CN116187090B - 一种考虑喷射火影响的锂离子电池热失控传播建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种考虑喷射火影响的锂离子电池热失控传播建模方法，涉及锂离子电池模型构建及仿真方法的技术领域，具体步骤如下：(1)选择一种锂离子电池模组，获取可测的电池电化学参数、材料热物性参数和电池模组的几何特征参数；(2)根据初始参数，建立三维几何模型并划分网格，将求解域分为电池、外部流体、顶部挡板三个区域；(3)求解电池区域的热失控反应动力学方程和排气动力学方程；(4)将步骤3计算得到的电池温度和射流动力学参数作为边界条件，求解流体区域的守恒方程，获得喷射火火焰特征；(5)基于步骤4获得喷射火焰形态、火焰温度分布等参数，求解能量方程获得顶部挡板的温度；(6)基于电池、喷射火、挡板的热量传递和边界处的能量守恒，获得喷射火影响下的热失控传播的演化特征及规律。本发明能够计算锂离子电池在不同空间特征下的喷射火焰特征，同时能够模拟火焰影响下的热失控传播行为，进而为锂离子电池模组以及储能系统的安全设计提供依据。
Description
技术领域
本发明属于锂离子电池模型构建及仿真方法的技术领域，具体涉及一种考虑喷射火影响的锂离子电池热失控传播建模方法。
背景技术
我国储能产业得到快速发展，对可充电电池的应用需求也与日俱增。由于具有能量密度高、自放电率低、使用寿命长和绿色环保等优点，锂离子电池在电动汽车和储能系统等领域得到了广泛应用。然而由于含有大量的活性材料和电能，热失控导致的安全问题仍然是阻碍锂离子电池大规模应用的阻碍。锂离子电池在热失控过程中除了释放大量的热外，内部同时会产生大量的氢气、一氧化碳、烷烃等可燃气体，进而导致电池内部压力升高。当压力达到临界值时，安全阀将打开以释放易燃气体、电解质液滴和固体颗粒。当这些气体被点火源直接引燃，或者温度达到它们的燃点时，就会发生喷射火。在锂离子电池模组中，电池释放的热量很容易加热相邻的电池，导致相邻的电池发生热失控，进而使整个模组内电池全部失效，造成大规模的火灾爆炸事故。其中，排放气体燃烧释放的热量不容忽视，其可以通过热对流和热辐射的方式对电池的上表面进行传热，加速热失控传播进程。因此，对于热失控传播过程的研究必须要考虑喷射火的影响，这对锂离子电池模组、储能系统的安全设计以及事故应急处置措施的制定具有重要意义。
相较于实验研究手段，数值模拟方法能够不受时间空间以及参数测量策略的限制，能够对热失控传播过程中的温度分布进行全面预测，是研究锂离子电池热失控传播行为、辅助电池模组安全设计的有力工具。目前的锂离子电池热失控传播的仿真模型可分为热阻网络模型和三维热传导模型。热阻网络模型将单体电池视为一个节点，将电池的平均温度作为节点温度，其关注的重点在于电池温度随时间的变化情况，但忽略了电池内部的温度梯度。三维热传导模型提供了锂离子电池内部详细的温度分布情况，但对于外部的流场和喷射火不能进行预测。总体而言，当前的锂离子电池组热失控传播模型中，大都未考虑排放气体燃烧对传播行为的影响。基于此，本方法提出了一种考虑喷射火影响的锂离子电池热失控传播建模方法，首先建立几何模型和网格，并将其划分为电池、流体、顶部挡板三个区域，随后求解电池区域的热失控子模型和排气子模型，将计算得到的射流动力学参数作为边界条件，求解流体区域的守恒方程，获得喷射火火焰特征，随后基于喷射火特征求解顶部挡板的温度，最终基于电池、喷射火、挡板的能量守恒获得热失控传播的演化特征及规律。本发明能够计算锂离子电池在不同空间特征下的喷射火焰特征，同时能够模拟火焰影响下的热失控传播行为，进而为锂离子电池模组以及储能系统的安全设计提供依据。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的上述缺陷，提出一种考虑喷射火影响的锂离子电池热失控传播建模方法。通过在电池、外部流体、顶部挡板三个区域构建相互耦合的求解模型，计算锂离子电池在不同空间特征下的喷射火焰特征，同时模拟燃烧影响下的热失控传播行为。
其技术方案是：一种考虑喷射火影响的锂离子电池热失控传播建模方法，包含以下步骤：步骤一，选择一种锂离子电池模组，获取可测的电池电化学参数、材料热物性参数和电池模组的几何特征参数；步骤二，根据初始参数，建立三维几何模型并划分网格，将求解域分为电池、外部流体、顶部挡板三个区域；步骤三，求解电池区域的热失控反应动力学方程和排气动力学方程；步骤四，将步骤三计算得到的电池温度和射流动力学参数作为边界条件，求解流体区域的守恒方程，获得喷射火火焰特征；步骤五，基于步骤四获得喷射火焰形态、火焰温度分布等参数，求解能量方程获得顶部挡板的温度；步骤六，基于电池、喷射火、挡板的热量传递和边界处的能量守恒，获得喷射火影响下的热失控传播的演化特征及规律。
进一步的，步骤三中热失控反应动力学方程的基本理论以及建立过程包括：
在热失控过程中，电化学反应释放的热量会使电池温度持续升高，可以采用基于Arrhenius公式的三维瞬态能量守恒方程来描述这一过程：
其中ρ是密度，Cp是比热容，T是温度，t是时间，κx、κy、κz为电池三个方向上的热导率，ΔHi为副反应的焓值，ci为活性材料的无量纲浓度。dci/dt可通过Arrhenius公式进行求解，有关控制方程均列于表1中。
表1热失控产热动力学模型的控制方程
进一步的，步骤三中排气动力学方程的基本理论以及建立过程包括：
锂离子电池内部的产气过程包括电解液蒸发和副反应释放。电解液的蒸发速率由下式确定：
其中αl是电解液在卷芯中的体积分数，l1和l2是电池的几何参数，C是蒸发系数；Me是电解液的摩尔质量，ρv是电池内部的蒸汽密度，ΔvapH是蒸发焓，Tsat是电解液的饱和温度，其可以计算为：
其中P表示电池内部的压力。对于反应气体，主要考虑了氢气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、乙烯和乙烷，其生成速率认为是关于电化学反应速率的线性函数，根据下式进行计算：
其中ωi是气体生成系数，通过实验测量的气体生成总量获得。
进一步的，步骤三中内部压力和射流动力学模型采用常微分方程表示的集总参数模型进行计算，其中表征压力变化的控制方程表示为：
其中R为摩尔气体常数，Vh为电池内部的自由空间体积，n为气体分子摩尔量。对于单一气体组分，其摩尔变化率取决于生成速率和流出速率，可由下式给出：
其中表示阻塞系数，Cd为气体排放系数，Av为电池安全阀面积，ρ为气体密度，u为气体射流速度。射流速度通过电池的内部压力进行计算，可由下列方程给出：
其中γ表示排放气体混合物的热容比，Pv为电池安全阀处的压力，Pa为环境压力；Ma为马赫数。
步骤三中的计算获得电池表面温度和安全阀处的射流速度作为动态边界条件，参与步骤四流体区域中计算流体力学模型的计算。
进一步的，步骤四中外部流体的计算流体力学模型，采用雷诺时均的Navier–Stokes方程进行计算，湍流模型采用单方程的k–ε模型。关于不同物理参数的控制方程列于表2中。
表2计算流体力学模型中不同物理参数的控制方程
进一步地，步骤四中的可燃气体燃烧反应通过有限速率的涡耗散概念模型(EDC)进行求解，各气体组分的燃烧速率认为是关于温度和浓度的函数，其表示为：
ω＝A·exp(-Ea/RT)[Fuel]a[O2]b[H2O]c (10)
其中[Fuel]，[O2]，[H2O]分别表示网格内燃料、氧气和水的比例，a，b，c为反应级数。
进一步地，步骤五中的顶部挡板区域的能量守恒方程则表示为：
进一步的，步骤六中的电池、喷射火、挡板的热量传递和边界处的能量守恒通过傅里叶导热定律进行计算。其中三个区域间的耦合边界分为两类，一类为固-固耦合边界，另一类为流-固耦合边界。模组内不同电池间的传热为固-固耦合边界，主导传热方式为热传导，其热量传递可以表示为：
其中Rlayer为边界处的热阻，δlayer为热阻层的厚度，κlayer为热阻层的等效热导率。
电池与流体、顶部挡板与流体间的传热为流-固耦合边界，主导传热方式为热对流和热辐射，其热量传递可以表示为：
其中κs为电池热导率，κf为空气热导率。h为对流换热系数，ε是表面发射率，σ是Stephen–Boltzmann常数。
进一步的，该方法的耦合过程为：电池排放的可燃气体燃烧会在电池上方形成喷射火，导致电池顶部温度升高。喷射火一方面会通过热辐射、热对流向电池传递热量。另一方面，喷射火撞击挡板造成其温度升高，高温挡板同时会向下方电池辐射热量，造成热失控传播加速。该过程复现到开源计算流体力学软件OpenFOAM中，该耦合过程以及计算过程见说明书附图1。文中出现的符号及术语见表3符号和术语。
表3符号和术语
本发明与现有技术相比的优点为：(1)弥补了现有锂离子电池热失控传播模型未能考虑喷射火影响的研究不足；(2)本发明提出的模型涵盖了锂离子电池模组内全面的传热路径，实现了对热失控传播行为更加精准的模拟；(3)该建模方法可以通过改变一系列参数来研究不同工况下锂离子电池热失控传播行为特征及规律，同时能够模拟电池内部和外部的温度空间分布情况，进而为储能系统的安全设计提供依据；(4)该建模方法为锂离子电池模型开发者及仿真研究者提供一种模型框架，能够为后续模型发展提供依据和指导。
附图说明
附图1是本发明中热失控传播建模方法的耦合过程以及计算流程。
附图2是本发明的实施例中模型几何和网格示意图。
附图3是本发明的实施例中实验和仿真获得的火焰形态对比。
附图4是本发明的实施例中实验测量和仿真计算的火焰温度和顶部挡板温度演化曲线对比。
附图5是本发明的实施例中实验测量和仿真计算的电池温度演化曲线对比。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
实施例
以正极材料为磷酸铁锂、负极材料为石墨的方形锂离子电池为例，对该电池在喷射火影响下的热失控传播行为进行模拟，以全面、详细地对本发明做出描述，该方法不仅局限于磷酸铁锂-石墨方形锂离子电池的建模，对所有的锂离子电池热失控传播行为均适用。该方法主要分为以下三部分：(1)参数获取和几何模型的建立；(2)顶部挡板影响下的喷射火形态特征和传热计算；(3)喷射火影响下电池温度演化计算。
(1)首先对参数获取和几何模型建立部分进行描述，共分为2个步骤，如下所述：
步骤一，参数获取。根据文献调研的方法获取电池的物性参数以及反应动力学参数。
步骤二，几何模型的建立。根据电池的规格和所在空间的实际情况，搭建几何模型并划分网格。模型几何和网格见图2，其中包含了六个不同的计算区域，分别为加热片、电池1、电池2、电池3、空气、顶部挡板。整个计算区域的尺寸为50cm×50cm×15cm。计算模型的边界包括地面、电池表面、安全阀、挡板表面和出口。
(2)顶部挡板影响下的喷射火形态特征和传热计算
根据初始参数，求解上述单体电池的热失控产热和排气动力学模型，获得电池温度和射流速度的变化曲线；将计算获得参数作为动态边界条件带入到外部流体域的计算流体力学模型中，对外部的速度分布和温度分布进行预测。图3显示了热失控过程中的喷射火的火焰间歇率轮廓，并与的实验结果进行了对比。从图中可以看出，实验测量的火焰间歇率轮廓与仿真结果高度一致：当高速的射流火冲击顶部挡板时，火焰会沿着挡板向周围拓展，形成T型火焰轮廓。火焰横向拓展长度的预测结果为29cm，实验的测量结果为27cm，可以得到预测误差分别为7.4％，处于一个可接受的范围，这证明了该建模方法在预测喷射火火焰形态上的准确性。图4显示了实施例中实验测量和仿真计算的火焰温度和顶部挡板温度演化曲线对比。在喷射火发生后，电池顶部的温度急剧升高，最高温度可达1051℃；在火焰对流换热的影响下，挡板的温度持续升高，最高温度可达432℃。通过实验和仿真结果的对比可以发现，两者的演化趋势高度一致，对于最高温度的预测结果完全符合，这证明了该建模方法在预测顶部挡板影响下的喷射火形态特征传热特征的有效性。
(3)喷射火影响下电池温度演化计算
图5显示了实验测量的模组内不同电池温度与仿真结果的对比。可以发现，所有的电池温度都经历了两个峰值。第一个温度峰值是由快速放热的链式反应引起的，其测量值分别为403℃，286℃和273℃。随着失效电池冷却和相邻的电池进入热失控，部分释放的热量将被传递回来，并导致第二个温度峰值。在整个热失控传播过程中，第一个电池与第二个电池的传播间隔为312秒，而第二个电池到第三个电池的传播间隔为620秒。通过对比仿真与模拟的结果可以发现，本发明所提出的热失控传播模型可以很好地捕捉不同电池的温度演化特征。同时，模型也很好地捕捉到了不同电池的热失控触发时间，预测的相对误差均小于3.0％，处于一个可接受的范围，这证明了该建模方法在预测喷射火影响下热失控传播特征的准确性。
综合以上对热失控传播过程中特征参数演变等计算结果的分析可知：本发明所述的一种考虑喷射火影响的锂离子电池热失控传播建模方法，计算锂离子电池在不同空间特征下的喷射火焰特征，同时能够模拟火焰影响下的热失控传播行为，进而为锂离子电池模组以及储能系统的安全设计提供依据。
Claims (4)
1.一种考虑喷射火影响的锂离子电池热失控传播建模方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤一，选择一种锂离子电池模组，获取可测的电池电化学参数、材料热物性参数和电池模组的几何特征参数；
步骤二，根据初始参数，建立三维几何模型并划分网格，将求解域分为电池、外部流体、顶部挡板三个区域；
步骤三，求解电池区域的热失控反应动力学方程和排气动力学方程，步骤三中排气动力学方程的基本理论以及建立过程包括：(1)计算锂离子电池内部的电解液蒸发速率和反应气体释放速率；(2)计算电池内部压力和射流速度；
步骤四，将步骤三计算得到的电池温度和射流动力学参数作为边界条件，求解流体区域的守恒方程，获得喷射火火焰特征；
步骤五，基于步骤四获得喷射火焰形态、火焰温度分布，求解能量方程获得顶部挡板的温度；
步骤六，通过热对流、热辐射主导的传热方程计算电池与流体、顶部挡板与流体间热量传递，通过热传导主导的传热方程计算电池间的热量传递，获得喷射火影响下的热失控传播的演化特征及规律。
2.根据权利要求1所述的一种考虑喷射火影响的锂离子电池热失控传播建模方法，其特征在于，耦合过程为：电池排放的可燃气体燃烧会在电池上方形成喷射火，导致电池顶部温度升高；喷射火一方面会通过热辐射、热对流向电池传递热量，另一方面，喷射火撞击挡板造成其温度升高，高温挡板同时会向下方电池辐射热量，造成热失控传播加速。
3.根据权利要求1所述的一种考虑喷射火影响的锂离子电池热失控传播建模方法，其特征在于，电池区域和外部流体区域通过电池温度和射流动力学参数的动态边界条件进行耦合求解。
4.根据权利要求1所述的一种考虑喷射火影响的锂离子电池热失控传播建模方法，其特征在于，模型的计算结果可以同时获得挡板影响下的喷射火焰形态特征和火焰影响下的热失控传播行为。
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