森林植保機用動力電池熱失控建模與試驗分析

摘 要：為探討某森林植保機用鋰離子電池自加熱式熱失控問題，首先探究電池單體的結構組成、各副反應的產(chǎn)熱機理，以及電池單體、端板、隔熱墊、箱體與環(huán)境之間的熱輻射、熱傳導和對流換熱3種傳熱方式。然后基于等效電路模型的熱失控建模方法，由電芯物性參數(shù)、副反應機理、放熱傳熱模型在AMEsim一維仿真軟件中建立280 Ah大容量電池模組的熱電特性模型，分析自加熱熱失控時的電池產(chǎn)熱傳熱特征以及模組內(nèi)熱失控蔓延的路徑，并進行仿真分析。最后并根據(jù)國標GB 38031—2020對該電池模組進行自加熱試驗，得到電芯溫度隨時間變化情況，并通過納米CT掃描，確認觸發(fā)電芯熱失控具體位置。對比分析仿真與試驗結果表明，建立的模型準確度高，性能可靠，電芯熱失控溫度最大誤差為11.3%，熱失控觸發(fā)時間最大誤差為4.2%，可為后續(xù)熱失控溫度預測和預防電池包熱擴散的安全性等電池熱管理方面的設計與開發(fā)提供技術參考。

關鍵詞：鋰離子電池； 自加熱； 熱失控； 熱電特性； 電池熱管理

中圖分類號：S773.8 文獻標識碼：A DOI：10.7525/j.issn.1006-8023.2024.05.012

Thermal Runaway Modeling and Experimental Analysis of Power Battery Used in Forest Plant Protection Machine

Abstract： In order to investigate the self-heating thermal runaway problem of ternary lithium-ion battery used in a certain forest plant protection machine， the structural composition of the battery cell， the heat generation mechanism of each side reaction and the three heat transfer modes of heat radiation， heat conduction and convective heat transfer between the battery cell， end plate， heat insulation pad， box body and the environment were first explored. Then based on the thermal runaway modeling method of the equivalent circuit model， the thermoelectric characteristic model of the 280 Ah large-capacity battery module was established in the Amesim one-dimensional simulation software by the physical parameters of the battery cell， the side reaction mechanism， and the exothermic heat transfer model.The heat transfer characteristics of the battery during self-heating thermal runaway and the path of thermal runaway propagation in the module were analyzed and simulated.Finally， according to the national standard GB 38031—2020， the self-heating experiment of the battery module was carried out to obtain the change of the cell temperature with time， and the specific position of the thermal runaway of the trigger cell was confirmed by CT scanning. The simulation and experimental results showed that the established model had high accuracy and reliable performance.The maximum error of the thermal runaway temperature of the cell was 11.3%， and the maximum error of the thermal runaway trigger time was 4.2%.It can provide technical reference for the design and development of battery thermal management， such as the prediction of thermal runaway temperature and the safety of preventing thermal diffusion of battery pack.

Keywords： Lithium-ion battery； self-heating； thermal runaway； thermoelectric properties； battery thermal management

0 引言

近年來，在“雙碳”和新能源大背景下，隨著環(huán)保要求的提高和能源結構的調(diào)整，林業(yè)機械由以傳統(tǒng)能源為動力向新能源轉(zhuǎn)化，目前已成為發(fā)展趨勢。鋰離子電池具有工作電壓高、比能量大、比功率大、放電電位曲線平穩(wěn)、自放電小、循環(huán)壽命長、低溫性能好和無污染等優(yōu)點，現(xiàn)已被廣泛用于林業(yè)機械。

林業(yè)木材運輸車輛不同于普通運輸車，設置有捆扎、裝卸等裝置，且行駛環(huán)境苛刻、載重量較大。因此，作為電動木材運輸車輛的動力源，鋰離子電池的性能直接影響著車輛的動力性、續(xù)航里程以及安全性?，F(xiàn)階段我國動力電池向著高能量密度、長續(xù)航方向迅速發(fā)展，鋰離子電池逐步成為市場主流。但隨之而來帶來的電池安全性問題逐步增多，其中熱失控現(xiàn)象受到了越來越多的關注。

國內(nèi)外學者已對車用鋰離子電池熱失控方面進行了相關研究。李宇等［1］通過模擬試驗剖析圓柱形磷酸鐵鋰電池針刺后的內(nèi)部結構，結合理論分析探究針刺熱失控產(chǎn)熱機理；張明軒等［2］、孔德全等［3］對某型25 Ah鋰離子電池進行了建模和針刺試驗；宋來豐等［4］對280 Ah磷酸鐵鋰電池進行了絕熱環(huán)境下的熱失控試驗，得到了該電池在熱失控全過程中的表面溫度變化和電壓變化曲線與電池自產(chǎn)熱階段的動力學參數(shù)。Liu等［5］研究了大型磷酸鐵鋰電池在不同荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC）下的熱失控特征和火焰行為，結果發(fā)現(xiàn)隨著SOC的增加，電池的熱失控行為更加嚴重，產(chǎn)熱量更多。An等［6］通過COMSOL仿真與試驗結果對比研究得出了不同導熱系數(shù)、電芯厚度、放電倍率對磷酸鐵鋰電池熱擴散過程的影響；Gao等［7］通過仿真建模和外加熱試驗的方式探究了某大型并聯(lián)三元鋰電池熱失控機理及傳播過程；湯秀芬等［8］研究了后備電源用鋰離子電池的不同閾值電壓的均衡控制策略，確保后備電源給設備提供穩(wěn)定的電能；黃瑞等［9］對不同換熱環(huán)境對電池性能影響進行了試驗，探究了不同換熱環(huán)境下的電池性能變化規(guī)律；Liu等［10］探究了過充引起的電池熱失控機理及一種消除熱失控的方法；許國澤［11］研究復合激光輻照對太陽能光伏電池特性的影響，提出復合激光輻照可提升太陽能光伏電池輸出電功率。從現(xiàn)有研究可以看出，對鋰電池熱失控的建模與試驗都是以圓柱磷酸鐵鋰、小容量的三元鋰電池等比能量、比功率小和安全穩(wěn)定性強來進行研究，且研究內(nèi)容以電濫用為主，涉及大容量電池熱濫用相關熱失控研究較少。常見電池熱失控有過充和過熱2種形式，對比而言，過充所引發(fā)的熱失控完全可以通過電池熱管理系統(tǒng)（Battery Thermal Management System，BTMS）限功率和熱管理策略來預防和規(guī)避，自加熱熱失控工況更符合電動林業(yè)機械電池在夏天高溫觸發(fā)熱失控的實際情況，具有更大研究價值。

本研究針對以上問題，采用了適合某型電動木材運輸車輛的280 Ah大容量電池模組，相比于磷酸鐵鋰電池其電壓平臺高，在相同體積或重量下電池比能量大、比功率大，更符合木材運輸車輛等林業(yè)機械對續(xù)航里程和動力性的實際需求，但缺點是不耐高溫、穩(wěn)定性差。利用AMEsim搭建鋰電池熱失控模型，對電池的性能模型直接與電池熱失控系統(tǒng)耦合，因此，電池熱失控系統(tǒng)的熱量邊界來自于性能模型的實際計算，而電池可以獲得更準確的溫度邊界輸入。本研究分析了自加熱熱失控時的電池產(chǎn)熱傳熱特征以及模組內(nèi)熱失控蔓延的路徑，基于等效電路模型的熱失控建模方法，利用AMEsim可以有效模擬所設計系統(tǒng)的準確性。

1 熱失控副反應理論計算與仿真參數(shù)獲取

1.1 鋰離子電池參數(shù)

本研究采用電芯容量為280 Ah的鋰離子電池，其樣品電池物理參數(shù)如圖1和表1所示。在對電池進行熱仿真過程中，除了電芯的熱物性及尺寸參數(shù)外，一維建模的過程中還需要考慮電芯與其他部件以及與環(huán)境之間的熱交換，所以要根據(jù)不同電池包的具體結構，統(tǒng)計導熱材料、端板和側板等其他零件的熱物性參數(shù)。

1.2 鋰離子電池熱失控過程副反應

鋰離子電池主要有以下副反應：SEI膜分解、陰極-電解質(zhì)反應、陽極-電解質(zhì)反應和電解質(zhì)分解。SEI膜分解一般發(fā)生在陽極和電解質(zhì)之間，發(fā)生溫度為80～120 ℃，具體公式為［12］

式中：Qsei為單位體積的放熱功率；為該反應的單位放熱量，J/g；為碳的含量，g/m3；和為SEI模反應參數(shù)，s-1；為卷層碳成分中SEI膜中亞穩(wěn)態(tài)鋰含量無量綱數(shù)；為的反應級數(shù)；R為氣體常數(shù)，取值8.314 J/（mol·K）；T為電芯溫度，K；為SEI分解活化能，J/mol。

嵌入在負極材料中的鋰與電解液發(fā)生反應，發(fā)生溫度為120 ℃，其放熱方程［12］為

式中：和為負極分解反應參數(shù)；s-1；、分別為SEI膜厚度的無量綱測量數(shù)和初始值，反映了SEI中的鋰含量；為卷層碳成分中SEI膜中負極亞穩(wěn)態(tài)鋰無量綱數(shù)；為的反應級數(shù)；為負極分解反應活化能，J/mol。

正極活性物質(zhì)與電解液發(fā)生反應，發(fā)生溫度為200 ℃左右，其放熱方程［12］為

式中：和為正極分解反應參數(shù)，s-1；為正極轉(zhuǎn)化率；為卷層碳成分中SEI膜中正極亞穩(wěn)態(tài)鋰含量無量綱數(shù)；為正極分解反應活化能，J/mol；和分別為和（）對應的反應級數(shù)。

電解液分解使得整個熱失控進程迅速推進，其放熱方程［12］為

式中：為分解反應參數(shù)，s-1；為電解液的無量 綱數(shù)；為的反應級數(shù)；為電解質(zhì)分解活化能，J/mol。

1.3 熱擴散過程中的3種傳熱方式

熱傳導：電芯與電芯之間，電芯與針刺工裝壁面均為接觸熱導（），傳熱公式為

式中：為導熱系數(shù)，W/（m·k）；D為接觸面積，m2；dist1、dist2分別是電芯和工裝的厚度，m；為電芯與工裝之間的溫差，K；為接觸熱阻，（m2·K）/W。

熱輻射：當熱失控使電芯溫度上升到一定程度時，電芯間熱輻射（）的影響不可忽視，其公式為

式中：為物體的發(fā)射率；為輻射面積，m2；為黑體輻射常數(shù)，值為5.67×10-8 W/（m2·K4）；、分別為電芯和工裝的溫度，K。

對流換熱：電池模組封裝在處于密閉的電池包中，且并未開啟冷卻系統(tǒng)，對流換熱的對電芯熱失控影響可以忽略不計。

2 自發(fā)熱熱失控AMEsim一維模型搭建

搭建電池AMEsim熱失控模型涉及到熱電耦合，首先需要其內(nèi)置的電池辨識工具利用混合脈沖功率特性（Hybrid Pulse Power Characterization，HPPC）測試電池數(shù)據(jù)，對該電池進行辨識，故該辨識結果誤差較小，得到電芯的內(nèi)阻R與開路電壓（Open-Circuit Voltage，OCV）結果曲線如圖2所示。

本模型以試驗電池包中的熱失控模組為對象，考慮其結構特征及內(nèi)部電芯之間的傳熱方式，探究其自加熱熱失控時各電芯的溫度變化情況。AMEsim有自帶的電池模塊，內(nèi)置了與電池的熱電化學性能相關的變量及參數(shù)，其中電池內(nèi)部副反應所涉及到的參數(shù)見表2。

每個單體建模由電特性模型和熱特性模型耦合組成，電芯單體之間銅busbar，以及與隔熱墊之間的傳熱方式是熱傳導，相鄰電芯間、電池與墻體間存在熱輻射。為了單獨處理每個單體的熱交換和表征空間中溫度分布的不均勻性，模組的模型被設計為16個墻體的裝配體，每個墻體都與外部環(huán)境熱對流換熱，2個相鄰墻體傳熱為熱傳導，箱體材質(zhì)為鋁。電芯單體與電池包上下蓋之間并不直接接觸，故忽略其之間的熱傳導，模型如圖3所示。

圖4（a）為電芯溫度隨時間變化的仿真曲線，其中，第1顆電芯觸發(fā)熱失控時間為422 s，此時電芯溫度125.6 ℃，12 s后迅速達到最高溫度633.2 ℃；第2顆電芯熱失控時間為644 s，此時電芯溫度120.1 ℃，4 s后達到最高溫度614.4 ℃；第3顆電芯熱失控時間為855 s，此時電芯溫度122.4 ℃，6 s后達到最高溫度611 ℃；第4顆電芯熱失控時間為1 075 s，此時電芯溫度127.2 ℃，7 s后達到最高溫度590.1 ℃。

以電芯1溫升曲線為例說明各個副反應階段，如圖4（b）所示。SEI膜分解過程發(fā)生在378～422 s，此階段溫升上升相對緩慢，而420 s溫度突然上升；鋰與電解液反應發(fā)生在423～428 s；正極活性物質(zhì)與電解液反應發(fā)生在428～431 s，下一秒熱失控迅速推進，溫升速率達到最大。

圖5為各電芯溫升速率曲線，4個電芯均在各自熱失控的觸發(fā)時刻超過3 s后達到最大溫升速率，其中，第1個電芯在432 s時溫升速率最大為359.4 ℃/s，第2個電芯在644 s時溫升速率最大為448.4 ℃/s，第3個電芯在855 s時溫升速率最大為401.1 ℃/s，第4個電芯在1 075 s時溫升速率最大為414.74 ℃/s。其余時刻均保持一致，且接近0。由文獻［19］可知，本研究數(shù)據(jù)符合GB 38031—2020［19］“溫升速率大于1 ℃/s且持續(xù)3 s以上判定為熱失控觸發(fā)”條件。

3 自發(fā)熱熱失控試驗

3.1 試驗準備

試驗所需設備及器材有觸發(fā)模組、溫度采樣線、電壓采樣線、多路式數(shù)字采集儀、U盤、紅外攝像儀、高清防爆攝像儀、12 V直流穩(wěn)壓電源、測試電腦和CAN通訊設備。

試驗要求：加熱板和溫感線用鐵氟龍粘好固定；輸出極需要完整無損；可以根據(jù)成組需要，改變氣凝膠數(shù)量，保證模組預緊力在1 000～5 000 N；模組裝配后，測試加熱板阻值是否在50～500 Ω；加熱板與端板間加1～2 mm隔熱墊；加熱板電導線兩端口絕緣并引出模組外。自加熱試驗采用加熱板對電芯大面進行加熱，加熱板貼合在電芯大面上且尺寸一致，加熱片內(nèi)部為電阻絲，外部包覆藍膜。加熱板及試驗模組如圖6所示。

在試驗設備均準備就緒后，要確定加熱板的加熱功率，根據(jù)GB 38031—2020附錄C，見表3，280 Ah電池包自加熱試驗加熱板功率選擇為500 W。

試驗熱擴散布點如圖7所示，觸發(fā)模組上一共布置了4根溫度采樣線，標記為T1—T4，試驗前溫感線需要進行溫度校準，試驗結束后對存儲在數(shù)據(jù)采集儀中的溫度數(shù)據(jù)進行分析來判斷熱失控的發(fā)生以及熱蔓延情況。本試驗采用的電池包由24個電芯模組組成，每個電芯模組中有4個280 Ah的電芯串聯(lián)在一起，試驗前將電池包中電芯SOC充至95%以上。

3.2 試驗現(xiàn)象

自加熱試驗開始，需要先將采樣線接至數(shù)采儀上并確認連接狀態(tài)；調(diào)整試驗開始時間；接通加熱片開始加熱；關注數(shù)采儀上觸發(fā)電芯防爆閥口溫度，當溫度跳變至200 ℃以上［19］時確認發(fā)生熱失控，斷開加熱片電源。試驗過程中，在加熱片的作用下，一段時間后防爆閥噴閥并冒出白煙，模組內(nèi)電芯熱失控后發(fā)生爆炸。

圖8為電芯溫度變化隨時間變化的曲線，試驗環(huán)境溫度為26.5 ℃，由此曲線能判斷熱失控觸發(fā)的時間及各電芯內(nèi)部副反應的持續(xù)時間。4顆電芯溫度均從環(huán)境溫度26.5 ℃開始逐個上升，第1顆電芯觸發(fā)熱失控時間為436 s，觸發(fā)熱失控后在10 s內(nèi)迅速達到最高溫度713.9 ℃；第2顆電芯熱失控時間為661 s，15 s后達到最高溫度632.8 ℃；第3顆電芯熱失控時間為883 s，13 s后達到最高溫度590.9 ℃；第4顆電芯熱失控時間為1 122 s，6 s后達到最高溫度614.7 ℃。由圖8也可看出，后一個電芯發(fā)生熱失控時產(chǎn)生的高溫會導致前面電芯溫度上升，但是對前面電芯熱失控沒有影響。

3.3 試驗結果

試驗后要進行拆包觀察上蓋、電芯、防火隔熱墊、防爆閥損毀情況，拆包結果如圖9所示。其中，圖9（a）電池包有臌脹，但是結構完整；圖9（b）根據(jù)噴射痕跡判斷，防爆閥存在泄壓泄氣，內(nèi)部有煙霧噴出；圖9（c）打開電池包觸發(fā)模組第1顆電芯發(fā)生熱失控，防爆閥已經(jīng)打開；圖9（d）檢查熱失控電芯正上方隔熱墊發(fā)現(xiàn)第1層被破壞，余下結構完整；圖9（e）測量熱失控電芯電壓，發(fā)現(xiàn)已無電壓；圖9（f）測量熱失控位置相鄰模組電芯電壓，發(fā)現(xiàn)相鄰電芯仍有電壓。

通過CT掃描確認觸發(fā)電芯熱失控的具體位置為電芯防爆閥下方約三分之一深度且靠近端板處；觸發(fā)電芯發(fā)生熱失控，而且拆解發(fā)現(xiàn)靠近電芯2的大面中間鋁殼已經(jīng)被燒蝕產(chǎn)生約20 mm×15 mm 的熔洞，電芯2也發(fā)生熱失控，觸發(fā)電芯靠近第2顆電芯一側大面中間鋁殼燒穿。其他位置除防爆 閥破裂外鋁殼體完整；觸發(fā)電芯卷芯1靠近端板 側破損，防爆閥下2號、3號卷芯極片被破壞并已 噴射出電芯。卷芯破損情況為：卷芯1正面向上發(fā)射狀破損，背面有5～6層銅箔，試驗后仍完整；卷芯2防爆閥下極片噴射出電芯，試驗后破損嚴重；卷芯3試驗后狀態(tài)同卷芯2。電芯熱失控情況如圖10所示。

4 仿真與試驗結果對比

綜合上述仿真與試驗得到圖11的對比數(shù)據(jù)， 4個電芯熱失控最高溫度誤差分別為11.3%、3.0%、1.7%和4.0%，熱失控觸發(fā)時間誤差分別為3.2%、2.4%、3.2%和4.2%。

對比Amesim一維仿真結果和280 Ah模組自加熱熱失控試驗結果如下。

1）仿真結果中每個電芯的最高溫度總小于試驗最高溫度，且最高溫度出現(xiàn)的時間點有差異?？赡艿脑颍阂皇窃囼炛须娦颈ǖ倪^程Amesim一維模型無法表征，爆炸后產(chǎn)生明火和高溫氣體，此時電芯在電池包內(nèi)與環(huán)境的熱交換無法計算；二是仿真模型中熱失控副反應使用的大部分參數(shù)直接取自于Amesim參考案例，Amesim對于280 Ah大容量的電池電化學簡化模型有待優(yōu)化。如電芯正負極之間的隔膜材料，簡化其失效過程會造成最高溫度出現(xiàn)時間的差異；隔膜被高溫融穿導致正負極發(fā)生短路，釋放大量的熱，從而引發(fā)鋰離子電池的熱失控，但這個過程不是瞬間發(fā)生的，不同電芯隔膜失效時間也不一致，所以導致最高溫度出現(xiàn)時間不一致。

2）試驗過程中存在溫度超過200 ℃還未發(fā)生熱失控的情況，可能是試驗中測得的溫度數(shù)據(jù)是電芯表面busbar的溫度而非電芯內(nèi)部溫度，而仿真將電芯等效為一個熱質(zhì)量塊，其結果表征的是電芯的平均溫度。

3）仿真和試驗數(shù)據(jù)在末端誤差較大。一維仿真所采用的電池模塊只能定性地表征熱特性和擬合內(nèi)部各種副反應，而試驗過程中電芯爆炸噴閥的物質(zhì)、方向以及隔膜短路的方式都不可控，這些因素在試驗后期疊加對反應程度和溫度變化趨勢影響較大。

4）與仿真相比，試驗中距離觸發(fā)電芯1距離更近的電芯3的最高溫度比電芯4的最高溫度低，可能原因是試驗為節(jié)省成本，用來試驗的電芯模組不是100%壽命，無法實現(xiàn)與仿真模型吻合度較高的仿真效果。

5）與仿真相比，試驗過程中出現(xiàn)在熱失控時刻電芯溫度劇烈下降的情況?？赡茉蚴请娦痉辣y噴閥導致熱敏電阻阻值變化，造成了數(shù)據(jù)采集儀讀取溫度數(shù)據(jù)的不準確。

5 結論

通過對某林業(yè)機械用280 Ah大容量電芯模組自加熱熱失控試驗，依據(jù)電芯物性參數(shù)、副反應機理、放熱傳熱模型在Amesim電池庫參數(shù)辨識的基礎上搭建了一維電芯模組自加熱熱失控仿真模型，將自加熱試驗結果與仿真模型進行對比，得到了較為精確的仿真結果，并得出如下結論。

1）對于每個電芯而言，發(fā)生熱失控后溫度均先上升到一個最高溫度，然后溫度下降至維持一個穩(wěn)定溫度；電芯發(fā)生熱失控時會使相鄰電芯溫度升高，距離熱失控電芯越近，電芯升溫越快，其最高溫度也越高；電芯發(fā)生熱失控的時間間隔越來越短，這是前面電芯熱失控后熱量累積的效應。

2）電芯熱失控溫度最大誤差為11.3%，熱失控觸發(fā)時間最大誤差為4.2%，故一維模型可以近似表征自加熱熱失控試驗過程。更精確的副反應參數(shù)可以提高電熱耦合模型的準確性，在后續(xù)試驗樣本數(shù)充足后，精準的熱失控一維模型能夠為后續(xù)電池組熱管理設計提供可靠依據(jù)，進一步探究使電芯不發(fā)生熱失控擴展的最小熱功率為電池熱管理系統(tǒng)的搭建提供參考。

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