基于Fluent热滥用模型锂电池热蔓延分析

乔石杰，王 铁

基于Fluent热滥用模型锂电池热蔓延分析

乔石杰，王 铁*

（沈阳理工大学 汽车与交通学院，辽宁 沈阳 110159）

为进一步了解电池热失控内部微观机理，论文基于Fluent采用ECM-热滥用模型相互耦合的方式，运用数值模拟的方法研究了锂电池在加热滥用条件下电池热失控蔓延现象，分析了锂电池热失控蔓延温度场、热滥用反应及产热速率的变化。结果表明，电池热失控温升曲线变化趋势一致，且正负极与电解质的反应是导致电池温度升高的关键因素，为电池热失控安全性设计提供了参考。

锂电池；热滥用模型；热蔓延分析；温度场；Fluent

锂电池热失控及热失控蔓延已成为新能源汽车领域亟需解决的问题[1]，目前国内外学者进行了大量研究，但研究大都针对单一的热滥用模型开展。徐金龙等[2]基于锂电池热失控模型，研究了充电倍率、环境温度和散热条件对锂离子电池热失控的影响，LI等[3]对18650电池进行了侧加热热失控触发实验，研究了电池荷电状态（State Of Charge, SOC）、热源功率及电池间距对锂电池热失控蔓延的影响。极少考虑多模式耦合下的情况，同时针对电池发生热失控时电池内部各组分分解机理少有研究，因此，本文采用等效电路模型（Equivalent Circuit Model, ECM）热滥用模型相互耦合的的方式研究了加热滥用条件下电池温度、副反应产热及各组分归一化浓度的变化。

1 模型描述

1.1 等效电路模型

选取Fluent电池模块中的电化学模型，ECM模型计算量很小，求解效率很高，同时ECM等效电路中存在RC并联电路，如图1所示，其对负载剧烈变化工况的跟随性较好。

图1 等效电路图

等效电路模型控制方程如下：

式中，U为开路电压；为电池内阻；1、1和2、2分别为电阻和电容；电池总电压由式（1）计算表示；式（2）和式（3）分别为流经RC电路的电流；电池容量由式（4）表示；初始设置为1，表明电池处于充满的状态，设置电池初始温度为300 K，放电倍率设置为1 C。

1.2 热模型

选取方形锂离子电池为研究对象，模型参数如表1所示。

表1 锂离子电池几何参数

运用基本传热表达式计算模型的温度分布[4]

式中，是材料密度；C为比热容；为热传导系数；同时式（5）也遵循能量守恒，等式左边为电池总的产热功率；q为电池单位体积产热功率；其余三项分别为电池//三个方向上流入电池的热量与流出电池热量的差值。电池热物性参数如表2所示。

表2 热物性参数

1.3 热滥用模型

采用四方程模型根据热失控过程中不同阶段起主导作用的不同机理引入4组反应方程，反应速率以阿伦尼乌斯形式表示，控制方程如下。

（1）SEI分解

（2）负极与电解液反应

（3）正极与电解液反应

（4）电解液自身分解

四组副反应方程中、和分别为反应前指因子、活化能和反应级数；sei、sei、和分别为各个反应物组分分数的无量纲变量，其中csei、sei和e的值从1变化到0（1暂未开始反应，0反应结束），的值从0变化到1（0暂未开始反应，1反应结束）；sei为固体电解质界面（Solid Elec- trolyte Interface, SEI）膜厚度的无量纲参数；sei,ref为SEI膜的参考厚度；为温度；为通用气体常数；为反应热（J/kg）；为介质中反应物的密度（kg/m3）；上述三种模型相互耦合作用组成了电池热触发热失控模型，分别反映电池内部不同的组分。

2 网格划分

采用Fluent Meshing对模型进行网格划分。按照网格生成流程，添加局部尺寸控制，最小尺寸为0.3 mm，最大尺寸为4 mm，间隙处网格层数为3，最大面曲率为0.55<0.7，确保可以生成较好的体网格；选取多面体-六面体混合网格进行填充。热触发模型生成体网格数为1 114 561，如图2所示，热源功率为10 000 W。

图2 模型网格示意图

3 结果与讨论

图3为电池热失控温升曲线图，从图中可以看出，#2—#7电池温度变化趋势一致，峰值温度约为1 150 K。#1电池与热源直接接触，随着热源不断加热，当达到电池热失控触发温度时，电池温度急剧上升。图中电池在40 s左右温度达到最大值，约为1 100 K，随着自然对流冷却，#1电池温度逐渐下降之后温度逐渐趋于平稳，在接下来的时间里温度逐渐蔓延至其他电池触发其热失控，在200 s左右所有电池都发生热失控，之后温度都趋于平稳。整体所有电池温度在前期都会有缓慢提升即热量积累阶段，之后突然上升即热失控阶段，可认为拐点处即为电池发生热失控的时刻。

图4为电池各组分归一化浓度变化情况，从图中可以看出在前10 s各组分的浓度没有明显的改变，SEI膜从大约5 s的时候就开始分解，随后正极与电解质开始反应，两者相互促进，加剧了负极与电解质的反应以及电解液自身的分解反应，在40 s左右SEI膜分解完成，随后正极与电解质的反应以及电解液自身的分解反应结束，从图中可以看到负极与电解质的反应并不完全。

图3 电池热失控温升曲线

图4 各组分归一化浓度变化

图5为副反应产热速率变化，1为SEI分解、2为正极与电解液反应、3为负极与电解液反应、4为电解液自身分解。可以看出SEI分解与电解液自身分解产热占比较小。正负极与电解液的反应产热是导致电池温度急剧上升的主要因素，同时负极与电解质反应产热速率高于正极与电解质的反应产热速率。

图5 各副反应产热速率

4 结论

本文研究了加热滥用条件下电池热失控温度分布及热失控蔓延情况，得出电池热失控温升曲线都存在三个阶段，自产热阶段、热失控阶段及稳定阶段。对于归一化浓度及产热速率变化正极与电解液的反应先于负极与电解液的反应，且负极与电解液反应产热速率高于正极与电解液反应产热速率。上述结论从温度分布、归一化浓度及产热速率三个方面，直观地揭示了高温滥用条件下电池热失控及热失控蔓延的微观机理，为进一步设计研究电池热失控防护及热蔓延抑制提供了借鉴意义。

[1] 胡玉财,陆张浩,魏家静,等.新能源汽车产业规划2021—2035解读[J].内燃机与配件,2022(6):167-169.

[2] 许金龙,沈佳妮,王乾坤,等.基于锂离子电池热失控模型的电热耦合滥用条件分析[J].储能科学与技术, 2021,10(4):1344-1352.

[3] LI H, CHEN H, ZHONG G, et al. Experimental Study on Thermal Runaway Risk of 18650 Lithium Ion Battery under Side-heating Condition[J].Journal of Loss Prevention in the Process Industries,2019,61: 122-129.

[4] 欧阳陈志.锂离子动力电池热分析及优化[D].长沙:长沙理工大学,2013.

Thermal Spread Analysis of Lithium Battery Based on Fluent Thermal Abuse Model

QIAO Shijie, WANG Tie*

( School of Automobile and Transportation, Shenyang Ligong University, Shenyang 110159, China )

To further understand the internal micro mechanism of battery thermal runaway, based on Fluent, this paper adopts the coupling method of ECM-thermal abuse model and numerical simulation method to study the thermal runaway spreading phenomenon of lithium battery under heating condition. The thermal runaway spread temperature field, thermal abuse reaction and heat production rate of lithium battery were analyzed. The results show that the temperature rise curve of battery thermal runaway has the same trend, and the reaction of anode and cathode with electrolyte is the key factor leading to the temperature rise of battery, which provides a reference for the safety design of battery thermal runaway.

Lithium battery; Thermal abuse model; Thermal spread analysis; Temperature field;Fluent

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.023.001

U469.72

A

1671-7988(2022)23-01-04

U469.72

A

1671-7988(2022)23-01-04

乔石杰（1997—），男，硕士研究生，研究方向为车辆工程，E-mail:2138535872@qq.com。

王铁（1969—），男，教授，研究方向为车辆工程，E-mail:wangtiesylg@126.com。