电动汽车动力电池热失控试验与仿真

【摘 要】在仿真软件中构建某款圆柱三元锂离子电池热失控模型，通过加热电芯的方式来触发其热失控，同时建立2组对照模型，一组全程不开启液冷，另一组在被加热电芯热失控的瞬间开启液冷。结果表明：在不开启液冷的模型中，电芯热失控所产生的大量热量传递给了周边电芯，致使周围电芯逐一失控。而在对照组中，由于在电芯热失控的瞬间开启了液冷，电芯热失控产生的热量迅速被冷却液带走，周围电芯的温度低于失控临界值，因而没有发生热失控，从而有效地遏制热蔓延的出现。

【关键词】锂离子电池；热失控；热蔓延

中图分类号：U469.72 文献标识码：A 文章编号：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

作者简介

昂金凤（1988—），女，硕士，工程师，主要从事动力电池包仿真工作。

随着汽车电动化时代的来临，人们对电动汽车长续航里程的需求不断增加，以高比能著称的三元锂离子电池应用越来越广，但是锂离子电池在内外部短路、过充过放、机械打击等不当用电状态下极易发生热失控、热蔓延，进而引起严重的火灾事故，这也是制约动力电池技术发展，影响人们对电动汽车信心的关键所在。因此，积极开展锂离子电池热失控机理研究，并采取针对性的预防和阻止热蔓延的发生，实现单颗电芯失控不扩散，从而保证乘员安全，都是新能源汽车行业急需解决的重大问题。

1 锂离子电池热失控机理

在锂离子电池发生热失控的过程中，从低温到高温排序，锂离子动力电池将依次经历：高温容量衰减→SEI膜分解→负极-电解液反应→隔膜熔化过程→正极分解反应→电解质溶液分解反应→负极与粘接剂反应→电解液燃烧等过程[1]。如图1所示。

1）高温容量衰减：在电池内部化学反应产热开始前，高温条件下，部分Mn和Fe离子溶解进入电解液中，并在负极沉积下来，导致负极内阻增大，从而产生电池容量衰减的现象[2]。

2）SEI膜分解：当电池温度逐步升高到90℃左右时，SEI膜分解反应开始变得明显，SEI膜的分解放热主要位于80～120℃温度区间内。

3）负极与电解液的反应：由于负极表面的SEI膜发生分解，负极活性物质失去保护，负极内部嵌入的锂金属将与电解液发生反应。负极与电解液的反应继续进行，使得锂离子电池温度继续升高。

4）隔膜熔化：当温度达到隔膜的熔点时，隔膜将会发生熔化并出现热收缩，产生闭孔效应。常见的隔膜基质材料有PE（聚乙烯）和PP（聚丙烯）两种，PE隔膜的熔化大约在130℃发生，而PP隔膜的熔化大约在170℃发生。

5）正极分解反应、电解液分解反应和粘接剂反应：隔膜溶解后电池内部发生短路，释放出大量的热量，电池温度迅速从120℃提高至300℃甚至更高，此时各种化学反应同时发生，电池达到热失控状态。依据组分主要有正极分解反应、电解液分解反应和粘接剂反应。常见的正极材料有LiCoO2（LCO钴酸锂）、LiMn2O4（LMO锰酸锂）、LiFePO4（LFP磷酸铁锂）和LiNixCoyMnzO2（NCM三元），正极材料的分解反应会产生大量的气体和热量，因此，正极材料对于锂离子电池的热安全性能的影响是最大的。电解质溶液是电解质盐溶于电解液溶剂中形成的混合溶液，是电池内部的导电介质。电解液反应指的是电解液本身的分解放热反应。一般认为含氟粘接剂与锂金属发生反应的温度大概在240～350℃之间[3]。

2 热失控仿真理论

热失控仿真的基础理论是一方程理论和四方程理论。一方程是将整个热失控反应用一个集总方程表示出来，四方程是将热失控过程分为4部分：SEI膜分解、负极与电解质反应、正极与电解质反应、电解质本身分解反应[4]。本例中，选择一方程理论来求解热失控过程。一方程理论公式如下：

式中：A——反应前指因子；m、n——反应级数；α——反应进度，0表示未发生反应，1表示反应完全结束；R——通用气体常数；E——热失控反应的活化能；T——温度；HW——单位体积释放的热量。A、m、n、α、R、E、T、H、W均为模型常数。

热失控模型是基于经验的模型，需要输入试验数据来标定模型中的各个参数。热失控模型需要的ARC数据为在绝热环境下，由绝热加速量热仪ARC（Accelerating Rate Calorimetry）测试出的电芯自产热的温升数据。

3 热失控仿真模型

本例选取15颗33Ah的三元锂离子圆柱电芯，构建以3S5P的电连接方式，同时考虑液体冷却管路的热失控仿真模型，电芯之间填充导热系数较低的灌封胶[5]。热失控电芯模型如图2所示。

4 计算边界

本例采用对中间第8号电芯加热的方式使其热失控，加热功率为300W，加热时间为150s左右。电芯在绝热环境下测得的热特性曲线如图3所示。

仿真采用的ARC文件，起止温度分别选取电芯自发热温度75.4℃和热失控开始温度后某一个温度179℃，采用Arrhenius（阿伦尼乌斯）法拟合ARC数据，得到电芯热失控一方程的各个参数。初始拟合并不理想，手动微调活化能E以及m和n值，得到一个较为理想的温升曲线。多次调整参数得到一个较为接近的拟合曲线，如图4所示。

5 计算结果

初始计算中，不开启液冷。被加热电芯在95s左右发生热失控，最高温度为533℃左右。随后在320s左右引发周围第2颗电芯的失控，时间间隔为225s左右。电芯温度变化曲线如图5所示，电芯热失控反应顺序和时间如图6所示。各个电芯热失控温度云图如图7所示。

监控中间第8号电芯的温度，当其温度达到最高温度533℃时，开启液冷，给予液冷管入口流速0.5m/s，出口4000Pa压力，重新进行热失控模拟。结果如图8a所示，显示当中间被加热的电芯发生热失控的瞬间开启液冷，电芯热失控瞬间产生的高温迅速被冷却液带走，温降速率大约为0.7℃/s，传递给周围电芯的剩余热量不足以让周围电芯达到热失控的临界温度，因此，没有引发周围电芯的失控，避免了热蔓延的发生，结果如图8b所示。

6 热失控试验

电池热失控试验是Pack级别的，在模组中间的电芯表面安装加热膜，加热功率和仿真保持一致，直到温升速率大于1℃/s停止，当温度传感器检测到电芯热失控的瞬间开启液冷。冷却期过后，观察模组外表，没有发现大规模失控破坏痕迹，拆解模组，只有被加热的电芯出现失控爆喷，其余电芯完好。试验结果证实了热蔓延并未发生，定性证明了热失控仿真的可靠性[6]。试验前后模组状态对比如图9所示。

7 结论

本文基于仿真平台构建锂离子电芯的热失控模型，并通过试验测得的ARC数据拟合出较为精准的热失控一方程参数。对开启液冷和不开启液冷这两种计算模型进行对比，发现于热失控触发的瞬间及时开启液冷能够有效防止热蔓延的发生。在实际试验中，采用开启液冷的方法，试验结果显示只有被加热的电芯发生了失控爆喷，周围电芯完好无损，这证实了仿真的可靠性。

参考文献：

[1] 冯旭宁. 车用锂离子动力电池热失控诱发与扩展机理、建模与防控[D]. 北京：清华大学，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，宋述军，张寅作. ANSYS电池仿真与实例详解——流体传热篇[M]. 北京：机械工业出版社，2021.

[5] 王青松，孙金华，何理. 锂离子电池安全性特点及热模型研究[J]. 中国安全生产技术，2005，6（1）：19-21.

[6] 单明新，王松岑，朱艳丽，等. 锂离子电池过充爆炸强度试验研究[J]. 安全与环境学报，2015，15（5）：116-118.

（编辑 凌 波）