1、2023.1Vol.47No.1研 究 与 设 计收稿日期：2022-06-12作者简介：李昂(1992)，男，河南省人，硕士，工程师，主要研究方向为动力电池安全。三元锂离子动力电池包热失控蔓延数值分析李昂，刘卫国，喻成，李宗华，赵晨(重庆长安新能源汽车科技有限公司，重庆 401120)摘要：为研究电池包关键参数对于热失控蔓延抑制的影响，建立了锂离子电池包热失控蔓延集总参数模型，运用正交试验方法，并通过综合频率分析法得到了一组最佳试验方案：电芯与侧板间的热阻为0，即除去原有正常装配所产生的接触热阻，不新增热阻；电芯间热阻0.08 m2K/W；侧板外隔热垫厚度4.5 mm；电芯与水冷板间的热阻0
2、.24 m2K/W。与原方案相比，靶模组电芯平均热失控蔓延间隔时间延长419.9 s；观察模组热失控电芯数量减少36个；观察模组最高温降低1 067，可有效抑制模组间热蔓延。所得结论可用于三元锂离子动力电池包的热蔓延抑制设计。关键词：锂离子动力电池；热蔓延；蔓延抑制；正交试验中图分类号：TM 912文献标识码：A文章编号：1002-087 X(2023)01-0041-06DOI:10.3969/j.issn.1002-087X.2023.01.010Numerical analysis of thermal runaway propagation for NCM lithiumion pow
3、er battery packLI Ang,LIU Weiguo,YU Cheng,LI Zonghua,ZHAO Chen(Chongqing Changan New Energy Automobile S&T Co.,Ltd.,Chongqing 401120,China)Abstract:In order to study the influence of the key parameters of the battery pack on the thermal runawaypropagation prevention,a lumped model of the thermal run
4、away propagation set for lithium ion batteries wasestablished.An optimal test scheme was obtained by using orthogonal test method and comprehensive frequencyanalysis method.A group of optimal experimental schemes were obtained,resistance between cells and side plate is0 m2K/W,it means that forgettin
5、g the contact heat resistance from the original normal assembly without adding newheat resistance.Resistance between cells is 0.08 m2 K/W,thickness of heat insulation plate is 4.5 mm,resistancebetween cells and cooling plate is 0.24 m2 K/W.Compared with original plan,the maximum temperature ofobserv
6、ation modules decreased 1 067 ,average time of propagation among cells increased 419.9 s,amount ofpropagation cells of observation modules decreased 36.The conclusion can be applied to the design of thermalrunaway propagation prevention for lithium ion battery pack.Key words:lithium ion power batter
7、ies;thermal runaway propagation;propagation prevention;orthogonalexperiment锂离子动力电池被作为能量源广泛应用于电动汽车，但是以起火、爆炸为主要表现的热失控问题时有发生。明晰电池热失控的蔓延机理，进行相应的安全设计，阻隔热蔓延的发生至关重要。SPOTNITZ等1建立了由8节18650电池组成的电池组热失控蔓延集总参数模型，仿真研究了电池组与环境的换热条件、热失控电芯的位置对热蔓延的影响。FENG等2建立了6节方壳电池热失控蔓延集总参数模型，仿真分析了热失控触发温度、电池热失控放热量等因素对热失控蔓延速率的影响。COLEM
8、AN 等3针对圆柱型电池组成的电池组，建立了二维热失控蔓延模型，仿真分析了电池间距对于热蔓延的影响，同时将复合相变材料与液冷结合，验证了这种方法在抑制热失控蔓延方面的有效性。FENG等4建立了6节方壳电池三维热失控蔓延模型，分析了方壳型电池串联模组热失控蔓延过程中的热流途径。XU等5建立了三维热失控蔓延模型，仿真研究了微流道液冷系统对热蔓延的抑制效果。邹时波等6分析了 18650锂离子电池模组在不同的相变材料特性下的热失控蔓延特性。但上述研究未考虑电池成组或者装包后，电池模组及电池包相关附件对热失控蔓延的影响，电池包内热失控蔓延过程还不明晰。本文的主要目的是通过数值分析方法搭建锂离子电池包热失
9、控蔓延集总参数模型，模拟锂离子电池包热失控蔓延过程，研究电池模组及电池包相关附件的参数对热失控蔓延的影响，并基于四因素四水平正交试验优化热失控蔓延抑制方案。1 数值仿真模型本文采用的电池包由5个电池模组、箱体、热管理组件等组成，如图 1所示。每个模组由 12个方壳三元锂离子电池、端板、侧板等组成，如图2所示。该模拟在初始时刻，提供2号模组(以下简称靶模组)1号电芯一个功率为 500 W的热源，直到该电芯达到热失控起始温度，即认为热失控已触发，同时停止加热。412023.1Vol.47No.1研 究 与 设 计1.1 锂离子电池热失控模型热失控各副反应可通过 Arrhenius定律表达反应速率随
10、物质浓度、温度变化的规律7-9。三元锂离子电池热失控的产热量为各副反应的产热量之和。热失控副反应主要有 SEI膜分解反应、负极与电解液反应、正极与电解液反应、电解液分解反应。Str=Ssei+Sne+Spe+Se(1)式中：Str为锂离子电池热失控过程中的总产热速率；Ssei为SEI 膜分解产热速率；Sne为负极与电解液反应产热速率；Spe为正极与电解液反应产热速率；Se为电解液分解产热速率。SEI膜分解产热速率为：Ssei(T,csei)=HseiWseiaseiexp(-EseiRT)csei(2)dcseidt=-aseiexp(-EseiRT)csei(3)式中：Hsei为 SEI 膜
11、分解产热量；Wsei为初始时刻负极中包覆SEI膜的碳含量；asei为SEI膜分解反应速率因子；csei为SEI膜无量纲浓度值；Esei为 SEI 膜分解活化能；R为气体常数，R=8.314 J/(molK)；T为开氏温度。负极与电解液反应产热速率为：Sne(T,cne,z)=HneWneaneexp(-zz0)exp(-EneRT)cne(4)dcnedt=-aneexp(-zz0)exp(-EneRT)cne(5)dzdt=aneexp(-zz0)exp(-EneRT)cne(6)式中：Hne为负极与电解液反应产热量；Wne为负极材料质量；ane为负极与电解液反应速率因子；cne为负极无量纲
12、浓度值；Ene为负极与电解液反应活化能；z为SEI膜无量纲厚度；z0为SEI膜无量纲初始厚度。正极与电解液反应产热速率为：Spe(T,cpe)=HpeWpeape()1-exp(-EpeRT)(7)ddt=ape()1-exp(-EpeRT)(8)式中：Hpe为正极与电解液反应产热量；Wpe为正极材料质量；ape为正极与电解液反应速率因子；cpe为正极无量纲浓度值；Epe为正极与电解液反应活化能；为转化率。电解液分解反应产热速率为：Se(T,ce)=HeWeaeexp(-EeRT)ce(9)dcedt=-aeexp(-EeRT)ce(10)式中：He为电解液分解反应产热量；We为电解液质量；a
13、e为电解液分解反应速率因子；ce为电解液无量纲浓度值；Ee为电解液分解反应活化能。根据 Arrhenius 定律，由电芯各组分的差示扫描量热法(DSC)测试结果拟合所得的热失控反应动力学参数如下：SEI膜分解产热量 Hsei为 2.57105J/kg；SEI 膜包覆碳含量 Wsei为6.104102kg/m3；SEI膜分解反应速率因子asei为1.6671015/s；SEI 膜分解活化能 Esei为 1.350 8105J/mol；负极与电解液反应产热量 Hne为 1.714106 J/kg；负极材料质量 Wne为 6.104102 kg/m3；负极与电解液反应速率因子ane为2.51 013
14、/s；负极与电解液反应活化能Ene为1.350 8105 J/mol；正极与电解液反应产热量 Hpe为 3.14105 J/kg；正极材料质量 Wpe为1.438103 kg/m3；正极与电解液反应速率因子 ape为 6.6671 013/s；正极与电解液反应活化能Epe为1.396105 J/mol；电解液分解反应产热量为1.55105 J/kg；电解液质量Wpe为4.069102 kg/m3；电解液分解反应速率因子ape为5.141 025/s；电解液分解活化能 Epe为 2.74105 J/mol；SEI 无量纲浓度初始值Csei,0为0.15；负极无量纲浓度初始值 Cne,0为0.75
15、；电解液无量纲浓度初始值 Ce,0为 1；SEI无量纲厚度初始值 z0为 0.033；转化率初始值0为0.04。1.2 锂离子电池热失控特征温度的测定加速绝热量热仪(ARC)是反应性化学物质热危险性评价的重要工具之一，该仪器通过提供一种近似绝热的环境，实现了样品温度和加热腔温度在达到热失控触发温度之前始终保持一致。本研究采用英国 THT公司生产的大尺寸量热仪(Extended volume-accelerating rate calorimetry，EV-ARC)，其圆柱体量热腔直径达到 450 mm，高度为 500 mm。本文所研究电芯通过 EV-ARC获取的三个特征温度分别为：自产热起始温
16、度 101，热失控起始温度 182，热失控最高温度1 190。ARC的参数设置为：实验起始温度 25；实验截止温度 300；温升步长 5；温度精度 0.02 min-1；等待时间30 min；计算温度步长0.1；安全压力2107Pa。1.3 锂离子电池热失控蔓延的集总参数模型锂离子电池热失控蔓延的集总参数模型的几何结构如图 1进行设定。本模型中，忽略热失控过程中喷发出的高温图1电池包模型示意图图2模组模型示意图422023.1Vol.47No.1研 究 与 设 计表 1 y 参数的释义 y 定义 cj,(j1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12)电芯 slj,(j1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12)左侧板 srj,(j1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12)右侧板 glj,(j1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12)左侧隔热垫 grj,(j1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12)右侧隔热垫 pj,(j1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12)水冷板 aj,(j1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,
