基于Fluent熱濫用模型鋰電池熱蔓延分析

喬石杰，王 鐵

基于Fluent熱濫用模型鋰電池熱蔓延分析

喬石杰，王 鐵*

（沈陽理工大學 汽車與交通學院，遼寧 沈陽 110159）

為進一步了解電池熱失控內部微觀機理，論文基于Fluent采用ECM-熱濫用模型相互耦合的方式，運用數值模擬的方法研究了鋰電池在加熱濫用條件下電池熱失控蔓延現象，分析了鋰電池熱失控蔓延溫度場、熱濫用反應及產熱速率的變化。結果表明，電池熱失控溫升曲線變化趨勢一致，且正負極與電解質的反應是導致電池溫度升高的關鍵因素，為電池熱失控安全性設計提供了參考。

鋰電池；熱濫用模型；熱蔓延分析；溫度場；Fluent

鋰電池熱失控及熱失控蔓延已成為新能源汽車領域亟需解決的問題[1]，目前國內外學者進行了大量研究，但研究大都針對單一的熱濫用模型開展。徐金龍等[2]基于鋰電池熱失控模型，研究了充電倍率、環境溫度和散熱條件對鋰離子電池熱失控的影響，LI等[3]對18650電池進行了側加熱熱失控觸發實驗，研究了電池荷電狀態（State Of Charge, SOC）、熱源功率及電池間距對鋰電池熱失控蔓延的影響。極少考慮多模式耦合下的情況，同時針對電池發生熱失控時電池內部各組分分解機理少有研究，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、副反應產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模型，ECM模型計算量很小，求解效率很高，同時ECM等效電路中存在RC并聯電路，如圖1所示，其對負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；為電池內阻；1、1和2、2分別為電阻和電容；電池總電壓由式（1）計算表示；式（2）和式（3）分別為流經RC電路的電流；電池容量由式（4）表示；初始設置為1，表明電池處于充滿的狀態，設置電池初始溫度為300 K，放電倍率設置為1 C。

1.2 熱模型

選取方形鋰離子電池為研究對象，模型參數如表1所示。

表1 鋰離子電池幾何參數

運用基本傳熱表達式計算模型的溫度分布[4]

式中，是材料密度；C為比熱容；為熱傳導系數；同時式（5）也遵循能量守恒，等式左邊為電池總的產熱功率；q為電池單位體積產熱功率；其余三項分別為電池//三個方向上流入電池的熱量與流出電池熱量的差值。電池熱物性參數如表2所示。

表2 熱物性參數

1.3 熱濫用模型

采用四方程模型根據熱失控過程中不同階段起主導作用的不同機理引入4組反應方程，反應速率以阿倫尼烏斯形式表示，控制方程如下。

（1）SEI分解

（2）負極與電解液反應

（3）正極與電解液反應

（4）電解液自身分解

四組副反應方程中、和分別為反應前指因子、活化能和反應級數；sei、sei、和分別為各個反應物組分分數的無量綱變量，其中csei、sei和e的值從1變化到0（1暫未開始反應，0反應結束），的值從0變化到1（0暫未開始反應，1反應結束）；sei為固體電解質界面（Solid Elec- trolyte Interface, SEI）膜厚度的無量綱參數；sei,ref為SEI膜的參考厚度；為溫度；為通用氣體常數；為反應熱（J/kg）；為介質中反應物的密度（kg/m3）；上述三種模型相互耦合作用組成了電池熱觸發熱失控模型，分別反映電池內部不同的組分。

2 網格劃分

采用Fluent Meshing對模型進行網格劃分。按照網格生成流程，添加局部尺寸控制，最小尺寸為0.3 mm，最大尺寸為4 mm，間隙處網格層數為3，最大面曲率為0.55<0.7，確保可以生成較好的體網格；選取多面體-六面體混合網格進行填充。熱觸發模型生成體網格數為1 114 561，如圖2所示，熱源功率為10 000 W。

圖2 模型網格示意圖

3 結果與討論

圖3為電池熱失控溫升曲線圖，從圖中可以看出，#2—#7電池溫度變化趨勢一致，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，當達到電池熱失控觸發溫度時，電池溫度急劇上升。圖中電池在40 s左右溫度達到最大值，約為1 100 K，隨著自然對流冷卻，#1電池溫度逐漸下降之后溫度逐漸趨于平穩，在接下來的時間里溫度逐漸蔓延至其他電池觸發其熱失控，在200 s左右所有電池都發生熱失控，之后溫度都趨于平穩。整體所有電池溫度在前期都會有緩慢提升即熱量積累階段，之后突然上升即熱失控階段，可認為拐點處即為電池發生熱失控的時刻。

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的時候就開始分解，隨后正極與電解質開始反應，兩者相互促進，加劇了負極與電解質的反應以及電解液自身的分解反應，在40 s左右SEI膜分解完成，隨后正極與電解質的反應以及電解液自身的分解反應結束，從圖中可以看到負極與電解質的反應并不完全。

圖3 電池熱失控溫升曲線

圖4 各組分歸一化濃度變化

圖5為副反應產熱速率變化，1為SEI分解、2為正極與電解液反應、3為負極與電解液反應、4為電解液自身分解。可以看出SEI分解與電解液自身分解產熱占比較小。正負極與電解液的反應產熱是導致電池溫度急劇上升的主要因素，同時負極與電解質反應產熱速率高于正極與電解質的反應產熱速率。

圖5 各副反應產熱速率

4 結論

本文研究了加熱濫用條件下電池熱失控溫度分布及熱失控蔓延情況，得出電池熱失控溫升曲線都存在三個階段，自產熱階段、熱失控階段及穩定階段。對于歸一化濃度及產熱速率變化正極與電解液的反應先于負極與電解液的反應，且負極與電解液反應產熱速率高于正極與電解液反應產熱速率。上述結論從溫度分布、歸一化濃度及產熱速率三個方面，直觀地揭示了高溫濫用條件下電池熱失控及熱失控蔓延的微觀機理，為進一步設計研究電池熱失控防護及熱蔓延抑制提供了借鑒意義。

[1] 胡玉財,陸張浩,魏家靜,等.新能源汽車產業規劃2021—2035解讀[J].內燃機與配件,2022(6):167-169.

[2] 許金龍,沈佳妮,王乾坤,等.基于鋰離子電池熱失控模型的電熱耦合濫用條件分析[J].儲能科學與技術, 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.鋰離子動力電池熱分析及優化[D].長沙:長沙理工大學,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，研究方向為車輛工程，E-mail:2138535872@qq.com。

王鐵（1969—），男，教授，研究方向為車輛工程，E-mail:wangtiesylg@126.com。