基于正交试验的锂离子电池热失控仿真_胡力月.pdf

第 12 卷 第 4 期2023 年 4 月Vol.12 No.4Apr.2023储能科学与技术Energy Storage Science and Technology基于正交试验的锂离子电池热失控仿真胡力月，姚行艳（重庆工商大学人工智能学院，重庆 400067）摘要：锂离子电池热失控是由多种因素耦合而导致的结果，得到影响锂离子电池热失控影响因素的重要性程度对于提高电池安全性具有极大意义。对此，针对针刺导致的锂离子电池热失控，利用COMSOL软件仿真分析了不同针刺位置、速度、直径、SOC(state of charge)对锂离子电池单体针刺热失控影响，得到对单体电池热失控影响的重要因素。基于单体针刺热失控仿真结果，以4个锂离子电池单体组成的模组为研究对象，利用单因素仿真试验分析不同钢针直径R、电池SOC以及针刺电池个数N对电池模组热扩散影响；基于此，本文分析了针刺电池个数N、钢针直径R及电池SOC耦合作用热失控的正交试验。结果表明：相对于针刺位置、针刺速度对电池单体热失控影响，电池SOC和针刺直径R对电池单体热失控影响较为显著，且针刺直径R越小，单体电池热失控越剧烈；电池SOC越大，热失控时电池温度分布越不均匀；针刺直径R越大，模组热扩散需要时间越长；当SOC在100%85%范围内时，模组内各电池单体的热失控最高温度变化较为明显；针刺电池个数N越大，模组热失控越剧烈，但位于模组中间位置的电池热失控最高温度有所降低。针刺电池个数N、SOC、针刺直径R对电池模组热失控温度和扩散时间的影响程度主次顺序为：NRSOC*RSOC*NN*RSOC，其中，针刺电池个数N对电池模组热扩散影响最显著，且不同因素间的交互作用不容忽视。本工作为提高电池的安全性及电池设计提供了参考依据。关键词：锂离子电池；热失控；正交试验doi：10.19799/ki.2095-4239.2022.0701 中图分类号：TM 911 文献标志码：A 文章编号：2095-4239（2023）04-1268-10Thermal runaway of lithium-ion batteries based on orthogonal testHU Liyue,YAO Xingyan(School of Artificial Intelligence,Chongqing Technology and Business University,Chongqing 400067,China)Abstract:Thermal runaway(TR)of lithium-ion battery(LIB)is caused due to various factors.Therefore,it is of great significance to obtain the degree of importance of the factors affecting the TR of LIB to improve battery safety.Thus,this paper used COMSOL to analyze the influence of the penetrated position,speed of penetration,nail diameter,and state of charge(SOC)on the TR of LIB.Based on the results of penetration test of a single LIB,the influence of different penetrated diameters(R),SOC of the battery,and the number of penetrated cells(N)on the thermal diffusion of the battery module were analyzed.Subsequently,an orthogonal test was designed to analyze the penetrated conditions of battery modules,and it considers the N,R,SOC,and the interaction among these three factors.The results show that the battery SOC 储能测试与评价收稿日期：2022-12-06；修改稿日期：2022-12-16。基金项目：重庆市自然科学基金面上项目（cstc2020jcyj-msxmX0736），重庆市教委科学技术研究项目（KJQN201900808），重庆市英才计划创新创业示范团队（CQYC201903246），重庆工商大学研究生教改（2022YJG0210），检测控制集成系统重庆市工程实验开发基金（KFJJ2021018）。第一作者：胡力月（1998），女，硕士研究生，从事锂离子电池热安全技术研究，E-mail：；通讯作者：姚行艳，副教授，从事机器学习/深度学习应用、电池健康监测，E-mail：yaoxingyan-。引用本文：胡力月,姚行艳.基于正交试验的锂离子电池热失控仿真J.储能科学与技术,2023,12(4):1268-1277.Citation：HU Liyue,YAO Xingyan.Thermal runaway of lithium-ion batteries based on orthogonal testJ.Energy Storage Science and Technology,2023,12(4):1268-1277.第 4 期胡力月等：基于正交试验的锂离子电池热失控仿真and penetrated diameter R significantly influence the TR of the battery,compared with the penetrated position and speed.Based on our findings,the smaller the R is,the more severe is the TR,and the larger the SOC is,the more uneven is the temperature distribution of the TR.In addition,the larger the R is,the longer is the thermal diffusion time for the battery module.The maximum TR temperature of each battery in the module changes when SOC varies within 100%85%.The larger the N is,the more severe is the TR of the module.However,the maximum temperature of the battery located in the middle of the module decreased.For the battery module,the significance of the factors on the TR temperature and diffusion time is NRSOC*RSOC*NN*RSOC.The number of penetrated cells significantly affected the thermal diffusion of the battery module,and the interaction between the factors cannot be ignored.This research paves a way to improve battery safety and design.Keywords:lithium-ion battery;thermal runaway;orthogonal test锂离子电池作为新能源汽车的核心部件，其安全性能得到大家广泛关注，尤其是最近频发的因锂离子电池热失控而导致的安全问题，成为最近几年研究的焦点。热滥用、机械滥用和电滥用是导致电池热失控发生的主要诱因1-2，其本质是各种滥用情况下引起电池隔膜崩塌，导致电池阴阳两极直接接触，产生内短路。针刺试验是常见的模拟电池内短路的试验方法之一。因此，研究不同条件下，不同因素对电池针刺热失控行为的重要性程度，对于改善电池安全性能、揭示电池热失控机理具有重要意义。针对单体电池针刺热失控，Zhao 等3研究发现，容量越高电池越容易发生热失控，当针刺直径一定时电池内阻降低，热失控程度加剧，针刺直径越大热失控的温度分布越均匀。Mao等4对18650电池进行的针刺试验发现，SOC越高热失控程度越严重，电池针刺深度与表面温度不成正比，针刺速度越快电池表面温度分布越不均匀。Ye等5通过构建三维电池模型，研究不同穿透位置对电池热失控影响，结果表明，针刺位置影响电池的温度分布。Jia等6研究了18650电池包的热扩散规律，发现电池单体之间摆放角度为90时，热扩散以圆形模式进行，当摆放角度为60时，热扩散以多边形模式进行；同时传热系数越大内短路产生的热量不再集中于电池表面，模组热扩散的时间越长。Jin等7提出一种基于CTC框架的电池拓扑结构，将一节电池同时与多节电池接触，可以增强热失控电池的散热，又不至于导致电池模组发生热扩散。Wang等8对由过充引起NCM电池组热扩散行为进行研究，发现热扩散传播速度随着传播过程逐渐增加。提高电池热失控触发温度会抑制电池模组热扩散传播速度，但可能会导致电池热失控最高温度升高。Wang等9研究发现，锂离子电池老化程度对热扩散传播影响不大；与电池正负极放置在相同方向上相比，电池正极放置在相同方向上更容易导致热扩散。由上可知，对于锂离子电池针刺热失控的研究，其影响因素不仅与电池本身有关，还和针刺不同工况有极大关系。当前的研究主要集中于单一因素对热失控的影响，而不同因素对于电池热失控的研究则需要合理设计实验，通过仿真的方式研究电池热失控，不仅能够降低实验成本，而且能够为电池设计提供参考依据。正交试验中，影响结果的试验条件被称为因素，因素水平表示因素的取值大小，正交试验具有试验次数少、可考虑不同因素交互作用等优点。因正交表中任一列各水平出现次数相同，任两列都包含了不同因素全部水平的所有组合，所以能全面反映不同因素和因素水平对指标的影响，主要用于电池材料10-11及BMS的参数优化。Pan等12设计了具有并联多通道冷液板的三维电池热模型，利用正交试验对冷却板厚度、冷却管厚度、通道数和冷却剂流量进行参数优化，可显著提高液冷电池模块的温度均匀性。Wang等13通过COMSOL对电池组热行为进行仿真并设计正交试验，分析不同冷却结构、通道数量、入口冷却剂流量对电池组温度的影响效果，结果表明不同冷却结构对电池组最高温度有显著的影响效果。宋亚娟等14对不同电池的SOC(state of charge)、温度、充放电电流等设计正交试验，得到充电过程温度对电池热失控的影响。综上所述，当前正交试验研究主要集中于电池12692023 年第 12 卷储能科学与技术模组结构设计方面，针对不同因素诱发电池热失控的正交试验方法研究较少，而因素的类型和水平对热失控严重程度具有重要影响。电池模组热扩散情况受到多种因素影响，通过正交试验，可将不同因素对热失控重要性程度进行主次排序。对此，论文通过COMSOL仿真得到不同针刺位置、针刺直径、针刺速和SOC对电池单体热失控的影响，在此基础上，通过4块三元锂离子模组为研究对象，分别设计了单因素试验和正交试验，确定对电池模组热扩散影响效果最显著的因素及因素间交互影响，为优化电池安全管理和电池安全性试验设计提供理论支持。