電動汽車動力電池熱失控試驗與仿真

【摘 要】在仿真軟件中構建某款圓柱三元鋰離子電池熱失控模型，通過加熱電芯的方式來觸發其熱失控，同時建立2組對照模型，一組全程不開啟液冷，另一組在被加熱電芯熱失控的瞬間開啟液冷。結果表明：在不開啟液冷的模型中，電芯熱失控所產生的大量熱量傳遞給了周邊電芯，致使周圍電芯逐一失控。而在對照組中，由于在電芯熱失控的瞬間開啟了液冷，電芯熱失控產生的熱量迅速被冷卻液帶走，周圍電芯的溫度低于失控臨界值，因而沒有發生熱失控，從而有效地遏制熱蔓延的出現。

【關鍵詞】鋰離子電池；熱失控；熱蔓延

中圖分類號：U469.72 文獻標識碼：A 文章編號：1003-8639（ 2024 ）10-0018-04

Thermal Runaway Test and Simulation of Electric Vehicle Power Batteries

ANG Jinfeng，LIU Shulong，PANG Can，LIU Shuo

（Anhui Jianghuai Automobile Co.，Ltd.，Hefei 230601，China）

【Abstract】The thermal runaway model of a cylindrical ternary lithium-ion battery was constructed in the simulation software. The thermal runaway model was triggered by heating the battery cell. At the same time，two sets of control models were established： one group did not turn on the liquid cooling during the whole process，and the other group turned on the liquid cooling at the moment of the thermal runaway of the heated battery cell. The results show that in the model without liquid cooling，a large amount of heat generated by thermal runaway is transferred to the surrounding cells，causing the surrounding cells to lose control one by one. However，in the control group，because the liquid cooling is turned on at the moment of the cell thermal runaway，the heat generated by the cell thermal runaway is quickly taken away by the coolant，and the temperature of the surrounding cell is lower than the runaway critical value，so there is no thermal runaway，so as to effectively curb the appearance of thermal spread.

【Key words】lithium-ion battery；thermal runaway；heat spread

作者簡介

昂金鳳（1988—），女，碩士，工程師，主要從事動力電池包仿真工作。

隨著汽車電動化時代的來臨，人們對電動汽車長續航里程的需求不斷增加，以高比能著稱的三元鋰離子電池應用越來越廣，但是鋰離子電池在內外部短路、過充過放、機械打擊等不當用電狀態下極易發生熱失控、熱蔓延，進而引起嚴重的火災事故，這也是制約動力電池技術發展，影響人們對電動汽車信心的關鍵所在。因此，積極開展鋰離子電池熱失控機理研究，并采取針對性的預防和阻止熱蔓延的發生，實現單顆電芯失控不擴散，從而保證乘員安全，都是新能源汽車行業急需解決的重大問題。

1 鋰離子電池熱失控機理

在鋰離子電池發生熱失控的過程中，從低溫到高溫排序，鋰離子動力電池將依次經歷：高溫容量衰減→SEI膜分解→負極-電解液反應→隔膜熔化過程→正極分解反應→電解質溶液分解反應→負極與粘接劑反應→電解液燃燒等過程[1]。如圖1所示。

1）高溫容量衰減：在電池內部化學反應產熱開始前，高溫條件下，部分Mn和Fe離子溶解進入電解液中，并在負極沉積下來，導致負極內阻增大，從而產生電池容量衰減的現象[2]。

2）SEI膜分解：當電池溫度逐步升高到90℃左右時，SEI膜分解反應開始變得明顯，SEI膜的分解放熱主要位于80～120℃溫度區間內。

3）負極與電解液的反應：由于負極表面的SEI膜發生分解，負極活性物質失去保護，負極內部嵌入的鋰金屬將與電解液發生反應。負極與電解液的反應繼續進行，使得鋰離子電池溫度繼續升高。

4）隔膜熔化：當溫度達到隔膜的熔點時，隔膜將會發生熔化并出現熱收縮，產生閉孔效應。常見的隔膜基質材料有PE（聚乙烯）和PP（聚丙烯）兩種，PE隔膜的熔化大約在130℃發生，而PP隔膜的熔化大約在170℃發生。

5）正極分解反應、電解液分解反應和粘接劑反應：隔膜溶解后電池內部發生短路，釋放出大量的熱量，電池溫度迅速從120℃提高至300℃甚至更高，此時各種化學反應同時發生，電池達到熱失控狀態。依據組分主要有正極分解反應、電解液分解反應和粘接劑反應。常見的正極材料有LiCoO2（LCO鈷酸鋰）、LiMn2O4（LMO錳酸鋰）、LiFePO4（LFP磷酸鐵鋰）和LiNixCoyMnzO2（NCM三元），正極材料的分解反應會產生大量的氣體和熱量，因此，正極材料對于鋰離子電池的熱安全性能的影響是最大的。電解質溶液是電解質鹽溶于電解液溶劑中形成的混合溶液，是電池內部的導電介質。電解液反應指的是電解液本身的分解放熱反應。一般認為含氟粘接劑與鋰金屬發生反應的溫度大概在240～350℃之間[3]。

2 熱失控仿真理論

熱失控仿真的基礎理論是一方程理論和四方程理論。一方程是將整個熱失控反應用一個集總方程表示出來，四方程是將熱失控過程分為4部分：SEI膜分解、負極與電解質反應、正極與電解質反應、電解質本身分解反應[4]。本例中，選擇一方程理論來求解熱失控過程。一方程理論公式如下：

式中：A——反應前指因子；m、n——反應級數；α——反應進度，0表示未發生反應，1表示反應完全結束；R——通用氣體常數；E——熱失控反應的活化能；T——溫度；HW——單位體積釋放的熱量。A、m、n、α、R、E、T、H、W均為模型常數。

熱失控模型是基于經驗的模型，需要輸入試驗數據來標定模型中的各個參數。熱失控模型需要的ARC數據為在絕熱環境下，由絕熱加速量熱儀ARC（Accelerating Rate Calorimetry）測試出的電芯自產熱的溫升數據。

3 熱失控仿真模型

本例選取15顆33Ah的三元鋰離子圓柱電芯，構建以3S5P的電連接方式，同時考慮液體冷卻管路的熱失控仿真模型，電芯之間填充導熱系數較低的灌封膠[5]。熱失控電芯模型如圖2所示。

4 計算邊界

本例采用對中間第8號電芯加熱的方式使其熱失控，加熱功率為300W，加熱時間為150s左右。電芯在絕熱環境下測得的熱特性曲線如圖3所示。

仿真采用的ARC文件，起止溫度分別選取電芯自發熱溫度75.4℃和熱失控開始溫度后某一個溫度179℃，采用Arrhenius（阿倫尼烏斯）法擬合ARC數據，得到電芯熱失控一方程的各個參數。初始擬合并不理想，手動微調活化能E以及m和n值，得到一個較為理想的溫升曲線。多次調整參數得到一個較為接近的擬合曲線，如圖4所示。

5 計算結果

初始計算中，不開啟液冷。被加熱電芯在95s左右發生熱失控，最高溫度為533℃左右。隨后在320s左右引發周圍第2顆電芯的失控，時間間隔為225s左右。電芯溫度變化曲線如圖5所示，電芯熱失控反應順序和時間如圖6所示。各個電芯熱失控溫度云圖如圖7所示。

監控中間第8號電芯的溫度，當其溫度達到最高溫度533℃時，開啟液冷，給予液冷管入口流速0.5m/s，出口4000Pa壓力，重新進行熱失控模擬。結果如圖8a所示，顯示當中間被加熱的電芯發生熱失控的瞬間開啟液冷，電芯熱失控瞬間產生的高溫迅速被冷卻液帶走，溫降速率大約為0.7℃/s，傳遞給周圍電芯的剩余熱量不足以讓周圍電芯達到熱失控的臨界溫度，因此，沒有引發周圍電芯的失控，避免了熱蔓延的發生，結果如圖8b所示。

6 熱失控試驗

電池熱失控試驗是Pack級別的，在模組中間的電芯表面安裝加熱膜，加熱功率和仿真保持一致，直到溫升速率大于1℃/s停止，當溫度傳感器檢測到電芯熱失控的瞬間開啟液冷。冷卻期過后，觀察模組外表，沒有發現大規模失控破壞痕跡，拆解模組，只有被加熱的電芯出現失控爆噴，其余電芯完好。試驗結果證實了熱蔓延并未發生，定性證明了熱失控仿真的可靠性[6]。試驗前后模組狀態對比如圖9所示。

7 結論

本文基于仿真平臺構建鋰離子電芯的熱失控模型，并通過試驗測得的ARC數據擬合出較為精準的熱失控一方程參數。對開啟液冷和不開啟液冷這兩種計算模型進行對比，發現于熱失控觸發的瞬間及時開啟液冷能夠有效防止熱蔓延的發生。在實際試驗中，采用開啟液冷的方法，試驗結果顯示只有被加熱的電芯發生了失控爆噴，周圍電芯完好無損，這證實了仿真的可靠性。

參考文獻：

[1] 馮旭寧. 車用鋰離子動力電池熱失控誘發與擴展機理、建模與防控[D]. 北京：清華大學，2018.

[2] Ishikawa H，Mendoza O，Sone Y，et al. Study of thermal deterioration of lithium-ion secondary cell using an accelerated rate calorimeter（ARC）and AC impedance method[J]. Journal of Power Sources，2012，198（15）：236-242.

[3] Maleki H，Deng Guoping，Anani A，et al. Thermal stability studies of Li-ion cells and components[J]. Journal of the Electrochemical Society，1999，146（9）：3224-3229.

[4] 井文明，宋述軍，張寅作. ANSYS電池仿真與實例詳解——流體傳熱篇[M]. 北京：機械工業出版社，2021.

[5] 王青松，孫金華，何理. 鋰離子電池安全性特點及熱模型研究[J]. 中國安全生產技術，2005，6（1）：19-21.

[6] 單明新，王松岑，朱艷麗，等. 鋰離子電池過充爆炸強度試驗研究[J]. 安全與環境學報，2015，15（5）：116-118.

（編輯 凌 波）