電動汽車鋰離子電池生熱及熱失控仿真設計方法

辛明華

（中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300）

引言

鋰離子動力電池是電動汽車的重要車載能源，其生熱及熱失控特性直接影響整車的性能和安全，研究動力電池的生熱及熱失控特性有助于更加精準地設計電池熱管理系統，使電動汽車鋰離子電池在合理溫度范圍內工作，并在熱失控發生前做出預警，對整車安全具有十分重大的意義。

1 鋰離子電池生熱及熱失控機理

1.1 電池生熱機理

鋰離子動力電池單體電池外殼、極耳、正極、負極、隔膜、電解液等構成。充電/放電過程中，隨著電池電化學反應的進行及鋰離子的嵌入與脫出，電池內部發生著放熱與吸熱，產生熱量主要由四部分組成：可逆反應熱，歐姆內阻的焦耳熱，極化熱和副反應熱，如以下公式：

Qt：鋰離子電池生熱量。

Qr：可逆反應熱，是指鋰離子電池在充放電過程發生可逆電化學反應所產生的焓變熱，取值可正可負。一般情況下，在電池充電過程取值為負，對應于吸熱過程；而在電池放電過程取值為正，對應于放熱過程。

Qj：由于歐姆內阻產生的熱量。電池內部各組成材料的電阻表現為對鋰離子輸運的阻礙作用。在此過程中，這部分熱量都為正值，是不可逆反應熱。

Qp：極化熱，當電池的電極表面發生極化現象，在有電流通過時，電池的平均端電壓與開路電壓不一致，由這部分壓降所產生的熱量就是極化熱。極化熱主要與電流，環境溫度，電池類型等相關，而且在充放電末期的時候，將產生大量的極化熱。

Qs：副反應熱。鋰離子電池內部溫度達到一定的值（80℃以上）后，由于熱量不能及時地散發出去，電池材料會發生一系列的分解放熱反應。

1.2 電池熱失控機理

電池在首次循環充放電過程會產生一層致密的固體電解液界面膜，即SEI膜。SEI膜是存在于負極材料與電解液之間，主要起到保護負極材料的作用，相當于鈍化膜，避免負極與電解液發生化學反應。鋰離子電池正常工作時，SEI膜處于亞穩定狀態，其生成和分解都是可逆的。SEI膜對溫度的要求非常嚴格，當溫度超出其可逆分解的溫度，SEI膜分解后不再生成，SEI膜越來越少，同時SEI膜分解釋放的熱量進一步加劇自身的分解。負極由于失去了SEI膜的保護，與電解液發生反應，釋放熱量，導致電池內部溫度持續升高，如果此時電池包的熱管理系統不能及時將溫度降下來，電池由于溫度的大幅升高，可能引發正極材料與電解液發生化學反應以及電解液的分解。更為嚴重的，隔膜也可能會由于溫度升高發生收縮熔融破裂，造成內部短路，電池外部表現為鼓脹、漏液、產氣、起火、爆炸等現象。當電池發生熱失控時，內部化學反應產生熱量Qs可由以下公式計算：

Qsei：SEI膜分解產生的熱量；

Qneg：負極與電解液發生反應產生的熱量；

Qpos：正極材料和電解液發生反應所產生熱量；

Qele：電解液分解所產生的熱量。

2 生熱及熱失控仿真分析流程

2.1 建立電池一維電化學模型

鋰離子電池電芯內部為正極集流體，多孔正極活性物質、隔膜、多孔負極活性物質、負極集流體5層材料依次疊起，再卷繞多次封裝而成。由于電池電芯內部有很多個基本的重復單元，所以一維電化學生熱模型選取了上述5層材料為電芯一個完整的反應單元，忽略其參與反應的面積尺寸，只計量厚度，簡化為以為模型。模型建立之后，運用多物理場仿真軟件COMSOL Multiphysics，輸入尺寸參數和材料特性參數，比如材料厚度、固相電導率、固相/液相體積分數、固相/液相插層擴散系數、比熱容、密度、導熱率等。

2.2 建立電池三維傳熱模型

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

圖1 鋰離子電芯內部重復單元示意

圖2 三維模型建立流程

2.3 一維電化學模型和三維模型耦合

鋰離子電池的溫度場直接影響著內部化學反應速率、離子擴散速率等參數，所以由三維模型計算得出瞬態溫度場取平均值后與一維電化學模型耦合，作為一維電化學模型溫度變量的輸入值。一方面，電池內部由微米級的薄層單元構成，可以假設5層構成的單元處于相同環境溫度，溫度值來源于三維模型求解得到的瞬態溫度場平均值；另一方面，在正常充放電情況下，電池溫度變化不大，整個單體處于較低溫度，電化學反應受溫度變化的影響較小，所以在描述電池電化學反應時，可以假設電池內部法相方向上各個重復單元也同樣處于相同的溫度下。同樣，由一維模型計算得出的電池在充放電條件下內部電化學反應產熱與三維模型耦合，作為三維模型的輸入條件，得到三維電池模型的瞬態溫度分布。簡單來講，根據電池內各組分的參數及組成比例，通過數學加權的方法可求算出電池的平均熱導率、平均比熱容及平均密度作為模擬過程中電池模型的物性常數，再通過電池發熱求算公式，計算出各放電電流下電池內的單位體積發熱功率。結合準確的電池單體能量方程、初始條件及溫度條件，便可實現對電池單體內溫度分布的模擬求解。

圖3 一維模型與三維模型計算耦合

2.4 條件設置與結果分析

（1）正常充放電工況

正常工況模型用于仿真計算電池在充放電循環過程中和車載工況下的溫度，電壓和鋰離子濃度變化。計算結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程中電化學反應影響，導致電池的溫度在充/放電過程會有一個小幅度的波動，但是整體表現為電池溫度上升。

（2）熱失控工況

在現實生活中，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，會引發電池內部一系列放熱副反應，如果熱量不能及時地散發出去，電池材料會發生一系列的分解放熱反應，也就熱失控產熱部分Qs。運用COMSOL Multiphysics軟件可以設置環境溫度或短路條件，模擬標準的電池熱箱試驗或者針刺試驗。由計算結果中正極、負極、電解液、SEI膜離子濃度以及溫度變化，可以分析得出熱失控熱量聚集過程，為配置冷卻系統提供依據。

3 結論

與實際情況相符的電池生熱仿真可以提高電動汽車電池系統性能和壽命周期，對于提升電動汽車的安全性具有十分重要的意義。通過建立鋰離子電池生熱模型和仿真計算，可以測試不同配置的電池熱管理系統，優化電池熱管理系統設計，縮短設計周期，節約設計成本。