蜂巢式锂离子电池模组热失控扩散的抑制_雍加望.pdf

第 53 卷 第 2 期2023 年 4 月电池BATTERY BIMONTHLYVol.53,No.2Apr.,2023作者简介:雍加望(1988-),男,安徽人,北京工业大学交通工程系讲师,研究方向:智能驾驶,通信作者;朱福临(1997-),男,山东人,北京工业大学环境与生命学部硕士生,研究方向:电池热管理;冯能莲(1962-),男,安徽人,北京工业大学环境与生命学部教授,研究方向:节能与新能源汽车。基金项目:国家自然科学基金青年项目(52002009),北京市自然科学基金面上项目(3222003),汽车安全与节能国家重点实验室开放基金课题(KF2010)新 能 源DOI:10.19535/j.1001-1579.2023.02.008蜂巢式锂离子电池模组热失控扩散的抑制雍加望1,朱福临2,冯能莲2(1.北京工业大学交通工程系,北京 100124;2.北京工业大学环境与生命学部,北京 100124)摘要:锂离子电池热失控问题逐渐受到重视。基于锂离子电池的热失控副反应机理方程和热传导机理方程,搭建由 7 只容量为 4.5 Ah 的 21700 型锂离子电池组成的蜂巢式电池模组,研究电池在加热条件下的热失控扩散情况。仿真结果与实验结果误差在 7%以内。利用蜂巢式电池模组研究冷却液温度、流速对电池热失控扩散行为的影响。当模组中的单体电池发生热失控时,冷却液的温度越高,模组发生热失控扩散的时间越早;冷却液的温度越低,抑制电池模组热失控传播所需的冷却液流速越小。关键词:锂离子电池;数值模拟;热失控;热扩散;蜂巢式液冷模组中图分类号:TM912.9 文献标志码:A 文章编号:1001-1579(2023)02-0155-05Thermal runaway propagation suppression of honeycomb Li-ion battery moduleYONG Jia-wang1,ZHU Fu-lin2,FENG Neng-lian2(1.Department of Transportation Engineering,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China;2.Faculty of Environment and Life,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China)Abstract:The issues of thermal runaway of Li-ion battery had attracted more and more attention.Based on the thermal runaway side reaction mechanism equation and heat conduction mechanism equation of Li-ion battery,a honeycomb battery module consisting of seven 21700 type Li-ion batteries with a capacity of 4.5 Ah was built to research the thermal runaway diffusion of the battery under heating conditions.The error between simulation results and test results was within 7%.The influence of coolant temperature and flow rate on the thermal runaway diffusion behavior of battery was studied by using honeycomb battery module.When the single cell in the module was out of control,the higher the temperature of the coolant was,the earlier the thermal runaway diffusion occurred in the module.The lower the temperature of the coolant,the smaller the coolant flow rate required to inhibit the runaway heat transmission of the battery module.Key words:Li-ion battery;mathematical modeling;thermal runaway;thermal propagation;honeycomb liquid cooling module 单体电池在各类滥用条件下可能会发生热失控。在电池模组中,如果单体电池的热失控热量得到传播,将造成无法挽回的后果,因此对电池模组内热失控的传递过程研究受到广泛关注1-2。人们针对电池模组进行热失控传播实验,通过针刺触发模组中的某一只电池,确定电池模组内热失控的传递路径,并基于实验结果建立零维的化学反应-电路-传热耦合模型和三维的有限元模型。为抑制电池热失控热量在模组内的传递,人们开发了各类热阻断方法。J.W.Weng等3发现,含膨胀石墨的石蜡(PCM-nf)可抑制电池燃烧火焰的传播。C.C.Yuan 等4针对 11 只商用 18650 型圆柱形电池组成的电池模组,对空气、铝板、石墨复合板和铝压板等4 种电池空隙填充材料,采用实验和仿真结合的方法进行研电池BATTERY BIMONTHLY第 53 卷究,发现模组内只有空气是无法阻断热失控传播的,铝压板在抑制热失控传播上表现出最好的性能。W.C.Zhang 等5设计了一种基于相变材料(PCM)和液冷的混合电池管理系统,不仅能满足电池系统正常工作情况下的冷却,还可抑制热失控的传播。本文作者针对 21700 型锂离子电池设计蜂巢式液冷电池模组结构6,利用电加热的方式触发单体电池热失控,通过监测热失控电池邻近单体电池的温度,判断蜂巢式液冷电池模组结构是否能抑制热失控扩散;通过使用不同温度和流速的冷却液,对模组热失控扩散的抑制进行仿真分析。1 锂离子电池热失控模型研究1.1 锂离子电池热失控仿真锂离子电池触发热失控时,会发生一系列的化学放热分解反应,化学反应产热可用化学反应动力学来进行描述7。经过绝热加速量热仪(ARC)实验证明8,热失控过程中的化学反应动力学过程近似满足迭加原理,即不同的反应产生的反应热可进行相加计算,电池整体的反应热大致等于组成部分反应热之和。文献9的参考模型考虑了固体电解质相界面(SEI)膜分解、负极活性材料与电解液反应、正极活性材料与电解液反应、黏结剂聚偏氟乙烯(PVDF)的分解反应和电解液分解反应等共 5 个反应。所有活性材料分解反应的热源之和定义为 Qtot,计算公式见式(1):Qtot=HiWiRi(1)式(1)中:Hi是分解反应焓,J/kg;Wi是电池中每种活性材料的单位体积质量,kg/m3;Ri是每种分解反应的反应速率,s-1,各副反应速率如式(2)-(7)所示;i 为分别表示 SEI膜、PVDF、正极/负极活性材料和电解液的下标 SEI、pvdf、pe/ne 和 e 的统称。RSEI=-dcSEIdt=ASEIexp(-ESEIRT)cmSEISEI(2)Rne=dtSEIdt=-dcnedt=Aneexp(-tSEItSEI0)exp(-EneRT)cmnene(3)dtSEIdt=kSEIRne-RSEI(4)Rpe=dcpedt=Apeexp(-EpeRT)cmpepe(5)dcpvdfdt=-Rpvdf=-Apvdfexp(-EpvdfRT)cmpvdfpvdf(6)Re=-dcedt=Aeexp(-EeRT)cmee(7)式(2)-(7)中:t 为时间,s;Ai为不同反应的前向因子,s-1;ci为归一化浓度;Ei为反应的活化能,J/mol;mi为不同反应物质的反应级数,取值为 1;T 为电池的温度,K;R 为理想气体常数,8.314 J/(molK);tSEI为再生 SEI 膜的无量纲量;kSEI为增益因子,取值为 6;tSEI0为初始的再生 SEI 膜的无量纲体积分数,取值为 0.033。相关化学反应的动力学参数1-2如表 1 所示,其中:s,i为构成电池的各种固体材料的热导率;s,i为电池活性材料在电池各组分中的体积分数;为热失控触发温度。表 1 电池的反应动力学参数 Table 1 Reaction kinetic parameters of battery电池组成部分Ei/J mol-1Ai/s-1ciHi/J kg-1Wi/kg m-3s,i/W (m K)-1s,i/SEI1.381051.6610150.152.57105194.7194.700.6780负极1.321052.5010130.801.401061 700.01.0480.00正极0.991052.001080.041.94105960.01.04160.00电解液2.701055.1410251.006.20105500.00.45140.00PVDF2.861051.9210251.001.5010677.10.12140.00 在热失控过程中,电池除了放热反应外,还存在一些吸热反应,包括泄压阀开启后的电解液喷射过程和电解液从常温加热到沸腾的过程。反应过程消耗的热量如下:Qvent=-Wehvapdcedt-WeCp,eTdcedt(8)Qboil=Wehvapdcedt-Vbatdpdt(9)式(8)、(9)中:Qvent为电解液喷射过程中向外界释放的热量,J/(m3 s);Qboil为电解液从常温加热到沸腾过程中吸收的热量,J/(m3 s);hvap为电解液的蒸发焓,4.58105 J/kg;Cp,e为电解液的比热容,133.9 J/(Kkg);Vbat为电池的体积,m3;p 为电池内部的压力,Pa。1.2 传热模型锂离子电池在热失控的过程当中,与外界环境发生复杂的非稳态传热。由于自身温度较高,电池与外界环境在发生对流换热的同时,热辐射在热量传递中的比例不可忽略,需同时考虑对流换热和热辐射换热两种方式的换热。针对21700 型锂离子电池,能量守恒方程在柱坐标下可描述为:CpTt=rrr(rTr)+r22T2+z2Tz2+q(10)式(10)中:为电池的密度,kg/m3;Cp为电池的比热容,J/(kg K);为电池的热导率,W/(m K),下标 r、和 z 代表柱坐标的 3 个方向平面;q 为电池的生热速率,W/m3。由于电池内部电极活性材料、隔膜与电解液掺混在一起,需要通过平均体积法来计算电池内混合物的等效热导率eff。eff=s,is,i+(1-s,i)e(11)式(11)中:e为电解液的热导率,W/(m K)。电池热平衡方程可以表示为式(12)。CpdTdt+(effT)=Qtot+Qvent+Qboil-Qdis(12)式(12)中:Qdis为与环境进行的热量交换。电池热失控651第 2 期雍加望,等:蜂巢式锂离子电池模组热失控扩散的抑制模型通过 COMSOL Multiphysics 来计算,将电池平均温度与化学反应动力学模型构成双向耦合,共同计算电池的热失控过程。其他表面设置有热对流和热辐射的边界条件。由于蜂巢式液冷电池模组的热失控过程中热量主要传递形式为热对流和热辐射,对应的公式如式(13)所示:Qdis=-AbatknTn=Abathcon(T-Tamb)+Abat(T4-T4amb)(13)式(13)中:Abat为电池表面积,m2;kn为在 x、y 和 z 方向上的导热系数,W/(m K);n 为 x、y 和 z 等 3 个方向;hcon为电池与周围环境的对