CN113051721A - 一种基于能流分析的电池模组结构设计方法 - Google Patents

一种基于能流分析的电池模组结构设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于能流分析的电池模组结构设计方法，包括以下步骤：获取约束条件和预设置的电池模组热蔓延时间T，构建电池模组模型；在仿真软件中对电池模组模型进行热蔓延仿真分析，如果热蔓延时间t大于预设置的电池模组热蔓延时间T，则得到了最优电池模组模型，否则，进行能流分析，增加单体电池的热量流动路径，减少相邻单体电池之间的热传递，再次进行热蔓延仿真分析。与现有技术相比，本发明通过改变单体电池的排列方式来找到满足约束条件且热蔓延时间较长的电池模组模型，兼顾了电池模组的体积约束和热蔓延时间要求，得到的电池模组模型能够为消防措施争取足够多的时间，降低了灾难事故发生的可能性。

Description

一种基于能流分析的电池模组结构设计方法
技术领域
本发明涉及电池技术领域，尤其是涉及一种基于能流分析的电池模组结构设计方法。
背景技术
随着新能源汽车行业的高速发展，电动汽车的数量在不断增长。电池包作为电动汽车的重要组成部分，其安全性问题必须被考虑，电池包一般包括多个电池模组，一个电池模组由多个单体电池组成。当某个单体电池受到外力挤压和刺穿、外部热源加热、电池内外部短路等情况时，单体电池内部会发生不可控的连锁产热化学反应，这称之为电池的热失控反应。在电池模组或电池包内，若因一个单体电池发生热失控反应而导致其他单体电池相继发生热失控反应，这称之为电池的热失控蔓延。单体电池热失控所释放的能量有限，但若单体电池之间发生热失控蔓延从而导致电池模组，甚至电池包的热失控，大量电池热失控所释放的能量累积起来就十分巨大了，有可能造成汽车的燃烧，甚至爆炸，危害性极大。由于单体电池的热失控无法避免，因此如何防止单体电池热失控在整个电池模组或电池包中的蔓延成为亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于能流分析的电池模组结构设计方法，建立电池模组模型并对其进行热蔓延仿真分析和能流分析，通过改变单体电池的排列方式来增加单体电池的热量流动路径，以找到满足约束条件且热蔓延时间较长的电池模组模型，兼顾了电池模组的体积约束和热蔓延时间要求，得到的电池模组模型能够为消防措施争取足够多的时间，提高了电池模组的安全性，降低了灾难事故发生的可能性。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于能流分析的电池模组结构设计方法，包括以下步骤：
S1：获取约束条件和预设置的电池模组热蔓延时间T，所述约束条件包括电池模组体积V和电池模组功率P，基于约束条件构建得到电池模组模型；
S2：在仿真软件中对电池模组模型进行热蔓延仿真分析，记录热蔓延时间t，如果电池模组模型的热蔓延时间t大于预设置的电池模组热蔓延时间T，则执行步骤S4，否则，执行步骤S3；
S3：对电池模组模型进行能流分析，计算热失控的单体电池向相邻单体电池所传递的热流量，在满足约束条件的前提下改变电池模组模型中单体电池的排列方式以增加单体电池的热量流动路径和减小相邻单体电池之间的热传递，执行步骤S2；
S4：将当前得到的电池模组模型作为最优电池模组模型，获取最优电池模组模型的结构和热蔓延时间T0；
S5：基于最优电池模组模型的结构和热蔓延时间T0确定消防系统，得到电池模组结构。
进一步的，步骤S1中，基于约束条件构建得到电池模组模型具体为：基于电池模组功率P确定单体电池的数量，基于电池模组体积V和单体电池的数量建立电池模组模型的几何模型，在几何模型上添加模型参数，得到电池模组模型。
进一步的，所述热蔓延时间为一个单体电池开始发生热失控至相邻单体电池开始发生热失控的时间长度。
进一步的，步骤S2中，如果电池模组模型没有发生热蔓延，则认为热蔓延时间t大于预设置的电池模组热蔓延时间T。
进一步的，步骤S3中，增加单体电池的热量流动路径具体为：根据热失控的单体电池向各个相邻单体电池所传递的热流量，确定单体电池与各个相邻单体电池之间的热量流动路径，选择热流量最大的热量流动路径作为主要传热路径，改变单体电池的排列方式，分散主要传热路径上的热流量。
进一步的，步骤S3中，改变电池模组模型中单体电池的排列方式包括：增加单体电池之间的间距、增加单体电池的相邻单体电池的数量、减少单体电池与相邻单体电池的接触面积和改变单体电池与相邻单体电池之间的夹角。
更进一步的，步骤S3中，以1mm为单位增加单体电池之间的间距。
进一步的，步骤S5中确定电池模组的消防系统包括：基于最优电池模组模型的结构和热蔓延时间T0，确定冷却液的进液口、冷却液的出液口、冷却液的流动路径和进液口的注液速度。
更进一步的，步骤S5中确定电池模组的消防系统还包括：设置温度传感器、烟雾传感器和VOC传感器，并确定各个传感器的报警阈值。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)建立电池模组模型并对其进行热蔓延仿真分析和能流分析，通过改变单体电池的排列方式来增加单体电池的热量流动路径，以找到满足约束条件且热蔓延时间较长的电池模组模型，兼顾了电池模组的体积约束和热蔓延时间要求，得到的电池模组模型能够为消防措施争取足够多的时间，提高了电池模组的安全性，降低了灾难事故发生的可能性。
(2)对于热蔓延时间不满足要求的电池模组模型，通过增加单体电池之间的间距、增加单体电池的相邻单体电池的数量、减少单体电池与相邻单体电池的接触面积和改变单体电池与相邻单体电池之间的夹角，以增加单体电池的热量流动路径，减少相邻单体电池之间的热量传递，从而降低了热蔓延时间。
(3)确定电池模组结构后，以电池模组的热蔓延时间为依据，综合考虑成本和安全性确定消防系统中冷却液的进液口、出液口和流动路径。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为现有的电池模组结构示意图；
图3为实施例中现有的电池模组热蔓延仿真分析结果；
图4为实施例中交错排列减少接触面积的示意图；
图5为实施例中电池模组模型的热蔓延仿真分析结果；
图6为实施例中电池模组模型的热蔓延仿真分析结果。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件。
实施例1：
目前，《电动汽车用动力蓄电池安全要求》规定：电池包或系统在由于单个电池热失控引起热扩散、进而导致乘员舱发生危险之前5min，应提供一个热事件报警信号(服务于整车热事件报警，提醒乘员疏散)。如果热扩散不会产生导致车辆乘员危险的情况，则认为该要求得到满足。现有技术中，考虑到成本和体积限制，电池模组都是直列排列的，如图2所示，其热量流动路径单一，当某一单体电池发生热失控后，该热失控的单体电池所释放出的热只能一对一传播，流向相邻的单体电池，导致相邻单体电池吸收的热量较多，升温较快，因此其热失控蔓延的时间较短(可能小于5min)，电池包的消防等安全措施可能无法在较短的时间内对电池包进行降温冷却处理，从而造成整个电池包的热失控，甚至导致整车系统无法及时提供危险报警信号，进而导致事故灾害的升级。
电池受外部加热而触发热失控需要达到一定的温度，发明人经过分析和研究，发现当电池模组中的某一单体电池发生热失控时，该热失控单体电池释放出的热会逐步加热相邻单体电池。在传统的电池模组结构中，单体电池的热量流动路径单一，导致热失控单体电池的大部分热量被邻近单体电池吸收，从而很快地发生热失控蔓延。本申请提供了一种基于能流分析的电池模组结构设计方法，通过改善单体电池的热量流动路径来优化设计电池模组模型，得到满足热蔓延时间需求的电池模组模型，如图1所示，包括以下步骤：
S1：获取约束条件和预设置的电池模组热蔓延时间T，所述约束条件包括电池模组体积V和电池模组功率P，基于约束条件构建得到电池模组模型；
S2：在仿真软件中对电池模组模型进行热蔓延仿真分析，记录热蔓延时间t(热蔓延时间为一个单体电池开始发生热失控至相邻单体电池开始发生热失控的时间长度)，如果电池模组模型的热蔓延时间t大于预设置的电池模组热蔓延时间T(如果电池模组模型没有发生热蔓延，则认为热蔓延时间t大于预设置的电池模组热蔓延时间T)，则执行步骤S4，否则，执行步骤S3；
S3：对电池模组模型进行能流分析，计算热失控的单体电池向相邻单体电池所传递的热流量，在满足约束条件的前提下改变电池模组模型中单体电池的排列方式以增加单体电池的热量流动路径和减小相邻单体电池之间的热传递，执行步骤S2；
S4：将当前得到的电池模组模型作为最优电池模组模型，获取最优电池模组模型的结构和热蔓延时间T0；
S5：基于最优电池模组模型的结构和热蔓延时间T0确定消防系统，得到电池模组结构。
通过本申请设计的电池模组结构，在满足约束条件的前提下，调整单体电池的排列方式，通过增加热量流动路径或减小相邻单体电池的热传递延长了热蔓延时间。增加热量流动路径后，每一个单体电池发生热失控时都有多条热量流动路径，能够向多个相邻的单体电池传热，分散了热失控单体电池所释放的热量，从而有效推迟了热失控的蔓延；减小相邻单体电池的热传递能够避免热失控的单体电池将大量热量传递给相邻单体电池，可以推迟热失控的蔓延。本申请得到的电池模组结构能够延长甚至抑制热失控的蔓延，为消防等安全措施争取足够多的时间，避免灾害事故的发生，提高了电池包的安全性。
步骤S1中，基于约束条件构建得到电池模组模型具体为：基于电池模组功率P确定单体电池的数量，基于电池模组体积V和单体电池的数量建立电池模组模型的几何模型，在几何模型上添加模型参数，得到电池模组模型。
对电池模组模型进行热蔓延仿真分析，可以随机触发电池模组模型中的单体电池发生热失控，触发方式包括针刺、过热和过充等。如果电池模组模型的热蔓延时间t大于预设置的电池模组热蔓延时间T(本实施例中为5min)，则认为电池模组模型已经满足设计要求。否则，对电池模组模型进行能流分析，在满足约束条件的前提下改变电池模组模型中单体电池的排列方式以增加热失控的单体电池的热量流动路径和减小相邻单体电池之间的热传递。
改变电池模组模型中单体电池的排列方式包括：增加单体电池之间的间距、增加单体电池的相邻单体电池的数量、减少单体电池与相邻单体电池的接触面积和改变单体电池与相邻单体电池之间的夹角。
本实施例中，单体电池为方壳电池，数量为9个，方壳电池有6个面，在传统的电池模组结构中，方壳电池的两个较大的面通过的热流量大，如图3所示，针刺触发1号电池热失控，仿真结果显示发生了热失控蔓延，时间为196s，当1号电池热失控时，只有相邻的2号电池吸收1号热失控电池所释放的热，其热量流动路径单一，在196s内2号电池吸收了大约75595J的热，大量的热导致2号电池快速升温，很块就达到热失控触发温度，从而引起热蔓延的发生。
方壳电池的6个面中，两个大面的热流量较大，如图4所示，可以通过交错排列的方式减少单体电池与相邻单体电池的接触面积，如果改变排列方式后得到的电池模组模型仍不能满足热蔓延时间要求，则以增加热量流动路径或减小相邻单体电池的热传递为原则，继续改变单体电池的排列方式，如以1mm为单位逐次增加单体电池之间的间距，直至满足热蔓延时间要求或不能满足约束条件，或者增加单体电池的相邻单体电池的数量、改变单体电池与相邻单体电池之间的夹角等。
也可以增加单体电池的热量流动路径，本实施例中具体为：根据热失控的单体电池向各个相邻单体电池所传递的热流量，确定单体电池与各个相邻单体电池之间的热量流动路径，选择热流量最大的热量流动路径作为主要传热路径，改变单体电池的排列方式，分散主要传热路径上的热流量。如图5所示，减少了单体电池与相邻单体电池的接触面积，还增加了单体电池的相邻单体电池的数量，将主要传热路径上的热量分散至多个单体电池。
本实施例中，对得到的电池模组模型进行仿真试验，如图5所示，针刺触发2号电池热失控，仿真结果显示电池模组模型并没有发生热失控蔓延的情况；其原因为：当2号电池发生热失控时，其热量流动路径为2-1、2-3、2-4、2-5，与其相邻的1、3、4、5号电池都会吸收2号电池释放出的热量，同样在196s内，1号和3号电池大约吸收了17500J的热，4号和5号电池大约吸收了40200J的热。2号电池所释放出的热因此被分散成了较小的几份，每份的热量较小，不足以触发单体电池的热失控，从而抑制了热失控的蔓延。对得到的电池模组模型进行仿真试验，如图6所示，针刺触发5号电池热失控，仿真结果显示电池模组模型并没有发生热失控蔓延的情况；其原因为：当5号电池发生热失控时，其热量流动路径为5-2、5-3、5-4、5-6、5-8、5-9，与其相邻的2、3、4、6、8、9号电池吸收了5号电池释放出的热量，同样在196s内，2号、3号、8号和9号大约吸收了37200J的热，4号和6号大约吸收了15900J的热。5号电池所释放出的热因此被分散成了较小的几份，每份的热量较小，不足以触发电池的热失控，从而抑制了电池热失控的蔓延。
确定最优电池模组模型后，基于最优电池模组模型的结构和热蔓延时间T0确定电池模组的消防系统，得到电池模组结构。确定电池模组的消防系统包括：确定冷却液的进液口、冷却液的出液口、冷却液的流动路径和进液口的注液速度，设置温度传感器、烟雾传感器和VOC传感器，并确定各个传感器的报警阈值。
冷却液的流动路径是根据最优电池模组模型的结构确定的，以保证发生热失控报警时，冷却液能在较短时间内冷却发生热失控的电池。相比于传统的电池模组，通过本申请得到的电池模组模型的热蔓延时间较长，甚至可以直接抑制热蔓延的发生，为电池系统的消防等安全措施争取了时间。
另一方面，传统的电池模组一旦发生热失控后，会在极短的时间内发生热蔓延，消防系统需要快速响应才能避免危险，本申请得到的电池模组结构延长了热蔓延时间，减轻了消防系统的压力，也在一定程度上降低了消防系统的成本。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于能流分析的电池模组结构设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：获取约束条件和预设置的电池模组热蔓延时间T，所述约束条件包括电池模组体积V和电池模组功率P，基于约束条件构建得到电池模组模型；
S2：在仿真软件中对电池模组模型进行热蔓延仿真分析，记录热蔓延时间t，如果电池模组模型的热蔓延时间t大于预设置的电池模组热蔓延时间T，则执行步骤S4，否则，执行步骤S3；
S3：对电池模组模型进行能流分析，计算热失控的单体电池向相邻单体电池所传递的热流量，在满足约束条件的前提下改变电池模组模型中单体电池的排列方式以增加单体电池的热量流动路径和减小相邻单体电池之间的热传递，执行步骤S2；
S4：将当前得到的电池模组模型作为最优电池模组模型，获取最优电池模组模型的结构和热蔓延时间T0；
S5：基于最优电池模组模型的结构和热蔓延时间T0确定消防系统，得到电池模组结构。
2.根据权利要求1所述的一种基于能流分析的电池模组结构设计方法，其特征在于，步骤S1中，基于约束条件构建得到多个电池模组模型具体为：基于电池模组功率P确定单体电池的数量，基于电池模组体积V和单体电池的数量建立电池模组模型的几何模型，在几何模型上添加模型参数，得到电池模组模型。
3.根据权利要求1所述的一种基于能流分析的电池模组结构设计方法，其特征在于，步骤S3中，增加单体电池的热量流动路径具体为：根据热失控的单体电池向各个相邻单体电池所传递的热流量，确定单体电池与各个相邻单体电池之间的热量流动路径，选择热流量最大的热量流动路径作为主要传热路径，改变单体电池的排列方式，分散主要传热路径上的热流量。
4.根据权利要求1所述的一种基于能流分析的电池模组结构设计方法，其特征在于，步骤S3中，改变电池模组模型中单体电池的排列方式包括：增加单体电池之间的间距、增加单体电池的相邻单体电池的数量、减少单体电池与相邻单体电池的接触面积和改变单体电池与相邻单体电池之间的夹角。
5.根据权利要求4所述的一种基于能流分析的电池模组结构设计方法，其特征在于，步骤S3中，以1mm为单位增加单体电池之间的间距。
6.根据权利要求1所述的一种基于能流分析的电池模组结构设计方法，其特征在于，步骤S5中确定电池模组的消防系统包括：基于最优电池模组模型的结构和热蔓延时间T0，确定冷却液的进液口、冷却液的出液口、冷却液的流动路径和进液口的注液速度。
7.根据权利要求6所述的一种基于能流分析的电池模组结构设计方法，其特征在于，步骤S5中确定电池模组的消防系统还包括：设置温度传感器、烟雾传感器和VOC传感器，并确定各个传感器的报警阈值。
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