李文元，方 林

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方形鋰離子電池?zé)崾Э厍闆r下的熱管理研究

李文元，方 林

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

為了研究某種方形鋰離子電池中單個(gè)電芯發(fā)生熱失控事故時(shí)電池的整體性能，本文利用ANSYS軟件進(jìn)行熱仿真分析，同時(shí)通過實(shí)驗(yàn)對(duì)電池中單個(gè)電芯進(jìn)行過充強(qiáng)制其發(fā)生熱失控分析熱失控。模擬過程中根據(jù)電池箱中電芯和冷卻裝置的結(jié)構(gòu)特性對(duì)電池三維模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，通過設(shè)置均勻熱流密度內(nèi)熱源來模擬電池發(fā)熱過程。熱失控實(shí)驗(yàn)時(shí)對(duì)單個(gè)電芯進(jìn)行強(qiáng)制性的過充使電芯發(fā)生熱失控至電芯過壓保護(hù)。結(jié)合模擬仿真和熱失控實(shí)驗(yàn)中電池系統(tǒng)的溫度分布情況，模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果十分接近從而驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性。根據(jù)熱失控仿真結(jié)果中的電池系統(tǒng)溫度分布云圖，該型電池的冷卻裝置能夠保證在單個(gè)電芯發(fā)生熱失控的情況下整個(gè)電池的安全性。

方形鋰電池 熱失控 熱量分布

0 引言

隨著能源與環(huán)境問題的日益突出，新能源逐漸開始取代傳統(tǒng)的化石能源[1]。其中鋰離子動(dòng)力電池系統(tǒng)是目前比較熱門的研究方向。根據(jù)其特性，鋰離子動(dòng)力電池由過充、短路等因素發(fā)生熱失控時(shí)會(huì)產(chǎn)熱大量熱量，如果這些熱量得不到均勻釋放將會(huì)對(duì)整個(gè)動(dòng)力電池系統(tǒng)的均衡性和電池的整體性能產(chǎn)生影響[2]。為了保證鋰離子電池系統(tǒng)熱失控狀況下的穩(wěn)定性和安全性，目前比較常見的方案便是在電池周圍布置冷卻裝置。

為了測(cè)試?yán)鋮s裝置的可靠性，研究者們通過實(shí)驗(yàn)和仿真的方式對(duì)熱失控下電池動(dòng)力系統(tǒng)在冷卻裝置作用下電池的熱分布情況進(jìn)行分析。賀元驊，Ohshima，張青松等人[3-5]通過實(shí)驗(yàn)分析了電池系統(tǒng)在熱失控條件下的工作狀態(tài)，并分析了電池?zé)崾Э厍闆r同SOC之間的關(guān)系。趙春榮，Kizilel，羅星娜，Benham等人[6-9]利用數(shù)值計(jì)算和模擬仿真對(duì)電池系統(tǒng)在熱失控狀況下的溫度分布情況進(jìn)行了分析，并對(duì)電池系統(tǒng)的熱管理方案進(jìn)行優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)方案能夠更加準(zhǔn)確的了解電池?zé)崾Э厍闆r，但是溫度采集器只能采集部分點(diǎn)溫度分布情況，模擬結(jié)果能夠了解整個(gè)電池系統(tǒng)的溫度分布云圖。所以，實(shí)驗(yàn)和模擬的結(jié)合更加全面和準(zhǔn)確的了解電池?zé)崾Э厍闆r下電池系統(tǒng)的熱傳播情況。

根據(jù)目前國(guó)內(nèi)鋰離子動(dòng)力電池系統(tǒng)熱失控情況的研究結(jié)果可知，研究者主要分析的是圓柱形鋰離子電池在風(fēng)冷和熱管冷卻條件下的熱傳播過程。但隨著電池技術(shù)的發(fā)展，相較于圓柱形鋰離子電池方形鋰離子電池由于具有體積利用率高、組合方便等優(yōu)點(diǎn)，越來越多的被應(yīng)用于電池動(dòng)力系統(tǒng)[10-12]。所以，對(duì)方形電池在熱失控情況下的熱管理顯得尤為重要。本文以一種以液冷方式的方形鋰離子電池為研究對(duì)象，通過構(gòu)建三維模型并利用ANSYS模擬軟件對(duì)電池包中單個(gè)電芯熱失控情況下的溫度分布情況進(jìn)行模擬仿真。通過仿真結(jié)果分析電池?zé)崾Э厍闆r下電池包內(nèi)熱量傳播情況，并且根據(jù)溫度分布云圖來判斷冷卻裝置作用的有效性。為了驗(yàn)證模擬仿真結(jié)果的可靠性，通過實(shí)驗(yàn)對(duì)該型號(hào)電池中的單個(gè)電芯進(jìn)行過充至熱失效，并布置熱電偶采集電池中某些點(diǎn)在熱失效過程中的溫度分布情況。最終把模擬結(jié)果同實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較驗(yàn)證模擬仿真模擬的準(zhǔn)確性，并根據(jù)電池的技術(shù)要求對(duì)熱管理系統(tǒng)進(jìn)行分析。

1 方形鋰離子電池模型

本文主要研究的是某種方形鋰離子電池，整個(gè)電池單元包是由多個(gè)方形的鋰離子電池通過串并聯(lián)的方式組合起來。電池單元包放置于金屬箱子里，為了加強(qiáng)電池?zé)崾Э貢r(shí)熱量的傳播速度，電池箱和電池包之間的間隙布置著阻燃劑和冷卻液，單個(gè)電池箱的外形結(jié)構(gòu)如圖1。該型方形鋰離子電池的熱管理方案是通過阻燃劑和冷卻液的吸收電池?zé)崾Э貢r(shí)產(chǎn)生的熱量從而保證電池在熱失控工況下的安全性和可靠性。

圖1 方形鋰離子電池電池箱外形圖

整個(gè)電池的熱管理系統(tǒng)性能可以由電芯熱失控的模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行判斷。鋰離子電池的熱失控一般由外部過充或者內(nèi)部短路等因素構(gòu)成，只要熱量能及時(shí)傳遞一般不會(huì)發(fā)生熱失控連鎖反應(yīng)，所以本文主要研究的是單個(gè)電芯發(fā)生熱失控的情況。

2 單個(gè)電芯熱失控模擬

2.1 模型的建立以及網(wǎng)格的劃分

通過三維建模軟件對(duì)電池進(jìn)行模型的建立，為了模擬的方便將整個(gè)電池系統(tǒng)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化后的模型主要由箱體、阻燃劑冷卻液、電池包等部件構(gòu)成。

由圖2可知，電池包是由一個(gè)熱失控的方形鋰離子電池和氣體正常工作電池構(gòu)成。

三維模型建立后將其導(dǎo)入到ANSYS軟件中的ICEM中進(jìn)行邊界層的設(shè)置以及網(wǎng)格的劃分。

圖2 電池箱三維模型簡(jiǎn)化圖

圖3 邊界條件

圖3為整個(gè)電池結(jié)構(gòu)的邊界條件，邊界條件的設(shè)置過程中，電池包和阻燃劑冷卻液、阻燃劑冷卻液和箱體、電池包和箱體之間的接觸面為interface面，箱體和空氣接觸的外表面為壁面邊界條件，對(duì)流對(duì)流系數(shù)為20 W/m2，外界空氣的溫度為常溫300 K。電池包以及電池箱體和阻燃劑冷卻液間的邊界條件為對(duì)流邊界條件對(duì)流換熱系數(shù)大約為500 W/m2[13]。

圖4 電池箱模型網(wǎng)格示意圖

設(shè)置好邊界條件后對(duì)模型進(jìn)行了網(wǎng)格的劃分，網(wǎng)格的類型為六面體的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量大約為1170000個(gè)并且網(wǎng)格的質(zhì)量較高，為了增加模擬的準(zhǔn)確性同時(shí)節(jié)省計(jì)算時(shí)間本文還進(jìn)行了網(wǎng)格的獨(dú)立性驗(yàn)證。

2.2 熱失控的模擬

得到網(wǎng)格文件后，將其導(dǎo)入到ANSYS FLUENT軟件中對(duì)單個(gè)電芯熱失控過程中電池箱內(nèi)溫度最高時(shí)刻的溫度分布情況進(jìn)行模擬。

模擬過程中根據(jù)部件的材料特性賦予其材料屬性，包括密度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)等參數(shù)。為了模擬電池發(fā)熱的現(xiàn)象，將電池包的電芯的內(nèi)部設(shè)置均勻內(nèi)熱源，熱失控電芯的內(nèi)熱源的熱流密度要明顯高于正常工作電芯。正常工作電芯的發(fā)熱功率可由電芯的電壓、電流、內(nèi)阻等參數(shù)計(jì)算；熱失控電芯的發(fā)熱功率可由單個(gè)電芯的熱失控實(shí)驗(yàn)計(jì)算得到。

設(shè)置好參數(shù)后便可開始熱失控狀態(tài)下的溫度分布模擬，根據(jù)仿真結(jié)果電池箱溫度分布云圖可知整個(gè)結(jié)構(gòu)的最低溫度為315.8 K，最高溫度為415.9 K，熱失控電芯的溫度明顯要高于其他正常工作電芯、阻燃劑冷卻液和箱體。同時(shí)，熱失控電芯溫度分布云圖也符合其在徑向、周向和軸向的導(dǎo)熱特性。

由電池箱的溫度分布云圖可知，整個(gè)結(jié)構(gòu)中溫度最高的區(qū)域集中在熱失控電芯附近，最低溫度比環(huán)境溫度高15 K左右，主要分布在箱體周圍。根據(jù)整個(gè)結(jié)構(gòu)的溫度分布云圖可知該型電池的散熱裝置能有效地保證整個(gè)電池系統(tǒng)溫度的穩(wěn)定性。同時(shí)從熱失控電芯的周圍的正常工作電芯的溫度分布情況可知該型電池的單個(gè)電芯的熱失控不會(huì)造成熱失控連鎖反應(yīng)。根據(jù)冷卻液的分布情況可以推算冷卻裝置完全有能力吸收熱失控產(chǎn)生的熱量。所以，該電池在熱失控時(shí)能夠保證其他電芯正常工作，并且能夠保證整個(gè)電池系統(tǒng)的安全性。

3 單個(gè)電芯熱失控實(shí)驗(yàn)

為了了解電池結(jié)構(gòu)中單個(gè)電芯發(fā)生熱失控時(shí)整個(gè)電池箱的溫度分布情況，本實(shí)驗(yàn)對(duì)單個(gè)電芯進(jìn)行過充強(qiáng)迫其發(fā)生熱失控。為了監(jiān)測(cè)電池箱子各個(gè)地方的溫度動(dòng)態(tài)，本實(shí)驗(yàn)在電池箱不同地方布置了12個(gè)熱電偶，如圖5。

其中1號(hào)溫度探頭監(jiān)測(cè)的是熱失控電芯的溫度分布情況；2號(hào)監(jiān)測(cè)的是熱失控相鄰電芯的溫度分布情況；4，5，6監(jiān)測(cè)的其它電芯的溫度分布；7，8探頭分別監(jiān)測(cè)的是底板的溫度；9，10，11，12監(jiān)測(cè)的阻燃劑冷卻液各處溫度分布情況。同時(shí)，為了了解充放電過程中電池箱電壓變化情況，本實(shí)驗(yàn)還布置了2個(gè)電壓測(cè)試探頭。

圖5 電池箱中熱電偶分布情況

通過數(shù)據(jù)采集器收集的電池箱各個(gè)位置的溫度分布情況，通過處理可知其溫度隨時(shí)間的變化如圖6所示。

圖6 電壓、電流、溫度隨時(shí)間變化曲線

過充單個(gè)電芯強(qiáng)迫其發(fā)生熱失控過程中，整個(gè)電池箱的電壓、電流、溫度分布隨時(shí)間的變化規(guī)律可以用以下幾個(gè)階段來描述：

1）在未接電源線和靜置階段，電池箱的各個(gè)地方溫度相同，接近30 ℃。

2）恒流充電階段，熱失控電芯和箱體其他地方的溫度顯著升高，其中熱失控電芯升高的頻率最快，從30 ℃升高到50 ℃左右，其次是2號(hào)電芯、3號(hào)電芯。由此可知，整個(gè)電池箱的熱量主要是從熱失控電芯開始向周圍傳播，越靠近熱失控電芯的地方溫度越高。

3）恒壓充電階段，熱失控電芯的溫度總體呈指數(shù)趨勢(shì)增加，并且在小范圍內(nèi)發(fā)生劇烈的震動(dòng)趨勢(shì)，有電壓隨時(shí)間的變化曲線可知這可能與恒壓過程不穩(wěn)定有關(guān)。在這一過程中，熱失控電芯的溫度升高到了最高溫度134 ℃，同時(shí)電池箱內(nèi)其他位置的溫度也以較快趨勢(shì)地升高到了較大值。

4）暫停階段，該階段雖然已經(jīng)停止向電池箱體充電但是整個(gè)電池箱的溫度還是不斷地升高。說明該階段熱失控電芯已經(jīng)損壞，雖然停止充電但是損壞的電芯還是會(huì)不斷的放電發(fā)熱，同時(shí)，這一階段的電壓劇烈的跳動(dòng)，直至趨于0。

5）恒流充電階段，由于熱失控電芯的損毀，該階段恒流充電只會(huì)對(duì)其他正常工作電芯產(chǎn)生影響，但是它們的發(fā)熱功率相對(duì)于熱失控電芯的明顯太小。因此，該階段中電池箱各處的溫度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

6）停止階段，該階段斷開電池箱的電源線。電池箱整體的溫度呈下降趨勢(shì)，但是在上一階段其他正常工作電芯產(chǎn)熱但是熱失控電芯損毀不產(chǎn)熱，所以熱控電芯溫度的下降頻率相較其他正常工作電芯較大。最終，電池箱體所以地方的溫度趨于室溫。

熱失控電芯在熱失控過程中最高溫度能達(dá)到134 ℃，此時(shí)其他正常工作的電芯的溫度在80 ℃左右，完全符合安全性要求。并且當(dāng)電芯開始泄壓以后，整個(gè)電池的溫度明顯呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，最終熱失控電芯的溫度會(huì)低于正常工作電芯溫度。

4 結(jié)果與討論

由單個(gè)電芯的熱失控模擬仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較可知，熱失控過程中電池箱內(nèi)部平均溫度達(dá)到最高時(shí)，其溫度分布情況的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較接近，模擬結(jié)果相對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)值略高。從而驗(yàn)證了仿真模型以及模擬結(jié)果的可靠性。通過進(jìn)一步分析可知模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的差異性與模擬過程中發(fā)熱功率設(shè)置有關(guān)，本文設(shè)置的熱流密度為均勻熱。

由本文對(duì)該型方形鋰電池單個(gè)電芯的熱失控時(shí)熱量傳播情況的研究可以主要得到以下兩點(diǎn)結(jié)論：

1）電池內(nèi)部單個(gè)電芯發(fā)生熱失控事故時(shí)，該型電池的冷卻裝置完全能夠吸收掉熱失控過程中產(chǎn)生的熱量，并且維持整個(gè)電池系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。

2）單個(gè)電芯發(fā)生熱失控時(shí)，由于電芯的本身的安全性措施以及電池的冷卻裝置的作用，不會(huì)對(duì)電池內(nèi)其他正常工作的電芯產(chǎn)生熱失控的連鎖反應(yīng)。

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Thermal Management of a Square Lithium Ion Battery in Thermal Out of Control

Li Wenyuan, Fang Lin

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM912

A

1003-4862（2019）03-0029-04

2018-10-30

李文元（1982-）男，工程師。研究方向：分析化學(xué)。E-mail: 85290948@qq.com