電動(dòng)汽車(chē)鋰離子電池生熱及熱失控仿真設(shè)計(jì)方法

辛明華

（中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300）

引言

鋰離子動(dòng)力電池是電動(dòng)汽車(chē)的重要車(chē)載能源，其生熱及熱失控特性直接影響整車(chē)的性能和安全，研究動(dòng)力電池的生熱及熱失控特性有助于更加精準(zhǔn)地設(shè)計(jì)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，使電動(dòng)汽車(chē)鋰離子電池在合理溫度范圍內(nèi)工作，并在熱失控發(fā)生前做出預(yù)警，對(duì)整車(chē)安全具有十分重大的意義。

1 鋰離子電池生熱及熱失控機(jī)理

1.1 電池生熱機(jī)理

鋰離子動(dòng)力電池單體電池外殼、極耳、正極、負(fù)極、隔膜、電解液等構(gòu)成。充電/放電過(guò)程中，隨著電池電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行及鋰離子的嵌入與脫出，電池內(nèi)部發(fā)生著放熱與吸熱，產(chǎn)生熱量主要由四部分組成：可逆反應(yīng)熱，歐姆內(nèi)阻的焦耳熱，極化熱和副反應(yīng)熱，如以下公式：

Qt：鋰離子電池生熱量。

Qr：可逆反應(yīng)熱，是指鋰離子電池在充放電過(guò)程發(fā)生可逆電化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的焓變熱，取值可正可負(fù)。一般情況下，在電池充電過(guò)程取值為負(fù)，對(duì)應(yīng)于吸熱過(guò)程；而在電池放電過(guò)程取值為正，對(duì)應(yīng)于放熱過(guò)程。

Qj：由于歐姆內(nèi)阻產(chǎn)生的熱量。電池內(nèi)部各組成材料的電阻表現(xiàn)為對(duì)鋰離子輸運(yùn)的阻礙作用。在此過(guò)程中，這部分熱量都為正值，是不可逆反應(yīng)熱。

Qp：極化熱，當(dāng)電池的電極表面發(fā)生極化現(xiàn)象，在有電流通過(guò)時(shí)，電池的平均端電壓與開(kāi)路電壓不一致，由這部分壓降所產(chǎn)生的熱量就是極化熱。極化熱主要與電流，環(huán)境溫度，電池類(lèi)型等相關(guān)，而且在充放電末期的時(shí)候，將產(chǎn)生大量的極化熱。

Qs：副反應(yīng)熱。鋰離子電池內(nèi)部溫度達(dá)到一定的值（80℃以上）后，由于熱量不能及時(shí)地散發(fā)出去，電池材料會(huì)發(fā)生一系列的分解放熱反應(yīng)。

1.2 電池?zé)崾Э貦C(jī)理

電池在首次循環(huán)充放電過(guò)程會(huì)產(chǎn)生一層致密的固體電解液界面膜，即SEI膜。SEI膜是存在于負(fù)極材料與電解液之間，主要起到保護(hù)負(fù)極材料的作用，相當(dāng)于鈍化膜，避免負(fù)極與電解液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。鋰離子電池正常工作時(shí)，SEI膜處于亞穩(wěn)定狀態(tài)，其生成和分解都是可逆的。SEI膜對(duì)溫度的要求非常嚴(yán)格，當(dāng)溫度超出其可逆分解的溫度，SEI膜分解后不再生成，SEI膜越來(lái)越少，同時(shí)SEI膜分解釋放的熱量進(jìn)一步加劇自身的分解。負(fù)極由于失去了SEI膜的保護(hù)，與電解液發(fā)生反應(yīng)，釋放熱量，導(dǎo)致電池內(nèi)部溫度持續(xù)升高，如果此時(shí)電池包的熱管理系統(tǒng)不能及時(shí)將溫度降下來(lái)，電池由于溫度的大幅升高，可能引發(fā)正極材料與電解液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)以及電解液的分解。更為嚴(yán)重的，隔膜也可能會(huì)由于溫度升高發(fā)生收縮熔融破裂，造成內(nèi)部短路，電池外部表現(xiàn)為鼓脹、漏液、產(chǎn)氣、起火、爆炸等現(xiàn)象。當(dāng)電池發(fā)生熱失控時(shí)，內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生熱量Qs可由以下公式計(jì)算：

Qsei：SEI膜分解產(chǎn)生的熱量；

Qneg：負(fù)極與電解液發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生的熱量；

Qpos：正極材料和電解液發(fā)生反應(yīng)所產(chǎn)生熱量；

Qele：電解液分解所產(chǎn)生的熱量。

2 生熱及熱失控仿真分析流程

2.1 建立電池一維電化學(xué)模型

鋰離子電池電芯內(nèi)部為正極集流體，多孔正極活性物質(zhì)、隔膜、多孔負(fù)極活性物質(zhì)、負(fù)極集流體5層材料依次疊起，再卷繞多次封裝而成。由于電池電芯內(nèi)部有很多個(gè)基本的重復(fù)單元，所以一維電化學(xué)生熱模型選取了上述5層材料為電芯一個(gè)完整的反應(yīng)單元，忽略其參與反應(yīng)的面積尺寸，只計(jì)量厚度，簡(jiǎn)化為以為模型。模型建立之后，運(yùn)用多物理場(chǎng)仿真軟件COMSOL Multiphysics，輸入尺寸參數(shù)和材料特性參數(shù)，比如材料厚度、固相電導(dǎo)率、固相/液相體積分?jǐn)?shù)、固相/液相插層擴(kuò)散系數(shù)、比熱容、密度、導(dǎo)熱率等。

2.2 建立電池三維傳熱模型

電芯內(nèi)部由多層材料組成的單元重疊而成，每個(gè)單元的多層材料都非常薄，緊密層疊排列在一起，為了降低模型復(fù)雜度，減少計(jì)算量，可以將整個(gè)電芯在充放電過(guò)程中看成勻質(zhì)產(chǎn)熱和傳熱的，其熱源為一維模型計(jì)算得到的生熱量Q。三維模型建立流程如下圖。

圖1 鋰離子電芯內(nèi)部重復(fù)單元示意

圖2 三維模型建立流程

2.3 一維電化學(xué)模型和三維模型耦合

鋰離子電池的溫度場(chǎng)直接影響著內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)速率、離子擴(kuò)散速率等參數(shù)，所以由三維模型計(jì)算得出瞬態(tài)溫度場(chǎng)取平均值后與一維電化學(xué)模型耦合，作為一維電化學(xué)模型溫度變量的輸入值。一方面，電池內(nèi)部由微米級(jí)的薄層單元構(gòu)成，可以假設(shè)5層構(gòu)成的單元處于相同環(huán)境溫度，溫度值來(lái)源于三維模型求解得到的瞬態(tài)溫度場(chǎng)平均值；另一方面，在正常充放電情況下，電池溫度變化不大，整個(gè)單體處于較低溫度，電化學(xué)反應(yīng)受溫度變化的影響較小，所以在描述電池電化學(xué)反應(yīng)時(shí)，可以假設(shè)電池內(nèi)部法相方向上各個(gè)重復(fù)單元也同樣處于相同的溫度下。同樣，由一維模型計(jì)算得出的電池在充放電條件下內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)熱與三維模型耦合，作為三維模型的輸入條件，得到三維電池模型的瞬態(tài)溫度分布。簡(jiǎn)單來(lái)講，根據(jù)電池內(nèi)各組分的參數(shù)及組成比例，通過(guò)數(shù)學(xué)加權(quán)的方法可求算出電池的平均熱導(dǎo)率、平均比熱容及平均密度作為模擬過(guò)程中電池模型的物性常數(shù)，再通過(guò)電池發(fā)熱求算公式，計(jì)算出各放電電流下電池內(nèi)的單位體積發(fā)熱功率。結(jié)合準(zhǔn)確的電池單體能量方程、初始條件及溫度條件，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)電池單體內(nèi)溫度分布的模擬求解。

圖3 一維模型與三維模型計(jì)算耦合

2.4 條件設(shè)置與結(jié)果分析

（1）正常充放電工況

正常工況模型用于仿真計(jì)算電池在充放電循環(huán)過(guò)程中和車(chē)載工況下的溫度，電壓和鋰離子濃度變化。計(jì)算結(jié)果如果顯示電池溫度并非平滑上升/下降，而是曲折的，這是由于電池在該過(guò)程中電化學(xué)反應(yīng)影響，導(dǎo)致電池的溫度在充/放電過(guò)程會(huì)有一個(gè)小幅度的波動(dòng)，但是整體表現(xiàn)為電池溫度上升。

（2）熱失控工況

在現(xiàn)實(shí)生活中，鋰離子電池在一定溫度或者外界刺激條件（例如針刺、擠壓、高溫等）下，會(huì)引發(fā)電池內(nèi)部一系列放熱副反應(yīng)，如果熱量不能及時(shí)地散發(fā)出去，電池材料會(huì)發(fā)生一系列的分解放熱反應(yīng)，也就熱失控產(chǎn)熱部分Qs。運(yùn)用COMSOL Multiphysics軟件可以設(shè)置環(huán)境溫度或短路條件，模擬標(biāo)準(zhǔn)的電池?zé)嵯湓囼?yàn)或者針刺試驗(yàn)。由計(jì)算結(jié)果中正極、負(fù)極、電解液、SEI膜離子濃度以及溫度變化，可以分析得出熱失控?zé)崃烤奂^(guò)程，為配置冷卻系統(tǒng)提供依據(jù)。

3 結(jié)論

與實(shí)際情況相符的電池生熱仿真可以提高電動(dòng)汽車(chē)電池系統(tǒng)性能和壽命周期，對(duì)于提升電動(dòng)汽車(chē)的安全性具有十分重要的意義。通過(guò)建立鋰離子電池生熱模型和仿真計(jì)算，可以測(cè)試不同配置的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，優(yōu)化電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)，縮短設(shè)計(jì)周期，節(jié)約設(shè)計(jì)成本。