電動汽車動力電池?zé)崾Э卦囼?yàn)與仿真

【摘 要】在仿真軟件中構(gòu)建某款圓柱三元鋰離子電池?zé)崾Э啬Ｐ?，通過加熱電芯的方式來觸發(fā)其熱失控，同時(shí)建立2組對照模型，一組全程不開啟液冷，另一組在被加熱電芯熱失控的瞬間開啟液冷。結(jié)果表明：在不開啟液冷的模型中，電芯熱失控所產(chǎn)生的大量熱量傳遞給了周邊電芯，致使周圍電芯逐一失控。而在對照組中，由于在電芯熱失控的瞬間開啟了液冷，電芯熱失控產(chǎn)生的熱量迅速被冷卻液帶走，周圍電芯的溫度低于失控臨界值，因而沒有發(fā)生熱失控，從而有效地遏制熱蔓延的出現(xiàn)。

【關(guān)鍵詞】鋰離子電池；熱失控；熱蔓延

中圖分類號：U469.72 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-8639（ 2024 ）10-0018-04

Thermal Runaway Test and Simulation of Electric Vehicle Power Batteries

ANG Jinfeng，LIU Shulong，PANG Can，LIU Shuo

（Anhui Jianghuai Automobile Co.，Ltd.，Hefei 230601，China）

【Abstract】The thermal runaway model of a cylindrical ternary lithium-ion battery was constructed in the simulation software. The thermal runaway model was triggered by heating the battery cell. At the same time，two sets of control models were established： one group did not turn on the liquid cooling during the whole process，and the other group turned on the liquid cooling at the moment of the thermal runaway of the heated battery cell. The results show that in the model without liquid cooling，a large amount of heat generated by thermal runaway is transferred to the surrounding cells，causing the surrounding cells to lose control one by one. However，in the control group，because the liquid cooling is turned on at the moment of the cell thermal runaway，the heat generated by the cell thermal runaway is quickly taken away by the coolant，and the temperature of the surrounding cell is lower than the runaway critical value，so there is no thermal runaway，so as to effectively curb the appearance of thermal spread.

【Key words】lithium-ion battery；thermal runaway；heat spread

作者簡介

昂金鳳（1988—），女，碩士，工程師，主要從事動力電池包仿真工作。

隨著汽車電動化時(shí)代的來臨，人們對電動汽車長續(xù)航里程的需求不斷增加，以高比能著稱的三元鋰離子電池應(yīng)用越來越廣，但是鋰離子電池在內(nèi)外部短路、過充過放、機(jī)械打擊等不當(dāng)用電狀態(tài)下極易發(fā)生熱失控、熱蔓延，進(jìn)而引起嚴(yán)重的火災(zāi)事故，這也是制約動力電池技術(shù)發(fā)展，影響人們對電動汽車信心的關(guān)鍵所在。因此，積極開展鋰離子電池?zé)崾Э貦C(jī)理研究，并采取針對性的預(yù)防和阻止熱蔓延的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)單顆電芯失控不擴(kuò)散，從而保證乘員安全，都是新能源汽車行業(yè)急需解決的重大問題。

1 鋰離子電池?zé)崾Э貦C(jī)理

在鋰離子電池發(fā)生熱失控的過程中，從低溫到高溫排序，鋰離子動力電池將依次經(jīng)歷：高溫容量衰減→SEI膜分解→負(fù)極-電解液反應(yīng)→隔膜熔化過程→正極分解反應(yīng)→電解質(zhì)溶液分解反應(yīng)→負(fù)極與粘接劑反應(yīng)→電解液燃燒等過程[1]。如圖1所示。

1）高溫容量衰減：在電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)熱開始前，高溫條件下，部分Mn和Fe離子溶解進(jìn)入電解液中，并在負(fù)極沉積下來，導(dǎo)致負(fù)極內(nèi)阻增大，從而產(chǎn)生電池容量衰減的現(xiàn)象[2]。

2）SEI膜分解：當(dāng)電池溫度逐步升高到90℃左右時(shí)，SEI膜分解反應(yīng)開始變得明顯，SEI膜的分解放熱主要位于80～120℃溫度區(qū)間內(nèi)。

3）負(fù)極與電解液的反應(yīng)：由于負(fù)極表面的SEI膜發(fā)生分解，負(fù)極活性物質(zhì)失去保護(hù)，負(fù)極內(nèi)部嵌入的鋰金屬將與電解液發(fā)生反應(yīng)。負(fù)極與電解液的反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，使得鋰離子電池溫度繼續(xù)升高。

4）隔膜熔化：當(dāng)溫度達(dá)到隔膜的熔點(diǎn)時(shí)，隔膜將會發(fā)生熔化并出現(xiàn)熱收縮，產(chǎn)生閉孔效應(yīng)。常見的隔膜基質(zhì)材料有PE（聚乙烯）和PP（聚丙烯）兩種，PE隔膜的熔化大約在130℃發(fā)生，而PP隔膜的熔化大約在170℃發(fā)生。

5）正極分解反應(yīng)、電解液分解反應(yīng)和粘接劑反應(yīng)：隔膜溶解后電池內(nèi)部發(fā)生短路，釋放出大量的熱量，電池溫度迅速從120℃提高至300℃甚至更高，此時(shí)各種化學(xué)反應(yīng)同時(shí)發(fā)生，電池達(dá)到熱失控狀態(tài)。依據(jù)組分主要有正極分解反應(yīng)、電解液分解反應(yīng)和粘接劑反應(yīng)。常見的正極材料有LiCoO2（LCO鈷酸鋰）、LiMn2O4（LMO錳酸鋰）、LiFePO4（LFP磷酸鐵鋰）和LiNixCoyMnzO2（NCM三元），正極材料的分解反應(yīng)會產(chǎn)生大量的氣體和熱量，因此，正極材料對于鋰離子電池的熱安全性能的影響是最大的。電解質(zhì)溶液是電解質(zhì)鹽溶于電解液溶劑中形成的混合溶液，是電池內(nèi)部的導(dǎo)電介質(zhì)。電解液反應(yīng)指的是電解液本身的分解放熱反應(yīng)。一般認(rèn)為含氟粘接劑與鋰金屬發(fā)生反應(yīng)的溫度大概在240～350℃之間[3]。

2 熱失控仿真理論

熱失控仿真的基礎(chǔ)理論是一方程理論和四方程理論。一方程是將整個(gè)熱失控反應(yīng)用一個(gè)集總方程表示出來，四方程是將熱失控過程分為4部分：SEI膜分解、負(fù)極與電解質(zhì)反應(yīng)、正極與電解質(zhì)反應(yīng)、電解質(zhì)本身分解反應(yīng)[4]。本例中，選擇一方程理論來求解熱失控過程。一方程理論公式如下：

式中：A——反應(yīng)前指因子；m、n——反應(yīng)級數(shù)；α——反應(yīng)進(jìn)度，0表示未發(fā)生反應(yīng)，1表示反應(yīng)完全結(jié)束；R——通用氣體常數(shù)；E——熱失控反應(yīng)的活化能；T——溫度；HW——單位體積釋放的熱量。A、m、n、α、R、E、T、H、W均為模型常數(shù)。

熱失控模型是基于經(jīng)驗(yàn)的模型，需要輸入試驗(yàn)數(shù)據(jù)來標(biāo)定模型中的各個(gè)參數(shù)。熱失控模型需要的ARC數(shù)據(jù)為在絕熱環(huán)境下，由絕熱加速量熱儀ARC（Accelerating Rate Calorimetry）測試出的電芯自產(chǎn)熱的溫升數(shù)據(jù)。

3 熱失控仿真模型

本例選取15顆33Ah的三元鋰離子圓柱電芯，構(gòu)建以3S5P的電連接方式，同時(shí)考慮液體冷卻管路的熱失控仿真模型，電芯之間填充導(dǎo)熱系數(shù)較低的灌封膠[5]。熱失控電芯模型如圖2所示。

4 計(jì)算邊界

本例采用對中間第8號電芯加熱的方式使其熱失控，加熱功率為300W，加熱時(shí)間為150s左右。電芯在絕熱環(huán)境下測得的熱特性曲線如圖3所示。

仿真采用的ARC文件，起止溫度分別選取電芯自發(fā)熱溫度75.4℃和熱失控開始溫度后某一個(gè)溫度179℃，采用Arrhenius（阿倫尼烏斯）法擬合ARC數(shù)據(jù)，得到電芯熱失控一方程的各個(gè)參數(shù)。初始擬合并不理想，手動微調(diào)活化能E以及m和n值，得到一個(gè)較為理想的溫升曲線。多次調(diào)整參數(shù)得到一個(gè)較為接近的擬合曲線，如圖4所示。

5 計(jì)算結(jié)果

初始計(jì)算中，不開啟液冷。被加熱電芯在95s左右發(fā)生熱失控，最高溫度為533℃左右。隨后在320s左右引發(fā)周圍第2顆電芯的失控，時(shí)間間隔為225s左右。電芯溫度變化曲線如圖5所示，電芯熱失控反應(yīng)順序和時(shí)間如圖6所示。各個(gè)電芯熱失控溫度云圖如圖7所示。

監(jiān)控中間第8號電芯的溫度，當(dāng)其溫度達(dá)到最高溫度533℃時(shí)，開啟液冷，給予液冷管入口流速0.5m/s，出口4000Pa壓力，重新進(jìn)行熱失控模擬。結(jié)果如圖8a所示，顯示當(dāng)中間被加熱的電芯發(fā)生熱失控的瞬間開啟液冷，電芯熱失控瞬間產(chǎn)生的高溫迅速被冷卻液帶走，溫降速率大約為0.7℃/s，傳遞給周圍電芯的剩余熱量不足以讓周圍電芯達(dá)到熱失控的臨界溫度，因此，沒有引發(fā)周圍電芯的失控，避免了熱蔓延的發(fā)生，結(jié)果如圖8b所示。

6 熱失控試驗(yàn)

電池?zé)崾Э卦囼?yàn)是Pack級別的，在模組中間的電芯表面安裝加熱膜，加熱功率和仿真保持一致，直到溫升速率大于1℃/s停止，當(dāng)溫度傳感器檢測到電芯熱失控的瞬間開啟液冷。冷卻期過后，觀察模組外表，沒有發(fā)現(xiàn)大規(guī)模失控破壞痕跡，拆解模組，只有被加熱的電芯出現(xiàn)失控爆噴，其余電芯完好。試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了熱蔓延并未發(fā)生，定性證明了熱失控仿真的可靠性[6]。試驗(yàn)前后模組狀態(tài)對比如圖9所示。

7 結(jié)論

本文基于仿真平臺構(gòu)建鋰離子電芯的熱失控模型，并通過試驗(yàn)測得的ARC數(shù)據(jù)擬合出較為精準(zhǔn)的熱失控一方程參數(shù)。對開啟液冷和不開啟液冷這兩種計(jì)算模型進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)于熱失控觸發(fā)的瞬間及時(shí)開啟液冷能夠有效防止熱蔓延的發(fā)生。在實(shí)際試驗(yàn)中，采用開啟液冷的方法，試驗(yàn)結(jié)果顯示只有被加熱的電芯發(fā)生了失控爆噴，周圍電芯完好無損，這證實(shí)了仿真的可靠性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 馮旭寧. 車用鋰離子動力電池?zé)崾Э卣T發(fā)與擴(kuò)展機(jī)理、建模與防控[D]. 北京：清華大學(xué)，2018.

[2] Ishikawa H，Mendoza O，Sone Y，et al. Study of thermal deterioration of lithium-ion secondary cell using an accelerated rate calorimeter（ARC）and AC impedance method[J]. Journal of Power Sources，2012，198（15）：236-242.

[3] Maleki H，Deng Guoping，Anani A，et al. Thermal stability studies of Li-ion cells and components[J]. Journal of the Electrochemical Society，1999，146（9）：3224-3229.

[4] 井文明，宋述軍，張寅作. ANSYS電池仿真與實(shí)例詳解——流體傳熱篇[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2021.

[5] 王青松，孫金華，何理. 鋰離子電池安全性特點(diǎn)及熱模型研究[J]. 中國安全生產(chǎn)技術(shù)，2005，6（1）：19-21.

[6] 單明新，王松岑，朱艷麗，等. 鋰離子電池過充爆炸強(qiáng)度試驗(yàn)研究[J]. 安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2015，15（5）：116-118.

（編輯 凌 波）