動(dòng)力電池的安全問(wèn)題是社會(huì)各界廣泛關(guān)注的問(wèn)題，而鋰離子電池的熱失控是動(dòng)力電池安全事故的隱患之一。本文介紹如何基于專業(yè)熱仿真軟件TAITherm進(jìn)行熱失控模擬，進(jìn)而為電池包散熱策略優(yōu)化提供依據(jù)。
依據(jù)電池單體組分材料和電池的放電特性，考慮電池的串并聯(lián)關(guān)系，基于TAITherm軟件的電池模塊快速搭建電池單體或者電池包的熱電耦合模型，并分析電池充、放電過(guò)程中電池電壓和溫度場(chǎng)變化?；赥AITherm軟件的電池?zé)犭婑詈夏Ｐ腿缦聢D所示：
如何基于熱電耦合模型進(jìn)行過(guò)充電等電濫用引起的單體電池?zé)崾Э胤抡婺兀?/div>
需要先從過(guò)充電的內(nèi)部反應(yīng)機(jī)理說(shuō)起：
正常充電期間，引起鋰離子電池溫升的熱源有電化學(xué)反應(yīng)熱、極化熱和焦耳熱，這些熱量值較小，引起電池溫升效果不太明顯，而鋰離子電池一旦發(fā)生過(guò)充電，正極析出過(guò)量鋰并且不斷向負(fù)極嵌入，導(dǎo)致SEI膜增厚，電池內(nèi)阻不斷增大，進(jìn)而使產(chǎn)生的焦耳熱增多；隨著過(guò)充電的持續(xù)進(jìn)行，電池內(nèi)部發(fā)生微短路現(xiàn)象，產(chǎn)生大量焦耳熱，甚至引發(fā)電池內(nèi)部副反應(yīng)。鋰離子電池過(guò)充電時(shí)的熱源可以分為兩大部分：即副反應(yīng)熱和除副反應(yīng)熱之外的其它熱，而電化學(xué)反應(yīng)熱和極化熱相較于焦耳熱數(shù)值較小，其它熱源項(xiàng)主要為焦耳熱。
焦耳熱由TAITherm軟件的電模型計(jì)算，作為電池的初始熱源項(xiàng)輸入到TAITherm熱模型中，熱模型通過(guò)該熱源計(jì)算得到電池溫度，并將溫度返回到TAITherm副反應(yīng)腳本用以觸發(fā)各副反應(yīng)。同時(shí)，副反應(yīng)產(chǎn)生的熱源輸入到熱模型，通過(guò)不斷迭代計(jì)算實(shí)時(shí)獲取電池溫度，如下圖所示：
焦耳熱的計(jì)算采用如下公式：S1=I2R，其中R為內(nèi)阻，需要將TAITherm電模型的內(nèi)阻數(shù)據(jù)從正常充放電范圍擴(kuò)展到過(guò)充電條件下的內(nèi)阻值。
TAITherm副反應(yīng)腳本的編輯過(guò)程主要考慮電池?zé)崾Э貙?dǎo)致的四類內(nèi)部連鎖副反應(yīng)：SEI膜分解、正極分解、負(fù)極分解以及電解液分解，四類反應(yīng)的計(jì)算公式如下所示：
? S2：副反應(yīng)熱
? H：反應(yīng)熱(J/g)
? W：密度(g/m3)
? α：歸一化濃度初始值
? A：反應(yīng)速率常數(shù)(1/s)
? R：氣體常數(shù)8.314J/(mol*K)
? m、n、p：反應(yīng)級(jí)數(shù)
在0.1C與0.2C的電流下，基于TAITherm軟件和上述模擬方案進(jìn)行電池的過(guò)充電熱失控仿真，反應(yīng)結(jié)果如下圖所示。由仿真結(jié)果可知，在過(guò)充電條件下，電池發(fā)生熱失控的時(shí)間受過(guò)充電電流大小的影響，電流越大，發(fā)生熱失控的時(shí)間更早，且生熱量更大，即熱失控導(dǎo)致的溫度更大。因此，在使用過(guò)程中應(yīng)防止鋰離子電池發(fā)生過(guò)充電現(xiàn)象，尤其是大電流過(guò)充電情況的發(fā)生，并注意對(duì)電池進(jìn)行良好散熱，防止發(fā)生熱失控現(xiàn)象。
不同充電電流下單體電池的溫度變化情況
不同充電電流下單體電池的生熱量變化
當(dāng)然，我們也可以對(duì)其他引起熱失控的場(chǎng)景進(jìn)行模擬分析，比如，通過(guò)在TAITherm軟件中設(shè)置指定的環(huán)境溫度可以模擬由于環(huán)境溫度過(guò)高引起的熱失控；通過(guò)設(shè)置電模型的充放電電流大小模擬由于快速充放電引發(fā)的熱失控；通過(guò)電池包模擬由于輻射與熱對(duì)流造成的單體電池之間的熱失控?cái)U(kuò)展，用于評(píng)估抑制熱失控發(fā)生與擴(kuò)展的策略等，以后有機(jī)會(huì)繼續(xù)跟大家交流。
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