究的AEC定容彈，開展了加熱過程的溫度場研究,并構建了該加熱過程的研究模式,通過采用惰性氣體為主要研究材料,分析不同加熱狀態下的溫度分布情況，并揭示了定容彈中氮氣溫度隨時間的改變過程,為研究在高溫下燃料電池的熱失控作用奠定了理論基礎[9-11]。

2 AEC定容彈裝置

2.1 AEC定容彈結構以及加熱棒的布置

AEC定容彈主架構如圖1所示，該定容彈選用圓柱形結構作為彈體的主結構。定容彈內部凈容積為82 L(根據UL9540A標準)，設計壓力為0.7 MPa，彈體內的氣體介質為氮氣[12-15]。上下蓋板以及筒壁上安裝加熱棒對定容彈加熱，在定容彈筒壁外側設置絕熱層，減少熱量的散失。由圖1所示，由于加熱棒與筒壁以及上下蓋之間直接接觸，所以傳熱效率高。另外由于加熱棒是均勻分布在彈體壁面以及上下蓋區域，可以實現定容彈內部的氮氣均勻受熱。

圖1 定容彈內筒模型Fig.1 Model diagram of the inner cylinder of a constant volume projectile.

2.2 AEC定容彈加熱模式

彈體內氮氣的溫度由定容彈上下蓋以及筒壁上安裝的熱電偶進行測量。利用加熱棒對定容彈進行加熱，采用連續加熱、均勻加熱的加熱模式，使得定容彈內氣體介質均勻的達到實驗預設溫度，并且使彈體內的氣體介質溫差最小，利用均勻溫升來控制加熱過程。實驗從室溫開始記錄溫度，每加熱1 min，溫度升高1 ℃，每加熱30 min保溫5 min，最終加熱到150 ℃。定容彈加熱模式如圖2所示。

圖2 加熱棒加熱模式Fig.2 Heating pattern diagram of heating rod.

3 AEC定容彈計算模型

3.1 模型優化

AEC定容彈在加熱過程中出現的熱傳導、熱對流、熱輻射、結構應力與變形等問題。因為邊界條件有變化、計算公式的限制和動態的復雜性等問題，使得在實際的生產過程中計算有誤差，所以在構建定容彈的有限元模型時需要進行相應的優化。在構建模型時會進行以下優化：

(1)經典的傳熱理論對AEC定容彈的加熱過程同樣適用；

(2)材料各向同性；

(3)相互結合的結構為一個等效整體、無間隙，熱流與溫度傳遞相對連續；

(4)定容彈體的加熱棒視為發熱均勻的體積熱源。

3.2 設置邊界條件

首先對定容彈進行抽真空以及充入惰性氣體的操作，抽真空壓力到達約0.004 MPa，然后進行充氮氣處理使得壓力達到0.1 MPa，重復兩次操作，保證定容彈內的氧氣含量低至不影響燃料電池熱失控的發生。利用氮氣作為氣體介質進行研究，根據材料的不同，定容彈的結構主要分為兩大部分：由鋁制成的定容彈筒壁以及硅酸鋁制成的定容彈上下蓋。根據實驗實際參數，設置初始溫度為20 ℃，定容彈體里充氮氣壓力為0.1 MPa。加熱過程：從室溫加熱，每分鐘升高1 ℃，每升高30 ℃保溫5 min，最高升到150 ℃。AEC定容彈材料的熱物理性能如表1所示。

表1 各種材料的物理性能Table 1 Physical properties of various materials.

3.3 熱力學分析

熱力學分析主要是研究計算模型中的溫度場分布及對熱梯度、熱流密度等物理量。溫度場是指在某一時間的各點溫度的總和。它是時間與空間關系的函數，其直角坐標系為：

t=f(x,y,z,τ)

(1)

式中：t為溫度；x,y,z為直角坐標系的空間坐標；τ為時間。式(1)表示物體的溫度在x,y,z三個方向和在時間上都發生變化的三維非穩態溫度場。

3.3.1 控制方程

模擬計算過程中涉及的控制方程包括連續性方程(2)、動量方程(3)、能量方程(4)。

(2)

(3)

(4)

式中：ρ為密度；p為壓力；ui為i方向上流體的速度分量；μ為流體的動力粘度；keff為有效導熱率；Ji,j為組分i的擴散通量；Sh為能量源項。

3.3.2 瞬態熱平衡矩陣

ANSYS Workbench能進行穩態熱分析和瞬態熱分析兩種。穩態熱分析一般方程為：

[K]{I}={Q}

(5)

式中：[K]為傳導矩陣，包括熱系數、對流系數以及輻射系數和形狀系數；{I}為節點溫度向量；{Q}為節點熱流向量，包括熱生成。

在周期性非穩態導熱過程中，物體內各處的溫度按一定的振幅隨時間進行周期性波動；同時物體內的溫度分布也成周期性波動，瞬態傳熱過程中系統的溫度、熱流率熱邊界條件以及系統內能隨時間都有明顯的變化。瞬態熱分析滿足q=dU/dz,即流入或流出的熱傳遞速率q等于系統內能的變化。根據能量守恒原理，瞬態熱力學分析一般方程為：

[C]{T}+[K]{T}={Q}

(6)

式中：[K]為傳導矩陣，包括熱系數、對流系數以及輻射系數和形狀系數；[C]為比熱矩陣，考慮內能的增加；{T}為節點溫度對時間的導數；{Q}為節點熱流向量，包括熱生成[16]。

4 AEC定容彈溫度場計算與分析

ANSYS作為一款有限元分析軟件功能強大。其熱處理的應用包括可對計算模型進行熱傳導、熱對流、熱輻射及接觸熱阻等問題進行分析計算求解[17]。

對溫度場進行有限元分析方法可行、結果準確。因此采用有限元法對定容彈溫度場的分布狀況進行仿真研究。定容彈的加熱過程為瞬態傳熱過程，其步驟如下：①前處理；②輸入各個材料的熱物理性能參數；③建立幾何模型；④網格劃分；⑤加載分析模塊，設置加熱時長和步長；⑥后處理，得到計算結果，輸出計算數據，顯示模擬結果。

4.1 計算模型的建立

首先利用SolidWorks軟件對AEC定容彈進行三維建模，通過無縫接口將AEC定容彈優化后的模型導入ANSYS Workbench，對定容彈進行溫度場的分析，并與定容彈實際溫度場進行對比。分析在不同的時間節點處AEC定容彈的不同溫度曲線。有限元計算只針對節點和網格，首先利用Mesh平臺對網格進行劃分，根據求解的需要在Mesh平臺下進行四面體網格劃分，設置剖分最小尺寸為0.012 mm，生成大約1 200 000四面體網格。局部結構網格如圖3所示。

圖3 定容彈局部網格Fig.3 Local grid of constant volume bullet.

4.2 AEC定容彈溫度場分布

根據之前搭建的AEC定容彈模型，添加好材料參數以及相應的邊界條件。定容彈絕初始溫度為20 ℃，彈艙內填充的惰性氣體介質為氮氣，筒壁設置絕熱層。設置求解步長為30 min，總時長為150 min。通過對邊界條件以及計算參數的設定，計算定容彈在此運行狀態下的瞬態溫度場，待定容彈溫升穩定后的溫度場云圖如圖4所示。

圖4 加熱150 min時定容彈溫度分布Fig.4 Temperature distribution cloud of constant volume projectile at 150 min heating.

由圖4和圖5可見，AEC定容彈的最高溫度為154.73 ℃，在定容彈的上下蓋以及筒壁周圍有加熱棒的位置；最低溫度為71.1 ℃，主要分布在上下蓋沒有加熱棒的區域。當加熱到150 ℃后，在對定容彈進行保溫的過程中，定容彈體內各個點的溫度差值之間變小。在垂直方向上，由于加熱棒安裝位置的原因，定容彈內的氮氣溫度不一致產生溫度傳遞，使得氮氣溫度慢慢接近加熱棒的溫度。水平方向上溫度基本成對稱分布，由于蓋板以及筒壁上有加熱棒的原因，定容彈兩端的溫度相對較高，符合傳熱規律。

圖5 加熱過程中定容彈體溫升曲線Fig.5 Temperature rise curve of constant volume projectile during heating.

由圖6、圖7可見，定容彈內氮氣的最高溫度為151.15 ℃，在靠近加熱棒的位置，定容彈的最低溫度為104.44 ℃，在定容彈的上蓋附近沒有加熱棒的位置。由于定容彈的加熱棒都給中間部分加熱，所以中間位置的溫度偏高。但是在連續的加熱過程中，定容彈逐漸表現出溫度的不均勻性，這同樣表現出不同時刻的溫度分布情況，定容彈內各點的溫度梯度較為明顯，筒壁附近的溫度相對較高。因為金屬筒壁的導熱能力強，傳熱速度快，溫升速度快，彈體其它區域溫升相對較慢是因為與加熱棒相距較遠，且彈體內的氮氣導熱能力相對較差因此導致溫度上升較慢。

圖6 加熱150 min定容彈內部溫度場Fig.6 Temperature field cloud diagram of constant volume bomb after 150min heating.

圖7 定容彈內部氮氣溫升曲線Fig.7 Temperature rise curve of nitrogen in a constant volume projectile.

4.3 AEC定容彈溫度場分布

根據實際要求，主要對AEC定容彈內的氮氣進行溫度分析。在垂直和水平方向上，定容彈內的氮氣對稱分布，由于加熱棒均勻分布在筒壁以及上下蓋附近，因此氮氣能夠充分反映出溫度的變化情況。按照連續加熱模式，分別計算各點的溫度，對定容彈內部氮氣溫度場分布情況進行研究。由表2可知，靠近筒壁的溫度最高為154.73 ℃，靠近上下蓋的區域的溫度最低大約為71.1 ℃；定容彈內氮氣溫度最高151.15 ℃，最低為104.44 ℃。由于該結構特點，從圖5中可以看出在溫升階段，靠近筒壁的區域溫升更快，溫度相對更高，彈艙內的氮氣溫度相對較低。從圖5、圖7中可以看出，隨著加熱時間的增加，當加熱60 min后，彈艙內氮氣最高溫度為110.08 ℃，最低溫度為75.775 ℃，當對定容彈保溫5 min后，最高溫度為110.22 ℃，最低溫度為80.476 ℃。當繼續給定容彈加熱30 min，彈體內的最高溫度為140.11 ℃，最低溫度為95.384 ℃，對定容彈保溫5 min，彈艙內的最高溫度為140.28 ℃，最低溫度為102.85 ℃。在保溫過程中，定容彈內的氮氣最高溫度變化不明顯，但是最低溫度有很大的提升。同樣，上下蓋板由于材料以及設計的原因，散熱面積大，溫度傳遞較慢，熱損失較大，溫升慢。

表2 定容彈內氮氣溫升Table 2 Nitrogen temperature rise meter in the bomb.

4.4 燃料電池熱失控實驗分析

燃料電池的工作溫度一般在30 ℃左右，溫度太高會影響使用壽命。對于不同容量燃料電池的熱失控行為進行相關實驗，得到不同電池容量狀態下電池熱失控的溫度如圖8所示。

T1：176 Ah 100% SOC;T2：60 Ah 50% SOC;T3：60 Ah 100% SOC圖8 不同容量電池熱失控時溫度Fig.8 Temperature diagram of batteries with different capacities when they are out of control.

通過圖8可以看出環境溫度升高導致電池發生熱失控，不通電池容量的電池發生熱失控的時間大不相同。相同容量電池不同SOC狀態下電池熱失控的溫度相差不多，60 Ah電池熱失控發生時溫度在100 ℃左右。不同容量電池，容量越大發生熱失控的時間越長、反應越劇烈。176 Ah電池發生熱失控的溫度大約在120 ℃。

5 結論

使用了有限元分析軟件ANSYS對加熱狀態下的燃料電池中AEC定容彈溫度進行熱解析，從而獲取了在各種加熱模式下的各個時段內定容彈溫度場的具體數值。并通過相應的燃料電池熱失控實驗數據如圖8所示，以證明模擬過程的正確性。通過仿真結果，解析了AEC定容彈在加熱狀態下，彈內的流體介質溫度場分布變化規律，結果如下。

(1)圓柱形AEC定容彈彈體在加熱過程中，彈體中有加熱棒的區域溫度最高，在沒有加熱棒的上下蓋的區域溫度較低。

(2)加熱狀態下，定容彈內氣體介質有一定的溫度梯度，在垂直方向上，溫度大致稱對稱分布，由于加熱棒安裝的位置的原因，定容彈內的氣體介質溫度有溫度熱量的傳遞現象，氣體介質的溫度慢慢接近定容彈筒壁以及上下蓋的溫度。

(3)在對定容彈保溫的過程中，定容彈的最高溫度變化不大，但是定容彈的最低溫度溫升相對較大，能有效降低溫度梯度。

(4)定容彈測試溫度與實際氮氣溫度并不一致，最高溫度差距明顯，平均溫度基本一致。

(5)下一步將采用溫升控制進一步降低溫度梯度，保證定容彈內加熱均勻。