关于电动汽车锂离子电池模组热失控的仿真研究.pdf

第 61 卷 第 10 期Vol.61 No.102023 年 10 月October 2023农业装备与车辆工程AGRICULTURAL EQUIPMENT&VEHICLE ENGINEERINGdoi:10.3969/j.issn.1673-3142.2023.10.020关于电动汽车锂离子电池模组热失控的仿真研究陆颖，杨李杰（212000 江苏省 镇江市 江苏大学 汽车与交通工程学院）摘要 以电动汽车 Ni55 锂离子电池为研究对象，利用 COMSOL Multiphysics 仿真建模软件，建立高温加热热失控模型，模拟仿真了3.5 mm隔热片布置下锂离子电池模组的热失控过程，分析了其在仿真中表现出的热失控特性参数，研究了热失控时的峰值温度、内部材料变化及温度分布，对比模拟仿真与试验结果，证明了模型的可靠性，同时分析了热失控过程中副反应状态变量的变化，为高镍三元锂离子电池安全性研究提供相应的理论支持。关键词 三元锂电池；隔热材料；热失控试验；热失控仿真 中图分类号 U467.2；TM912 文献标志码 A 文章编号 1673-3142(2023)10-0093-05引用格式：陆颖,杨李杰.关于电动汽车锂离子电池模组热失控的仿真研究 J.农业装备与车辆工程,2023,61(10):93-97.Simulation study on thermal runaway of lithium-ion battery module during high-temperature heatingLU Ying,YANG Lijie(School of Automotive and Traffic Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang 212000,Jiangsu,China)Abstract Taking Ni55 lithium-ion battery of electric vehicle as the research object,the thermal runaway model of high-temperature heating was established by using COMSOL Multiphysics multi physical field simulation modeling software.The thermal runaway process of lithium-ion battery module with 3.5 mm insulation sheet was simulated.The thermal runaway characteristic parameters of lithium-ion battery module with 3.5 mm insulation sheet contact in the simulation of thermal runaway of high-temperature heating were analyzed,and the peak temperature,the change of internal materials and temperature distribution when thermal runaway was studied.The comparison between the simulation results and the test results proved the reliability of the model.Meanwhile,the change of side reaction state variables in the process of thermal runaway was also analyzed,providing corresponding theoretical support for the safety research of high nickel ternary lithium ion batteries.Key words ternary lithium battery;thermal insulation materials;thermal runaway test;thermal runaway0 引言电动汽车与传统汽车的核心内容不同，动力电池逐渐成为核心内容中相当重要的一环1。动力电池包括锂离子电池、铅酸电池、镍氢电池、燃料电池等，一定程度上限制了电动汽车的续航、性能及安全性。锂离子电池具有能量密度高、质量轻、污染小的特点，近几年产量呈飞速增长状况2，在市面上领先于铅酸电池等其他类型的动力电池。锂离子电池目前主要分为三元锂离子电池与磷酸铁锂电池，其中三元锂离子电池具有相对更高的能量密度，更适用于大部分乘用车，能提供更强大的续航能力3。锂离子电池主要由正极、负极、隔膜、电解液和外壳等4材料组成。锂离子电池的广泛使用也存在一系列安全隐患，其中，热滥用（温度过高）、机械滥用（针刺或硬物撞击）、电滥用（过充放电）都有极大概率造成锂离子电池热失控，甚至引发火灾危及环境安全5。国内外学者已经对锂离子电池热失控进行了大量仿真和实验研究。但多数研究在较理想与单一环境中开展，针对实际车况运行环境中的锂离子电池热失控研究较少，尤其是目前实际车况中电池处于整包、隔热材料及水冷系统时热失控表现的研究更为少见。本文以 Ni55 锂离子电池为研究对象，利用COMSOL Multiphysics 仿真建模软件6，建立高温加热热失控模型，模拟仿真了 3.5 mm 隔热片布置下锂离子电池模组的热失控过程，分析了电池模组在模拟仿真中表现出的热失控特性参数，研究了热失控时的峰值温度、内部材料变化及温度分布，并将模拟仿真结果与试验结果对比，证明了模型的可收稿日期：2022-10-2894农业装备与车辆工程 2023 年靠性，分析了热失控过程中副反应状态变量的变化。1 数学模型的建立1.1 副反应方程定义副反应总热量为 Qtot，其计算公式为Qtot=Qsei+Qne+Qpe+Qele (1)式 中：Qtot 副 反 应 总 热 量；QseiSEI 膜 分解所产生的热量；Qne负极与电解液反应产生的热量；Qpe正极与电解液反应产生的热量；Qele电解质分解所产生的热量。热量单位均为W/m3。各副反应热量公式和反应速率为（1）SEI 膜分解Qsei=HseiWsei Rsei (2),expRT CARTECseiseiseiseiseimsei=bhl (3)式中：QseiSEI 膜分解所产生的热量；Hsei膜中每千克物质分解产生的热量；Wsei膜中单位体积的含碳量；Rsei反应速率；Asei膜反应的指前因子，s-1；Esei 膜反应活化能，J/mol；R摩尔气体常数，取值 8.314 J/(molK)；T膜分解的温度变化量，K；msei膜的反应级数；Csei膜中不稳定锂电含量的无量纲数。（2）正极与电解液反应 Qpe=HpeWpe Rpe (4)(5)式中：Qpe正极与电解液分解产生的热量；Hpe每千克物质反应产生的热量；Wpe单位体积含碳量；Rpe反应速率；Ape正极与电解液反应的指前因子，s-1；Epe正极与电解液反应的活化能，J/mol；m1、m2正极、电解液反应的反应级数；b正极材料的无量纲数。（3）负极与电解液反应Qne=HneWneRne (6),expRT CARTECnenenenenemne=-_din (7)式中：Qne负极与电解液分解所产生的热量；Hne每千克物质反应产生热量；Wne单位体积含碳量；Rne反应速率；Ane正极与电解液反应的指前因子，s-1；Ene正极与电解液反应的活化能，J/mol；mne负极与电解液反应的反应级数；Cne嵌入碳中不稳定锂的无量纲数。（4）电解液分解Qele=HeWe Re (8),expRT CARTECeeeeeme=-bhl (9)式中：Qele电解液分解所产生的热量；He每千克物质反应产热量；We单位体积含碳量；Re反应速率；Ae电解液分解的指前因子，s-1；Ee电解液分解的活化能，J/mol；me电解液分解的反应级数；Ce电解液剩余含量的无量纲数。各副反应的放热量、物质含量、反应因子和反应活化能的计算参数如表 1 所示。表 1 计算参数Tab.1 Calculation parameters参数SEI 膜负极-电解液正极-电解液电解液放热量/J/kg2.571051.7141063.14 1051.55105物质含量/(kg/m3)4134131 300500反应因子/s-11.667 10152.5 10136.67 10135.14 1025反应活性能/(J/mol)1.350 8 1051.350 8 1051.396 1052.74 105将上述副反应放热方程及能量守恒方程导入偏微分方程接口进行方程编写，并设定相关变量初始值及边界条件，状态变量初始值设定如表2所示。表 2 状态变量初始值设定Tab.2 State variable initial value setting变量名初始值变量名初始值Csei0.75msei1Cne0.75mne1b0.04m1，m21Ce0.7me1Cpe1Cpvdf11.2 能量守恒方程上节的能量守恒方程也加入偏微分方程的编写，电池内部遵循的能量守恒方程为CTqQp$ddt=+(10)qk Td=-(11)式中：电池密度，kg/m3；Cp电池的比热容，J/(kgK)；Td温度对时间的微分；k 电池导热率，W/(m K)；Q反应的体积生热率，W/m3。电池的密度、比热容和导热率的计算参数如表 3 所示。表 3 计算参数Tab.3 Calculation parameters参数正极材料电解液负极材料密度/(kgm3)2 5009402 270比热容/(J/(kgK)1 0001 050881导热系数/(W/(m K)3.40.15195第 61 卷第 10 期陆颖 等：关于电动汽车锂离子电池模组热失控的仿真研究1.3 对流换热方程将锂离子电池的 6 个面与外界交换热条件看作是一致的，6 个面的边界条件均设置为相同，即只考虑 6 个面与外界进行对流换热，对流换热方程为Q0=h0(Text-T)(12)式中：Q0单位面积的散热量，W/m2；h0对流传热系数，W/(m2 K)，只考虑空气对流的情况下取值为 510 W/(m2 K)，本次研究取 10 W/(m2K)；Text外界温度，K；T电池初始温度，K。1.4 三维物理模型的建立及网格划分为了兼顾模型的准确性和效率，本文对电池模型作了以下简化1-2：（1）1.1 和 1.2 节中涉及的参数不随温度变化而改变；（2）6 个面设置的边界条件仅考虑热对流；（3）只考虑副反应热，不考虑极化热、电化学热和焦耳热。仿真对象为方型 NCM 锂离子电池，正极材料为镍钴锰，负极材料为石墨，电解液材料为LiPF6，电池的几何参数如表 4 所示。表 4 NCM 电池几何参数Tab.4 Geometric parameters of NCM battery参数值长/mm250宽/mm67高/mm113根据表 4 的几何参数，在一定量简化的基础上利用 COMSOL Multiphysics 软件进行三维物理模型建模，其中主体由 4 块电池、1 片 600 W 加热片、4 片隔热片组成，如图 1 所示。为了提高仿真结果的准确性能和稳定性，同时兼顾计算速度与计算收敛性，对物理模型使用软件自带的网格划分功能，以普通物理学方式进行校准，较细化进行划分，最大单元为 15.5 mm，最小单元为 1.13 mm，最大单元增长率为 1.4，曲率因子为 0.4，狭窄区域分辨率为 0.7，网格模型如图 2 所示。2 仿真结果与分析2.1 隔热片布置下锂离子电池加热触发热失控研究在三维物理模型上添加固体传热模块，作用域为所有域。设定所有域初始温度值为 20，添加加热片及 4 块电池作为热源，加热片功率设置为600 W，对 3.5 mm 隔热片布置 NCM 锂离子电池模组进行热失控仿真研究。如图 3（a）图 3（h）所示，以步长为 200 s，抽取了 t 从 0 s 到 1 400 s 的加热仿真过程瞬时的NCM 锂离子电池模组温度分布，因为仿真设置时间较长，为更好地研究变化，辅以图3（i）和图3（j）中 t=5 000 s、10 000 s 两个时刻的顺势温度变化图。t=0 s时，所有域均保持初始温度20；t=200 s时，加热片温度达到了 188，电池 1 最贴近加热片处大面的温度沿 x 轴方向最先开始逐渐升高，由初始的 20 达到了 80 左右，电池 1 背面、电池 2、3、4 温度都上升了到了 40 左右；t=400 s 时，电池 1大面温度已经达到了 250 以上，电池 1 极耳附近的温度也逐渐上升到了 100 左右，电池 1 背面、电池2、3、4温度都上升到了50 左右；t=600 s时，电池 1 大面温度已经达到 300 以上，电池 1 极耳处的温度已经稳定达到了 150 以上，电池 1 背面温度上升到了 100 左右，电池 2、3、4 温度上升到了 60 左右；t=800 s 时，电池 1 大面的温度已经达到了 400 左右，电池 1 极耳负处的温度已经稳定达到了 200，电池 1 背面、电池 2 大面的温度已经稳定达到了 150，电池 3、4 温度依然保持在 100 以内；t=1 000 s 时，电池 1 大面的温度已经达到800，电池 1 极耳处的温度已经稳定在 700 左右，电池1背面、电池2大面的温度稳定在300，电池3、4的温度仅保持在100 左右；t=1 200 s时，电池 1 的大面温度保持在 750 左右，电池 1 极耳处的温度已经达到了 600 左右，电池 1 背面、电池 2 大面的温度达到了 300 以上，电池 3、4 的温度保持在 100 左右；t=1 400 s 时，电池 1 的大面温度降到了 700 左右，电池 1 极耳处的温度也降低到了 500 左右，电池 1 背面、电池 2 大面的温度降低到了 300 左右，电池 3、4 的温度保持在 100 左右；t=5 000 s 时，整个域内温度均处于215 以下，且电池 3、4 的温度也由 1 400 s 时的100 左右降到了 80 左右；t=10 000 s 时，整个域的温度降到了 77.5 以下，电池 3、4 的温度也由 5 000 s 时的 80 左右降到了 55 左右。图 1 锂离子电池三维物理模型Fig.1 Three-dimensional physical model of lithium ion battery图 2 锂离子电池物理模型网格划分Fig.2 Grid generation of physical model of lithium ion battery96农业装备与车辆工程 2023 年时间=0 s 表面:温度0100200200100100050mmmmmm20.120.0619.9820yxz（a）000010010010020020050mmmmmmyxz26820.425020015010050（c）0100200mm504003503002502001501005000100100200mmmm40821（e）（g）（f）（h）yxz0100mm2005080070060050040030020010086221.300100200mmmm100yxz800700600500400300200100mm10002005000100100mmmm20089321.7yxz700600500400300200100mm01005010010020020000mmmm78622.22001801601401201008060400100mm2005000100100200mmmm21534.3757065605550454035mmmmmm0100200001001005020077.533.7 （i）（j）图 3 NCM 锂离子电池模组温度变化Fig.3 Temperature change of NCM lithium ion battery module（a）t=0 s（b）t=200 s（c）t=400 s（d）t=600 s （e）t=800 s（f）t=1 000 s（g）t=1 400 s （h）t=1 600 s （i）t=5 000 s（j）t=10 000 s时间=200 s 表面:温度（b）mmyxzmmmm18820.218016014012010080604001002002001001000500时间=400 s 表面:温度00010010010020020050mmmmmm3002502001501005020.7334时间=600 s 表面:温度（d）yxzyxz时间=800 s 表面:温度时间=1 000 s 表面:温度时间=1 400 s 表面:温度时间=1 600 s 表面:温度时间=5 000 s 表面:温度时间=10 000 s 表面:温度yxzyxz2.2 模型可靠性验证对照 1.1 节 A 组试验结果，对整个加热触发热失控仿真过程添加探针，获得整个过程中电池 1、2、3、4 的温度变化曲线。将仿真结果与试验结果7进行对比。如图 4 所示，仿真结果与试验结果曲线变化趋势几乎一致；整个热失控仿真过程中电池 1 的峰值温度在 748，热失控试验过程中电池 1 的峰值温度在 706，误差仅 5.61%；整个热失控仿真过程中电池 2 的峰值温度在 210，热失控试验过程中电池 1 的峰值温度在 199.3，误差仅 5.1%，因此认为建立的 NCM 锂离子电池模组热失控模型是可靠、准确的。2.3 副反应状态变量分析为了研究热失控过程中各副反应状态变量的变化情况，获取并分析电池 1、2 的副反应状态变量 Csei、Cne、Ce、Cpe、Cpvdf，结果如图 5 所示。电池 3、4 因为受影响过小，其副反应状态变量的变化分析几乎没有意义，所以不参与本次分析。图 5（a）是电池 1 在整个热失控过程中副反应状态变量的变化值，Csei在 600 s 左右从 0.75 开始下降，此时 SEI 膜开始发生反应，即分解，800 s 左右反应结束，Csei变为 0；接着 650 s 左右 Cne从 0.750 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 时间/s75070065060055050045040035030025020015010050温度/（a）（b）图 4 仿真与试验结果对比Fig.4 Comparison of simulation and test results（a）仿真结果 （b）试验结果8007006005004003002001000温度/电池 1电池 2电池 3电池 41040 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 时间/s104电池 1电池 2电池 3电池 497第 61 卷第 10 期陆颖 等：关于电动汽车锂离子电池模组热失控的仿真研究开始下降，此时负极开始反应，在 900 s 左右反应结束，Cne变为 0；700 s 左右正极开始发生反应，状态变量 Cpe从初始的 1 开始下降，大约在 1 000 s反应结束，状态变量变为 0；800 s 左右电解液开始发生反应，Ce从0.7开始下降，在1 000 s左右反应结束，状态变量变为 0；900 s 左右 Cpvdf由初始值 1 开始降低，在 1 000 s 左右反应结束，状态变量变为 0。图 5（b）是电池 2 在整个热失控过程中副反应状态变量的变化，Csei在 1 200 s 左右从 0.75 开始下降，此时 SEI 膜开始发生反应，即分解，到1 600 s 左右反应结束，Csei变为 0；在 1 300 s 左右，Cne从 0.75 开始下降，此时负极开始反应，在 1 800 s左右反应结束，Cne变为 0；1 600 s 左右，正极开始发生反应，状态变量 Cpe从初始的 1 开始下降，大约 3 600 s 左右，反应结束，状态变量变为 0；Ce和Cpvdf从开始到结束一直分别维持 0.7 和 1 的量值，没有发生变化，说明在 3.5 mm 隔热片的作用下，电池 1 发生热失控后的热量传递给了电池 2，SEI 膜与正极材料、负极材料均发生了副反应变化，但电解液没有发生分解反应，从而没有触发热失控，这一点与试验所展现出来的结果一致。3 结论（1）整个热失控仿真过程中电池 1 的峰值温度在 748，热失控试验过程中电池 1 的峰值温度在 706，误差仅 5.61%；整个热失控仿真过程中电池 2 的峰值温度在 210，热失控试验过程中电池 1 的峰值温度在 199.3，误差仅 5.1%，因此认为建立的 NCM 锂离子电池模组热失控模型是可靠、准确的。（2）电池 1 与电池 2 的副反应状态变量在热失控仿真过程中均发生了相应的变化，其中电池1 副反应状态变量变化顺序先后为：Csei、Cne、Ce、Cpe、Cpvdf，而电池 2 作为紧贴着电池 1 的对象，在3.5 mm的隔热片作用下依旧受到了相应的温度传递，SEI 膜、正极材料、负极材料均发生了副反应，但电解液没有发生分解反应，从而并没有触发热失控。参考文献1 武汉戎评文化传播有限公司.汽车业换道超车：新能源的优势与机遇 J.中国工业和信息化,2020(12):38-42.2 曾勇.新能源汽车动力电池应用现状及发展趋势 J.时代汽车,2021(17):139-140.3 张长煦,倪子潇.车用三元锂电池与磷酸铁锂电池对比分析 J.汽车实用技术,2019(23):28-29,65.4 杨坤,雷洪钧,肖博文,等.锂离子电池热失控机理分析与解决策略 J.江汉大学学报(自然科学版),2020,48(05):14-20.5 张洪生,朱永康,黄火炉.简述电动汽车动力电池结构原理及热管理系统 J.汽车维修,2022(01):7-9.6 王怀铷,孙宜听,金阳.磷酸铁锂储能电池簇过充热失控蔓延特性仿真研究 J.机械工程学报,2021,57(14):32-39.7 潘公宇,薛磊.不同荷电状态下锂电池的热失控实验研究 J.电源技术,2022,46(10):1132-1135.作者简介 陆颖（1981-），男，博士，副教授、研究方向：交通安全工程。E-mail：通信作者 杨李杰（1994-），男，硕士研究生，研究方向：电动汽车被动安全。E-mail：（a）（b）图 5 电池 1 与电池 2 状态变量变化Fig.5 Battery 1 and battery 2 state variables change（a）电池 1 （b）电池 20 1 000 2 000 3 000 4 000 5 000 6 000 7 000 8 000 9 000 时间/s1.00.90.80.70.60.50.40.30.20.10全局Ce全局Csei21.00.90.80.70.60.50.40.30.20.100 1 000 2 000 3 000 4 000 5 000 6 000 7 000 8 000 9 000 时间/sCseiCneCpvdfCpeCpvdf2Ce2Cpe2Cne2