基于Comsol 鋰離子模組熱失控及散熱模型仿真

郭艾雯， 邢志祥， 施雅琴， 祁龍泰， 謝瑞卿

（常州大學安全科學與工程學院，江蘇 常州 213164）

0 引言

隨著環境污染和資源短缺問題的日益嚴重，我國逐漸由單一煤炭結構過渡到煤炭-新能源優化組合結構，推動新能源行業發展是未來必然趨勢。鋰離子電池具有能量密度高、循環壽命長及利用性強等優點，已成為新能源發展方向之一［1］。鋰離子電池被廣泛應用于新能源汽車領域，其爆炸和火災事故層出不窮［2］。復雜的外部環境以及內部動態化學反應過程，導致鋰離子電池內部易發生短路，進一步引發化學副反應在空間、時間上重疊交叉，瞬間釋放大量熱量，發生熱失控。因此，提高鋰離子電池安全性極為重要［3］。造成熱失控現象的主要原因有：

（1）電池內部的不可控熱量［4］。

（2）隔膜被穿透，正負極相連形成短路［5］。

（3）電池處于過放過充條件下，內部發生的一系列化學反應［6］。

（4）在熱濫用條件下，電池局部溫度過高［7］。

（5）在機械濫用條件下，電池內應力發生變化，導致短路［8］。

目前學者主要以實驗或仿真手段探究鋰離子電池熱失控的原因。為探究熱失控的內部影響因素。楊夢華等［9］利用實驗與Comsol 對18650 電池的熱失控進行對比，發現對流傳熱系數、初始溫度對熱失控有影響。詹世東等［10］又利用Fluent 對電池單體失效進行分析，發現放電倍率也會影響熱失控過程。為驗證仿真模擬的可靠性，齊創等［11］通過對比實驗與仿真熱失控前后的電池單體質量及溫度變化，發現兩者誤差僅為6%。與實驗相比，仿真既節省了大量人力和時間成本，又能準確描述電池內部化學動態過程，有利于做內部熱失控機制研究［12］。

針對電池熱失控問題，學者們開展了一系列減緩失控的措施研究。齊創等［13］通過改變隔熱材料尋找最優散熱途徑，發現在模組的主要散熱途徑上增加隔熱措施會延遲熱失控時間。董小平等［14］利用ANSYS軟件證明了電池模組進風口的位置、形狀、方向均會影響18650 電池的散熱量大小。羅昭順等［15］基于ANSYS軟件對圓柱形三元鋰離子電池設計了一種雙層相變結構以增強鋰電池的散熱能力。

總結上述研究，圓柱形鋰離子電池是常用電池模組的熱失控及防控仿真研究的對象，并常以模組或者電池包的形式存于新能源汽車與電站中。考慮鋰離子電池實際應用，本文以三元軟包電池模組為研究對象，利用Comsol 有限元軟件建立電化學-熱耦合模型，并進行熱失控及散熱分析。

1 熱失控原理

1.1 熱失控機理

本文利用Comsol 電化學模塊與傳熱模塊對鋰離子電池模組進行仿真模擬分析。該模型遵守熱量平衡定理，電池總產熱量等于電池本身吸收量和散熱量之和，即電池的溫度是由電池產生的熱量和消耗的熱量之間的熱平衡決定。

當放熱量大于散熱量，電池單體溫度快速升高，若散熱不及時，內部熱量累積，加劇溫度上升速率，最終導致熱失控；當放熱量小于散熱量，即無熱量累積與升溫，電池單體不發生熱失控［16］。

鋰離子電池在工作過程中內部發生復雜的化學反應，產生大量的熱能，有極化熱、焦耳熱、化學反應熱和化學副反應熱等，其總熱量

式中：Qr為反應熱，J；QΩ為焦耳熱，J；Qj為極化熱，J；Qrec為副反應熱，J；n為電池單體數量；m為正負電極質量，g；I為充、放電電流，A；M為摩爾質量，g／mol；F為法拉第常數，96 484.5 C／mol；R為內阻，Ω。

周知，散熱方式主要有3 種：熱傳導、熱對流和熱輻射。本文中不考慮熱輻射。

熱傳導是指相互接觸的物體存在溫差，熱量從溫度高的物體傳向低的物體，其熱流率

式中：dT／dx為溫度梯度，K／m；A為導熱面積，m2；λ為導熱系數，W／（m·K）。

熱對流是指流體內部質點發生相對位移的熱量傳遞過程，其熱流率

式中：ts、tf分別為固體表面溫度和流體溫度，K；h為對流換熱系數，W／（m2·K）。對流換熱系數越大，傳熱越劇烈。

上述兩種散熱方式均遵循能量守恒定律，代入式（1）得到電池單體能量守恒表達式

式中：ρ為物體密度，kg／m3；Cp為比熱容，J／（kg·K）；Qheat為來自外部的熱通量，J。

1.2 電化學-熱耦合模型

在電化學-熱耦合模型中，本文選用集總模型和傳熱模型，電極中的傳輸和反應過程可以用集總擴散-反應方程式來描述，即單粒子模型，與傳統分析模型相比，該模型考慮了電荷轉移和歐姆損耗，保證計算的準確性；但忽略了電解液濃度變化，計算量相對減少很多，電池單體電勢

式中：Eocv為平均電荷狀態下的開路電壓，V；ηIR為歐姆過電位，V；ηIR，1C為1C初始電荷狀態下的歐姆極化過電位，V；Icell為電池運行狀態下的電流，A；I1C為初始電流，A；R為氣體通用常數，8. 314 462 1 J／（mol·K）；ηact為活化過電位，V；J0'1C為1C 電荷狀態下的交換電流密度，A／m2；h為普朗克常熟，6.626 069 57e-34J·s；ηconc為濃度過電位，V；k為化學反應速率，mol／（L·s）；A為前因子；Ea為反應活化能，kJ／mol。

2 模型構建

2.1 幾何模型構建

利用Comsol軟件建立三元軟包鋰離子電池單體及模組，鋰離子電池單體三維模型如圖1 所示，該電池單體的尺寸為161 mm ×231 mm ×9.9 mm，正負極端子的尺寸為4.9 mm ×2.6 mm ×45 mm。具體電池材料參數見表1。并將8 個電池單體串聯成模組，對其進行編號1 ～8。

圖1 電池單體尺寸

2.2 熱失控模型構建

將電池模組擱置在塑料材質的模組箱內，外部是自然空氣對流，內部是封閉空氣域，用以模擬電池熱失控時空氣對流換熱現象。以10C 倍率對電池模組進行放電，觀察中間位置和邊緣位置電池單體發生熱失控時，對其他模組位置的溫度和電壓大小的影響。改變對流風速大小，觀測其對模組溫度變化的影響，模組熱失控三維模型如圖2 所示。

圖2 模組三維模型

對模組進行熱失控仿真，做如下假設：

（1）電池單體各部分材質均勻且相同，導熱系數各向同性。

（2）電池熱失控放熱反應忽略了內部化學副反應熱。

（3）不考慮電池熱輻射。

（4）熱對流考慮自然空氣對流和強制對流。

（5）環境溫度和電池初始溫度均設為20 ℃。

3 實驗仿真分析

3.1 電池單體熱失控行為特征變化

本實驗采用以10C 倍率對電池進行放電，直至電池發生熱失控，并設置電池模組及周圍環境初始溫度均為20 ℃，如圖3 所示，4 號電池發生熱失控后行為特征變化。由圖3 可見，4 號電池電壓整體呈下降、溫度呈上升趨勢。在前90 s，4 號電池勻速放電，電壓先突降至3.9 V，后穩定在3.9 V基本保持不變，溫度受電流影響緩慢升高。在90 ～120 s 期間，電池電壓迅速下降至1.3 V，電池內部發生化學反應，并對外放熱，溫度迅速上升。在120 ～160 s 期間，電壓基本保持在1.3 V，而溫度持續升溫。在160 ～170 s期間，由于4 號電池的部分熱量擴散至其他電池，溫度有小幅度下降。160 s之后電池模組生的熱量大于散熱量，熱量積累，溫度緩慢增加。

圖3 4號電池熱失控行為特征變化

3.2 中間位置單體熱失控對模組的影響

如圖4 所示，4 號電池發生熱失控時對周圍其他電池單體溫度變化的影響，圖5 為電池模組隨時間變化的空間溫度分布。由圖4、5 可見，1 ～8 號電池溫度整體呈上升趨勢，原因是電池產生的熱量大于散熱量，熱量積累，溫度持續上升。（該過程只考慮電池之間的熱傳導，模組箱內空氣對流速度為0 m／s）在前70s，電池模組均以10C 倍率進行放電，放電過程中緩慢釋放熱量。在70 ～160 s期間，4 號電池突然短路，較其他電池放出的熱量多，導致溫度較高，約200 ℃。另一方面，4 號電池以熱傳遞的方式向周圍電池擴散熱量，其在160 ～180 s期間，溫度呈小幅度下降趨勢，同時把熱量依次傳遞至3、5 和2、6 和1、7-8 號電池，所以電池模組溫度由中間向兩邊遞減。在180 s之后，4號電池只以熱傳導方式傳遞給其他電池，導致熱量堆積，熱量無法及時擴散，1 ～8 號電池溫度均緩慢增長。

圖4 中間位置電池單體熱失控擴散對模組溫度的影響

圖5 不同時間的電池模組溫度分布云圖

3.3 邊緣位置單體熱失控對模組的影響

如圖6 所示，8 號電池發生熱失控時對周圍電池溫度變化的影響，圖7 為電池模組隨時間變化的空間溫度分布圖。由圖6、7 可見，1 ～8 號電池溫度整體呈上升趨勢。在前60 s，1 ～8 號電池均以10C倍率進行放電，電池溫度緩慢上升。在60 ～160 s 期間，8 號電池內部短路，溫度迅速上升至256 ℃，并通過熱傳遞至7 ～1 號電池，消耗部分熱量，在160 ～190 s期間，溫度下降至220 ℃，在熱傳遞過程中熱量逐漸減少，所以8 ～1 號電池溫度逐漸下降。在190 s以后，熱量堆積在電池模組內部，溫度緩慢升高。

圖6 邊緣位置電池單體熱失控擴散對模組溫度的影響

圖7 不同時間的電池模組溫度分布云圖

通過對比圖4、6 電池溫度變化，發現短路的4 號電池和8 號電池，在前160 s內，8 號電池溫度上升明顯高于4 號電池，約56 ℃。隨后7、3 號電池分別達到224 ℃和190 ℃。其原因是邊緣位置8 號電池發生熱失控后，只通過一個方向向其他電池傳遞熱量，而中間位置4 號電池發生熱失控時可同時向兩邊傳遞熱量，所以4 號電池散熱量較快，電池溫度相對較低。

3.4 風速大小對模組散熱的影響

由圖4、6 可知，電池單體發生熱失控時，僅通過熱傳導無法降低電池模組溫度，考慮熱對流來增加電池模組的散熱速度。圖8 所示為通過改變氣體流動速度大小，來觀察電池模組的溫度變化。圖9 所示為在第160 s時，不同風速下的電池模組空間溫度變化。

圖8 不同風速下熱失控電池的溫度變化

圖9 不同風速下電池模組溫度分布云圖

結果：隨著空氣對流速度增加（設置對流速度分別為0、0.1、0.5 和1 m／s），電池溫度逐漸下降。在前160 s，電池單體發生熱失控，分別迅速升溫至約200、190、167 和154 ℃，隨后溫度呈小幅度下降趨勢，在0、0.1 m／s的風速環境下，電池溫度依緩慢增加，熱失控持續發生；在0.5、1 m／s的風速環境下，電池溫度達到最高溫度后逐漸下降。

4 結語

本文對三元鋰離子電池建立電化學-熱耦合模型，觀察其放電過程中熱失控對周圍電池模組的熱擴散、空氣對流速度對電池模組的散熱影響，得出結果如下：

（1）鋰離子電池單體發生熱失控前電壓有明顯的下降趨勢，間隔時間約為40 s，可進行提前預警，并做好相應的防護措施。

（2）邊緣位置比中間位置電池發生熱失控危險性更高。當發生熱失控時，中間位置電池溫度在第160 s時達到約200 ℃，邊緣位置電池溫度在第160 s 時達到約256 ℃。不同位置電池模組的熱擴散行為也不同，當中間位置發生熱失控時，電池模組溫度分布從中間向兩邊遞減；當邊緣位置發生熱失控時，電池模組溫度從邊緣向另一側遞減。

（3）通過數值分析表明，僅依靠熱傳遞無法停止熱失控，增加空氣熱對流可加快散熱速率，當散熱速率大于產熱速率時，電池模組不會發生熱失控。對比不同風速對熱擴散的影響，發現當風速大于0.5 m／s時，電池模組在該實驗環境條件下不會發生熱失控。