基于Fluent熱濫用模型鋰電池?zé)崧臃治?/h1>
2022-12-29 05:53:24喬石杰
汽車實(shí)用技術(shù) 2022年23期
喬石杰，王 鐵
基于Fluent熱濫用模型鋰電池?zé)崧臃治?/p>
喬石杰，王 鐵*
（沈陽理工大學(xué) 汽車與交通學(xué)院，遼寧 沈陽 110159）
為進(jìn)一步了解電池?zé)崾Э貎?nèi)部微觀機(jī)理，論文基于Fluent采用ECM-熱濫用模型相互耦合的方式，運(yùn)用數(shù)值模擬的方法研究了鋰電池在加熱濫用條件下電池?zé)崾Э芈蝇F(xiàn)象，分析了鋰電池?zé)崾Э芈訙囟葓?chǎng)、熱濫用反應(yīng)及產(chǎn)熱速率的變化。結(jié)果表明，電池?zé)崾Э販厣€變化趨勢(shì)一致，且正負(fù)極與電解質(zhì)的反應(yīng)是導(dǎo)致電池溫度升高的關(guān)鍵因素，為電池?zé)崾Э匕踩栽O(shè)計(jì)提供了參考。
鋰電池；熱濫用模型；熱蔓延分析；溫度場(chǎng)；Fluent
鋰電池?zé)崾Э丶盁崾Э芈右殉蔀樾履茉雌囶I(lǐng)域亟需解決的問題[1]，目前國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究，但研究大都針對(duì)單一的熱濫用模型開展。徐金龍等[2]基于鋰電池?zé)崾Э啬Ｐ停芯苛顺潆姳堵?、環(huán)境溫度和散熱條件對(duì)鋰離子電池?zé)崾Э氐挠绊?，LI等[3]對(duì)18650電池進(jìn)行了側(cè)加熱熱失控觸發(fā)實(shí)驗(yàn)，研究了電池荷電狀態(tài)（State Of Charge, SOC）、熱源功率及電池間距對(duì)鋰電池?zé)崾Э芈拥挠绊?。極少考慮多模式耦合下的情況，同時(shí)針對(duì)電池發(fā)生熱失控時(shí)電池內(nèi)部各組分分解機(jī)理少有研究，因此，本文采用等效電路模型（Equivalent Circuit Model, ECM）熱濫用模型相互耦合的的方式研究了加熱濫用條件下電池溫度、副反應(yīng)產(chǎn)熱及各組分歸一化濃度的變化。
1 模型描述
1.1 等效電路模型
選取Fluent電池模塊中的電化學(xué)模型，ECM模型計(jì)算量很小，求解效率很高，同時(shí)ECM等效電路中存在RC并聯(lián)電路，如圖1所示，其對(duì)負(fù)載劇烈變化工況的跟隨性較好。
圖1 等效電路圖
等效電路模型控制方程如下：
式中，U為開路電壓；為電池內(nèi)阻；1、1和2、2分別為電阻和電容；電池總電壓由式（1）計(jì)算表示；式（2）和式（3）分別為流經(jīng)RC電路的電流；電池容量由式（4）表示；初始設(shè)置為1，表明電池處于充滿的狀態(tài)，設(shè)置電池初始溫度為300 K，放電倍率設(shè)置為1 C。
1.2 熱模型
選取方形鋰離子電池為研究對(duì)象，模型參數(shù)如表1所示。
表1 鋰離子電池幾何參數(shù)
運(yùn)用基本傳熱表達(dá)式計(jì)算模型的溫度分布[4]
式中，是材料密度；C為比熱容；為熱傳導(dǎo)系數(shù)；同時(shí)式（5）也遵循能量守恒，等式左邊為電池總的產(chǎn)熱功率；q為電池單位體積產(chǎn)熱功率；其余三項(xiàng)分別為電池//三個(gè)方向上流入電池的熱量與流出電池?zé)崃康牟钪?。電池?zé)嵛镄詤?shù)如表2所示。
表2 熱物性參數(shù)
1.3 熱濫用模型
采用四方程模型根據(jù)熱失控過程中不同階段起主導(dǎo)作用的不同機(jī)理引入4組反應(yīng)方程，反應(yīng)速率以阿倫尼烏斯形式表示，控制方程如下。
（1）SEI分解
（2）負(fù)極與電解液反應(yīng)
（3）正極與電解液反應(yīng)
（4）電解液自身分解
四組副反應(yīng)方程中、和分別為反應(yīng)前指因子、活化能和反應(yīng)級(jí)數(shù)；sei、sei、和分別為各個(gè)反應(yīng)物組分分?jǐn)?shù)的無量綱變量，其中csei、sei和e的值從1變化到0（1暫未開始反應(yīng)，0反應(yīng)結(jié)束），的值從0變化到1（0暫未開始反應(yīng)，1反應(yīng)結(jié)束）；sei為固體電解質(zhì)界面（Solid Elec- trolyte Interface, SEI）膜厚度的無量綱參數(shù)；sei,ref為SEI膜的參考厚度；為溫度；為通用氣體常數(shù)；為反應(yīng)熱（J/kg）；為介質(zhì)中反應(yīng)物的密度（kg/m3）；上述三種模型相互耦合作用組成了電池?zé)嵊|發(fā)熱失控模型，分別反映電池內(nèi)部不同的組分。
2 網(wǎng)格劃分
采用Fluent Meshing對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。按照網(wǎng)格生成流程，添加局部尺寸控制，最小尺寸為0.3 mm，最大尺寸為4 mm，間隙處網(wǎng)格層數(shù)為3，最大面曲率為0.55<0.7，確?？梢陨奢^好的體網(wǎng)格；選取多面體-六面體混合網(wǎng)格進(jìn)行填充。熱觸發(fā)模型生成體網(wǎng)格數(shù)為1 114 561，如圖2所示，熱源功率為10 000 W。
圖2 模型網(wǎng)格示意圖
3 結(jié)果與討論
圖3為電池?zé)崾Э販厣€圖，從圖中可以看出，#2—#7電池溫度變化趨勢(shì)一致，峰值溫度約為1 150 K。#1電池與熱源直接接觸，隨著熱源不斷加熱，當(dāng)達(dá)到電池?zé)崾Э赜|發(fā)溫度時(shí)，電池溫度急劇上升。圖中電池在40 s左右溫度達(dá)到最大值，約為1 100 K，隨著自然對(duì)流冷卻，#1電池溫度逐漸下降之后溫度逐漸趨于平穩(wěn)，在接下來的時(shí)間里溫度逐漸蔓延至其他電池觸發(fā)其熱失控，在200 s左右所有電池都發(fā)生熱失控，之后溫度都趨于平穩(wěn)。整體所有電池溫度在前期都會(huì)有緩慢提升即熱量積累階段，之后突然上升即熱失控階段，可認(rèn)為拐點(diǎn)處即為電池發(fā)生熱失控的時(shí)刻。
圖4為電池各組分歸一化濃度變化情況，從圖中可以看出在前10 s各組分的濃度沒有明顯的改變，SEI膜從大約5 s的時(shí)候就開始分解，隨后正極與電解質(zhì)開始反應(yīng)，兩者相互促進(jìn)，加劇了負(fù)極與電解質(zhì)的反應(yīng)以及電解液自身的分解反應(yīng)，在40 s左右SEI膜分解完成，隨后正極與電解質(zhì)的反應(yīng)以及電解液自身的分解反應(yīng)結(jié)束，從圖中可以看到負(fù)極與電解質(zhì)的反應(yīng)并不完全。
圖3 電池?zé)崾Э販厣€
圖4 各組分歸一化濃度變化
圖5為副反應(yīng)產(chǎn)熱速率變化，1為SEI分解、2為正極與電解液反應(yīng)、3為負(fù)極與電解液反應(yīng)、4為電解液自身分解?？梢钥闯鯯EI分解與電解液自身分解產(chǎn)熱占比較小。正負(fù)極與電解液的反應(yīng)產(chǎn)熱是導(dǎo)致電池溫度急劇上升的主要因素，同時(shí)負(fù)極與電解質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)熱速率高于正極與電解質(zhì)的反應(yīng)產(chǎn)熱速率。
圖5 各副反應(yīng)產(chǎn)熱速率
4 結(jié)論
本文研究了加熱濫用條件下電池?zé)崾Э販囟确植技盁崾Э芈忧闆r，得出電池?zé)崾Э販厣€都存在三個(gè)階段，自產(chǎn)熱階段、熱失控階段及穩(wěn)定階段。對(duì)于歸一化濃度及產(chǎn)熱速率變化正極與電解液的反應(yīng)先于負(fù)極與電解液的反應(yīng)，且負(fù)極與電解液反應(yīng)產(chǎn)熱速率高于正極與電解液反應(yīng)產(chǎn)熱速率。上述結(jié)論從溫度分布、歸一化濃度及產(chǎn)熱速率三個(gè)方面，直觀地揭示了高溫濫用條件下電池?zé)崾Э丶盁崾Э芈拥奈⒂^機(jī)理，為進(jìn)一步設(shè)計(jì)研究電池?zé)崾Э胤雷o(hù)及熱蔓延抑制提供了借鑒意義。
[1] 胡玉財(cái),陸張浩,魏家靜,等.新能源汽車產(chǎn)業(yè)規(guī)劃2021—2035解讀[J].內(nèi)燃機(jī)與配件,2022(6):167-169.
[2] 許金龍,沈佳妮,王乾坤,等.基于鋰離子電池?zé)崾Э啬Ｐ偷碾姛狁詈蠟E用條件分析[J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù), 2021,10(4):1344-1352.
[3] LI H, CHEN H, ZHONG G, et al. Experimental Study on Thermal Runaway Risk of 18650 Lithium Ion Battery under Side-heating Condition[J].Journal of Loss Prevention in the Process Industries,2019,61: 122-129.
[4] 歐陽陳志.鋰離子動(dòng)力電池?zé)岱治黾皟?yōu)化[D].長(zhǎng)沙:長(zhǎng)沙理工大學(xué),2013.
Thermal Spread Analysis of Lithium Battery Based on Fluent Thermal Abuse Model
QIAO Shijie, WANG Tie*
( School of Automobile and Transportation, Shenyang Ligong University, Shenyang 110159, China )
To further understand the internal micro mechanism of battery thermal runaway, based on Fluent, this paper adopts the coupling method of ECM-thermal abuse model and numerical simulation method to study the thermal runaway spreading phenomenon of lithium battery under heating condition. The thermal runaway spread temperature field, thermal abuse reaction and heat production rate of lithium battery were analyzed. The results show that the temperature rise curve of battery thermal runaway has the same trend, and the reaction of anode and cathode with electrolyte is the key factor leading to the temperature rise of battery, which provides a reference for the safety design of battery thermal runaway.
Lithium battery; Thermal abuse model; Thermal spread analysis; Temperature field;Fluent
10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.023.001
U469.72
A
1671-7988(2022)23-01-04
U469.72
A
1671-7988(2022)23-01-04
喬石杰（1997—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)檐囕v工程，E-mail:2138535872@qq.com。
王鐵（1969—），男，教授，研究方向?yàn)檐囕v工程，E-mail:wangtiesylg@126.com。
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喬石杰，王 鐵*
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為進(jìn)一步了解電池?zé)崾Э貎?nèi)部微觀機(jī)理，論文基于Fluent采用ECM-熱濫用模型相互耦合的方式，運(yùn)用數(shù)值模擬的方法研究了鋰電池在加熱濫用條件下電池?zé)崾Э芈蝇F(xiàn)象，分析了鋰電池?zé)崾Э芈訙囟葓?chǎng)、熱濫用反應(yīng)及產(chǎn)熱速率的變化。結(jié)果表明，電池?zé)崾Э販厣€變化趨勢(shì)一致，且正負(fù)極與電解質(zhì)的反應(yīng)是導(dǎo)致電池溫度升高的關(guān)鍵因素，為電池?zé)崾Э匕踩栽O(shè)計(jì)提供了參考。
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鋰電池?zé)崾Э丶盁崾Э芈右殉蔀樾履茉雌囶I(lǐng)域亟需解決的問題[1]，目前國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究，但研究大都針對(duì)單一的熱濫用模型開展。徐金龍等[2]基于鋰電池?zé)崾Э啬Ｐ停芯苛顺潆姳堵?、環(huán)境溫度和散熱條件對(duì)鋰離子電池?zé)崾Э氐挠绊?，LI等[3]對(duì)18650電池進(jìn)行了側(cè)加熱熱失控觸發(fā)實(shí)驗(yàn)，研究了電池荷電狀態(tài)（State Of Charge, SOC）、熱源功率及電池間距對(duì)鋰電池?zé)崾Э芈拥挠绊?。極少考慮多模式耦合下的情況，同時(shí)針對(duì)電池發(fā)生熱失控時(shí)電池內(nèi)部各組分分解機(jī)理少有研究，因此，本文采用等效電路模型（Equivalent Circuit Model, ECM）熱濫用模型相互耦合的的方式研究了加熱濫用條件下電池溫度、副反應(yīng)產(chǎn)熱及各組分歸一化濃度的變化。
1 模型描述
1.1 等效電路模型
選取Fluent電池模塊中的電化學(xué)模型，ECM模型計(jì)算量很小，求解效率很高，同時(shí)ECM等效電路中存在RC并聯(lián)電路，如圖1所示，其對(duì)負(fù)載劇烈變化工況的跟隨性較好。
圖1 等效電路圖
等效電路模型控制方程如下：
式中，U為開路電壓；為電池內(nèi)阻；1、1和2、2分別為電阻和電容；電池總電壓由式（1）計(jì)算表示；式（2）和式（3）分別為流經(jīng)RC電路的電流；電池容量由式（4）表示；初始設(shè)置為1，表明電池處于充滿的狀態(tài)，設(shè)置電池初始溫度為300 K，放電倍率設(shè)置為1 C。
1.2 熱模型
選取方形鋰離子電池為研究對(duì)象，模型參數(shù)如表1所示。
表1 鋰離子電池幾何參數(shù)
運(yùn)用基本傳熱表達(dá)式計(jì)算模型的溫度分布[4]
式中，是材料密度；C為比熱容；為熱傳導(dǎo)系數(shù)；同時(shí)式（5）也遵循能量守恒，等式左邊為電池總的產(chǎn)熱功率；q為電池單位體積產(chǎn)熱功率；其余三項(xiàng)分別為電池//三個(gè)方向上流入電池的熱量與流出電池?zé)崃康牟钪?。電池?zé)嵛镄詤?shù)如表2所示。
表2 熱物性參數(shù)
1.3 熱濫用模型
采用四方程模型根據(jù)熱失控過程中不同階段起主導(dǎo)作用的不同機(jī)理引入4組反應(yīng)方程，反應(yīng)速率以阿倫尼烏斯形式表示，控制方程如下。
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2 網(wǎng)格劃分
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圖2 模型網(wǎng)格示意圖
3 結(jié)果與討論
圖3為電池?zé)崾Э販厣€圖，從圖中可以看出，#2—#7電池溫度變化趨勢(shì)一致，峰值溫度約為1 150 K。#1電池與熱源直接接觸，隨著熱源不斷加熱，當(dāng)達(dá)到電池?zé)崾Э赜|發(fā)溫度時(shí)，電池溫度急劇上升。圖中電池在40 s左右溫度達(dá)到最大值，約為1 100 K，隨著自然對(duì)流冷卻，#1電池溫度逐漸下降之后溫度逐漸趨于平穩(wěn)，在接下來的時(shí)間里溫度逐漸蔓延至其他電池觸發(fā)其熱失控，在200 s左右所有電池都發(fā)生熱失控，之后溫度都趨于平穩(wěn)。整體所有電池溫度在前期都會(huì)有緩慢提升即熱量積累階段，之后突然上升即熱失控階段，可認(rèn)為拐點(diǎn)處即為電池發(fā)生熱失控的時(shí)刻。
圖4為電池各組分歸一化濃度變化情況，從圖中可以看出在前10 s各組分的濃度沒有明顯的改變，SEI膜從大約5 s的時(shí)候就開始分解，隨后正極與電解質(zhì)開始反應(yīng)，兩者相互促進(jìn)，加劇了負(fù)極與電解質(zhì)的反應(yīng)以及電解液自身的分解反應(yīng)，在40 s左右SEI膜分解完成，隨后正極與電解質(zhì)的反應(yīng)以及電解液自身的分解反應(yīng)結(jié)束，從圖中可以看到負(fù)極與電解質(zhì)的反應(yīng)并不完全。
圖3 電池?zé)崾Э販厣€
圖4 各組分歸一化濃度變化
圖5為副反應(yīng)產(chǎn)熱速率變化，1為SEI分解、2為正極與電解液反應(yīng)、3為負(fù)極與電解液反應(yīng)、4為電解液自身分解?？梢钥闯鯯EI分解與電解液自身分解產(chǎn)熱占比較小。正負(fù)極與電解液的反應(yīng)產(chǎn)熱是導(dǎo)致電池溫度急劇上升的主要因素，同時(shí)負(fù)極與電解質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)熱速率高于正極與電解質(zhì)的反應(yīng)產(chǎn)熱速率。
圖5 各副反應(yīng)產(chǎn)熱速率
4 結(jié)論
本文研究了加熱濫用條件下電池?zé)崾Э販囟确植技盁崾Э芈忧闆r，得出電池?zé)崾Э販厣€都存在三個(gè)階段，自產(chǎn)熱階段、熱失控階段及穩(wěn)定階段。對(duì)于歸一化濃度及產(chǎn)熱速率變化正極與電解液的反應(yīng)先于負(fù)極與電解液的反應(yīng)，且負(fù)極與電解液反應(yīng)產(chǎn)熱速率高于正極與電解液反應(yīng)產(chǎn)熱速率。上述結(jié)論從溫度分布、歸一化濃度及產(chǎn)熱速率三個(gè)方面，直觀地揭示了高溫濫用條件下電池?zé)崾Э丶盁崾Э芈拥奈⒂^機(jī)理，為進(jìn)一步設(shè)計(jì)研究電池?zé)崾Э胤雷o(hù)及熱蔓延抑制提供了借鑒意義。
[1] 胡玉財(cái),陸張浩,魏家靜,等.新能源汽車產(chǎn)業(yè)規(guī)劃2021—2035解讀[J].內(nèi)燃機(jī)與配件,2022(6):167-169.
[2] 許金龍,沈佳妮,王乾坤,等.基于鋰離子電池?zé)崾Э啬Ｐ偷碾姛狁詈蠟E用條件分析[J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù), 2021,10(4):1344-1352.
[3] LI H, CHEN H, ZHONG G, et al. Experimental Study on Thermal Runaway Risk of 18650 Lithium Ion Battery under Side-heating Condition[J].Journal of Loss Prevention in the Process Industries,2019,61: 122-129.
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Thermal Spread Analysis of Lithium Battery Based on Fluent Thermal Abuse Model
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( School of Automobile and Transportation, Shenyang Ligong University, Shenyang 110159, China )
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Lithium battery; Thermal abuse model; Thermal spread analysis; Temperature field;Fluent
10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.023.001
U469.72
A
1671-7988(2022)23-01-04
U469.72
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喬石杰（1997—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)檐囕v工程，E-mail:2138535872@qq.com。
王鐵（1969—），男，教授，研究方向?yàn)檐囕v工程，E-mail:wangtiesylg@126.com。
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