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精华 | 基于TAIThermApp 的锂离子电池热失控仿真

        动力电池 的安全问题是社会各界广泛关注 的问题,而锂离子电池 的热失控是动力电池安全事故 的隐患之一。本文先容如何基于专业热仿真AppTAITherm进行热失控模拟,进而为电池包散热策略优化提供依据。
 
 
(图片来源于网络)
 
        依据电池单体组分材料和电池 的放电特性,考虑电池 的串并联关系,基于TAIThermApp 的电池模块快速搭建电池单体或者电池包 的热电耦合模型,并分析电池充、放电过程中电池电压和温度场变化。基于TAIThermApp 的电池热电耦合模型如下图所示:
 
 
        如何基于热电耦合模型进行过充电等电滥用引起 的单体电池热失控仿真呢?
 

需要先从过充电 的内部反应机理说起:

        正常充电期间,引起锂离子电池温升 的热源有电化学反应热、极化热和焦耳热,这些热量值较小,引起电池温升效果不太明显,而锂离子电池一旦发生过充电,正极析出过量锂并且不断向负极嵌入,导致SEI膜增厚,电池内阻不断增大,进而使产生 的焦耳热增多;随着过充电 的持续进行,电池内部发生微短路现象,产生大量焦耳热,甚至引发电池内部副反应。锂离子电池过充电时 的热源可以分为两大部分:即副反应热和除副反应热之外 的其它热,而电化学反应热和极化热相较于焦耳热数值较小,其它热源项主要为焦耳热。
 
        焦耳热由TAIThermApp 的电模型计算,作为电池 的初始热源项输入到TAITherm热模型中,热模型通过该热源计算得到电池温度,并将温度返回到TAITherm副反应脚本用以触发各副反应。同时,副反应产生 的热源输入到热模型,通过不断迭代计算实时获取电池温度,如下图所示:
 
 
        焦耳热 的计算采用如下公式:S1=I²R,其中R为内阻,需要将TAITherm电模型 的内阻数据从正常充放电范围扩展到过充电条件下 的内阻值。
 
        TAITherm副反应脚本 的编辑过程主要考虑电池热失控导致 的四类内部连锁副反应:SEI膜分解、正极分解、负极分解以及电解液分解,四类反应 的计算公式如下所示:
 
 
•  S2:副反应热
•  H:反应热(J/g)
•  W:密度(g/m3)
•  α:归一化浓度初始值
•  A:反应速率常数(1/s)
•  R:气体常数8.314J/(mol*K)
•  m、n、p:反应级数
 
        在0.1C与0.2C 的电流下,基于TAIThermApp和上述模拟方案进行电池 的过充电热失控仿真,反应结果如下图所示。由仿真结果可知,在过充电条件下,电池发生热失控 的时间受过充电电流大小 的影响,电流越大,发生热失控 的时间更早,且生热量更大,即热失控导致 的最高温度更大。因此,在使用过程中应防止锂离子电池发生过充电现象,尤其是大电流过充电情况 的发生,并注意对电池进行良好散热,防止发生热失控现象。
 
不同充电电流下单体电池 的温度变化情况
 
不同充电电流下单体电池 的生热量变化
 
        当然,大家也可以对其他引起热失控 的场景进行模拟分析,比如,通过在TAIThermApp中设置指定 的环境温度可以模拟由于环境温度过高引起 的热失控;通过设置电模型 的充放电电流大小模拟由于快速充放电引发 的热失控;通过电池包模拟由于辐射与热对流造成 的单体电池之间 的热失控扩展,用于评估抑制热失控发生与扩展 的策略等,以后有机会继续跟大家交流。
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