CN113297738A - 一种锂离子电池热失控建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种锂离子电池热失控建模方法，首先选择要研究的电池，测量其可测的热物性参数，并获取其他的热物性参数以及化学动力学参数；其次，建立锂离子电池的热失控模型；再次，通过实验进行模型验证以及参数校正；最后，通过校正后的模型研究电池热失控机理，热失控产热和电池温度分布特征，以及对流换热系数对电池热失控的影响。通过对电池热失控过程中电池副反应建模，模拟由局部加热触发的电池热失控过程，分析电池热失控机理，热失控产热以及对流换热系数对电池热失控的影响。
Description
技术领域
本发明属于电池领域，涉及一种锂离子电池热失控的建模方法。
背景技术
目前锂离子电池被广泛应用在便携电子设备，电动汽车以及储能电站等重要领域，然而频发的事故使得锂离子电池的应用场景受到限制。
目前研究大多采用加速量热仪，研究绝热条件下锂离子电池热失控特征，对其他触发热失控的情景研究较少。锂电池在诸多应用场景中存在局部受热的情况，如内部活性材料利用率不一致，导致局部发热；电池模组中的电池由于外部散热条件不同导致局部受热；由于邻近电池热失控导致电池局部受热。故研究局部加热导致锂电池热失控十分有必要。并且采用传统的实验方法对锂离子电池热失控研究会耗费大量的人力物力财力以及时间，而模拟则显现出了诸多优点，可任意改变工况及参数，减少周期提高效率等。
发明内容
本发明提供了一种锂离子电池热失控建模方法，对锂离子电池热失控机理建模，并且通过实验进行模型验证以及参数校正，进而研究了对流换热系数对电池热失控过程的影响。
本发明采用了以下技术方案：
一种锂离子电池热失控建模方法，包含以下步骤：
步骤一，锂离子电池热失控机理建模，即确定热失控各副反应，并获取各热物性参数及化学动力学参数；
步骤二，根据热物性参数和化学动力学参数建立电池三维热失控模型；
步骤三，通过实验进行模型验证以及参数校正；
步骤四，通过校正后的模型研究局部加热场景下电池热失控机理，热失控产热以及电池温度的分布；
步骤五，改变电池的对流换热系数，研究对流系数对电池热失控过程的影响。
其中，热失控模型包含了一个三维(3D)热传递模块和一个三维(3D)热失控产热模块：
(1)3D热传递模块根据电池实际尺寸构建三维几何模型，考虑电池内部的导热，电池与外部环境间的对流换热和辐射换热。
(2)3D热失控产热模块通过锂离子电池热失控副反应模型计算电池在热失控过程中的产热。
其中，通过实验方法进行了模型验证以及参数校正，实验采取以下步骤：(1)通过先恒流后恒压的充电方法将电池充满电；(2)在2m×2m×1.8m的锂离子电池火灾危险性测试平台对电池进行加热触发的热失控试验；(3)用热电偶测量热失控过程中电池的温度变化，与模拟结果相比较；(4)根据上述步骤(3)的结果进行参数校正，得到校正后的热失控模型。
本发明与现有技术相比的优点：
1，建立锂离子电池的热失控模型，并且通过实验验证和参数校正提高了模型的精确性；
2，该模型适用于各类电池在侧边加热工况下的热失控研究；
3，只需制备少量的所需电池进行模型的验证，在此基础上通过模拟的方法进行各种工况下电池热失控的研究。
附图说明
图1为本发明一种锂离子电池热失控建模方法流程图。
图2为本发明的实施例一中电池外观以及电池尺寸。
图3为本发明的实验装置示意图。
图4为本发明的实施例一中三维热模型几何及其网格示意图，其中，图4(a)为三维热模型几何示意图，图4(b)为网格示意图。
图5为本发明的实施例一中侧边加热触发热失控模拟与实验结果对比。
图6为锂电池热失控各副反应进度。
图7为热失控各副反应产热图，其中，图7(a)为各副反应产热图，图7(b)为各副反应产热占比图。
图8为热失控瞬态三维温度分布变化图。
图9为不同对流传热系数下电池温度曲线的变化。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致的描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。
如图1所示，本发明一种锂离子电池热失控建模方法，包含以下步骤：步骤一，选择要研究的电池，测量其可测的热物性参数，并获取其他的热物性参数以及化学动力学参数；步骤二，建立锂离子电池的热失控模型；步骤三，通过实验进行模型验证以及参数校正；步骤四，通过校正后的模型研究局部加热场景下电池热失控机理，热失控产热以及电池温度的分布；步骤五，改变电池的对流换热系数，研究对流系数对电池热失控过程的影响。
步骤二为建立锂离子电池的热失控模型，下面叙述3D热失控模型的建立过程：
(1)3D热模型的建立
热失控模型是基于能量守恒方程进行建立。电池的产热包含两部分：副反应产热和内短路产热。其中电池热失控副反应包括SEI膜分解，负极与电解液反应，正极与电解液反应和电解液分解反应。由于隔膜熔断，电池内部发生内短路，其产热用一级RC电路来模拟，建模列于表1。对于热失控模型中的边界条件，即散热部分，由于锂离子电池不同位置的电芯面临的散热条件不同，对于位处电池内部的电芯，主要以热传导方式向近邻位置电芯传热；而电池外层将直接面向外部环境散热，散热方式主要包括对流换热及辐射换热等。本文将不同的散热方式都等效为对流换热处理。热失控模型中的控制方程和边界条件均列于表1中。
表1. 3D热失控模型中的控制方程以及边界条件
文中出现的符号及术语见表2。
表2.文中出现的符号以及术语
步骤二中对模型的验证是通过下述步骤进行：
(1)通过恒流恒压的充电方法将电池充满电；(2)在中尺寸锂离子电池火灾危险性测试平台对电池进行加热触发的热失控试验；(3)用热电偶测量热失控过程中电池的温度变化，与模拟结果相比较；(4)根据上述步骤(3)的结果进行参数校正，得到校正后的热失控模型。
实施例一
以商用86Ah的磷酸铁锂/石墨(LFP/C)方型电池为例，对该锂离子电池进行热失控建模，全面、详细地对本发明作出描述，该优化方法不只局限于对该电池，也适用于其他电池模型的建立。电池外形以及实际测量尺寸如图2所示，电池长度为205mm、宽度为175mm、厚度为30mm。模型的建立分为两个部分：
1.首先对实验部分进行描述：
实验方法为利用NEWARE电池循环仪，通过恒流恒压的充电方法将电池充满电，在2m*2m*1.8m锂离子电池火灾危险性测试平台(自制7018燃烧室)对电池进行加热触发的热失控试验，实验过程中用热电偶测量电池的温度变化，热电偶的布置如图3所示。
2.然后对数值模拟部分进行描述，共分为5个步骤，如下所述：
步骤一，参数获取。根据实验测量以及文献调研的方法获取电池化学动力学模型参数，和电池整体热参数，以及电池材料热物性参数分别列于表3，表4和表5。
步骤二，模型建立。根据能量守恒方程建立电池的三维(3D)热传递模型，根据电池实际尺寸构建三维几何模型，考虑电池内部的导热，电池与外部环境间的热传导、对流换热和辐射换热。然后建立热失控产热模型，通过锂离子电池热失控副反应模型计算电池在热失控过程中的产热，从而模拟热失控过程中电池温度的变化。图4为本发明的实施例一中三维热模型几何及其网格示意图，其中，图4(a)为三维热模型几何示意图，图4(b)为网格示意图。
表3.热失控模型化学动力学参数
注：“-”表示该项不存在或不考虑
表4.电池整体热参数
表5.电池材料热物性参数
步骤三，模型验证以及参数校对。基于COMSOL Multiphysics多物理场仿真平台，建立了如步骤二所述的热失控模型，模型开始认为电池是满电状态，对电池进行侧边加热直至热失控后拔去加热板电源，最终得到电池全过程温度变化，与实验结果进行对比验证，其对比图见图5。此外，通过与实验温度曲线图对比，校正模型中对流换热系数，可得heq＝15W/m2/K。
步骤四，电池热失控机理，热失控产热分析及电池温度的分布的研究。基于步骤二建立的热失控模型，通过实验校正后研究电池热失控机理，热失控产热和电池温度分布特征。热失控各副反应进度由活性物无量纲浓度表征，如图6所示。热失控过程中反应进度的变化趋势与温度曲线的变化一致。热失控各副反应产热如图7所示，由图所知，负极与电解液反应是热失控中的主要热源，产热量占总副反应产热量63.8％。锂电池热失控瞬态三维温度分布变化如图8所示，由图可知，电池在热失控过程中呈现较大的温度梯度，在热失控副反应结束后，温度分布逐渐趋于均匀。
步骤五，对流换热系数的研究。基于步骤二建立的热失控模型，通过实验校正后研究对流换热系数对电池热失控的影响。如图9所示。
以上所述实施例仅表达了本申请的实施方式，但不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些变形和改进都属于本申请的保护范围。
Claims (3)
1.一种锂离子电池热失控建模方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤一，锂离子电池热失控机理建模，即确定热失控各副反应，并获取各热物性参数及化学动力学参数；
步骤二，根据热物性参数和化学动力学参数建立电池三维热失控模型；
步骤三，通过实验进行模型验证以及参数校正；
步骤四，通过校正后的模型研究局部加热场景下电池热失控机理，热失控产热以及电池温度的分布；
步骤五，改变电池的对流换热系数，研究对流系数对电池热失控过程的影响。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：热失控模型包含了一个三维(3D)热传递模块和一个三维(3D)热失控产热模块；
(1)3D热传递模块根据电池实际尺寸构建三维几何模型，考虑电池内部的导热，电池与外部环境间的对流换热和辐射换热；
(2)3D热失控产热模块通过锂离子电池热失控副反应模型计算电池在热失控过程中的产热。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：通过实验方法进行了模型验证以及参数校正，实验采取以下步骤：(1)通过恒流恒压的充电方法将电池充满电；(2)在锂离子电池火灾危险性测试平台对电池进行加热触发的热失控试验；(3)用热电偶测量热失控过程中电池的温度变化，与模拟结果相比较；(4)根据上述步骤(3)的结果进行参数校正，得到校正后的热失控模型。
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