電池?zé)崾Э胤抡娴陌咐?/h1> 精華 | 基于TAITherm軟件的鋰離子電池熱失控仿真 TAITherm副反應(yīng)腳本的編輯過(guò)程主要考慮電池?zé)崾Э?/em>導(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擴(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。
經(jīng)緯恒潤(rùn)
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為了保證鋰電池的最佳性能、安全性和使用壽命，鋰電池必須在特定的溫度范圍內(nèi)工作。因此，電池系統(tǒng)的熱管理至關(guān)重要。此外，在模擬中對(duì)實(shí)際電池單元進(jìn)行真實(shí)物理建模的成本非常高。針對(duì)新能源電池行業(yè)面臨的挑戰(zhàn)，海克斯康工業(yè)軟件旗下Cradle CFD軟件可以進(jìn)行高效的熱失控仿真分析，解決電池中的熱失控的仿真難題。
本次直播將帶來(lái)海克斯康電池?zé)崾Э胤抡?/em>解決方案，包含熱失控仿真流程、新能源電控系統(tǒng)解決方案、新能源電控系統(tǒng)的優(yōu)化方法以及儲(chǔ)能系統(tǒng)熱仿真解決方案，歡迎報(bào)名預(yù)約！ 展開 鋰電池仿真熱失控仿真解決方案 本文主要分享公司某工程師關(guān)于鋰電池仿真、熱失控仿真解決方案。
本案例模型及相關(guān)操作，請(qǐng)與我溝通交流。 汽車電池熱管理熱失控原因及預(yù)防策略介紹（附視頻教程） 通過(guò)對(duì)本課程的學(xué)習(xí)，盡管您是一位剛剛畢業(yè)的仿真小白，也可以通過(guò)本課程完成熱管理設(shè)計(jì)方法和熱管理仿真方法的入門到進(jìn)階，讓您全方位成為一位真正的熱管理工程師，且學(xué)習(xí)完本課程后可以達(dá)到獨(dú)立承擔(dān)項(xiàng)目水平！
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【技術(shù)帖】基于OptiStruct的蓄電池支架有限元分析Ansys Fluent 電池?zé)崾Э胤抡?/em>實(shí)例與驗(yàn)證專欄 | 新能源動(dòng)力電池?zé)?/em>管理設(shè)計(jì)和仿真分析 展開 
淺析“碳中和”戰(zhàn)略中鋰電池熱失控機(jī)理、COMSOL仿真和對(duì)策 5)總體熱失控能量
其中：α為反應(yīng)進(jìn)度；
Ea為反應(yīng)活化能(J/mol)；
T為溫度（K）；R為氣體常數(shù)；
A為反應(yīng)頻率因子(1/s)；
m,n為反應(yīng)級(jí)數(shù)；
R為反應(yīng)速度(1/s)；
H為反應(yīng)熱(J/kg)，
W為反應(yīng)物密度(kg/m^3)
以上的機(jī)理方程為后續(xù)鋰電池?zé)崾Э?/em>建模和仿真分析提供了理論基礎(chǔ)。
3、模型
根據(jù)以上控制方程，采用COMSOL Multiphysics 軟件的偏微分方程模塊進(jìn)行建模，為了便于計(jì)算，對(duì)電芯做了一些假設(shè)：
忽略電芯內(nèi)部實(shí)際細(xì)節(jié)；
忽略火焰的影響；
忽略電芯內(nèi)部物質(zhì)變化；
利用COMSOL Multiphysics 軟件，建立幾何模型，設(shè)置偏微分方程，設(shè)置參數(shù)，設(shè)置網(wǎng)格，求解和處理。
教程鏈接：https://www.yqgqt.org.cn/college/video/c16490
基于上述基礎(chǔ)模型，擴(kuò)展研究分別建立了32650單體熱濫用失控仿真模型、軟包模組的熱失控蔓延模型、軟包單層穿刺熱失控模型等等。
① 32650單體熱濫用失控仿真模型
熱失控溫度峰值時(shí)候，模型展示的溫度分布。右邊展示了仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比。
在此模型基礎(chǔ)上，繼續(xù)研究了不同電芯初始容量對(duì)熱失控的影響。
電芯初始容量越高，熱失控的峰值溫度越高，對(duì)后續(xù)的蔓延有一定的影響。
② 軟包模組的熱失控蔓延模型
原文鏈接：https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1794975
實(shí)驗(yàn)采用三顆三元軟包電池，從左到右編號(hào) 1,2,3 。
對(duì)1號(hào)電池單側(cè)加熱直到熱失控，電芯之間采用不同厚度的隔熱物質(zhì)，模型定量的計(jì)算了電芯之間蔓延的時(shí)間，分析不同厚度、不同屬性的隔熱物質(zhì)對(duì)蔓延時(shí)間的影響。 展開 電池熱失控的仿真和優(yōu)化 圖3 熱失控以后噴發(fā)氣體造成的危害
熱失控過(guò)程中釋放出來(lái)的氣體包含H2，CO，CH4，DMC和其他（在某些情況下為有毒的）成分，這樣的混合氣體高度易燃。 在整包仿真中的意義是考核煙氣隔離蓋、泄壓閥數(shù)量&位置和排氣通道的設(shè)計(jì)優(yōu)化。
圖4氣體在環(huán)境下是否會(huì)自燃也是影響整個(gè)反應(yīng)的過(guò)程
2）泄壓閥的設(shè)計(jì)
目前電池包內(nèi)設(shè)計(jì)的泄壓閥，是確保電池系統(tǒng)內(nèi)可燃?xì)怏w在可控狀態(tài)下排出的最主要的設(shè)計(jì)手段，通過(guò)對(duì)泄壓閥的建模對(duì)于確定選擇泄壓閥的數(shù)量、位置和壓力釋放特性比較關(guān)鍵。
圖5 Etron、ES8和Model 3的泄壓閥設(shè)計(jì)
3）模組內(nèi)電芯熱傳遞的時(shí)間優(yōu)化
模組內(nèi)隔絕電芯熱傳播的手段主要是通過(guò)增加電芯的間距，間隔的隔熱材料，端板的絕緣防護(hù)和頂部絕緣煙氣蓋的設(shè)計(jì)。
圖6 在端板附近電芯引發(fā)熱失控的傳遞時(shí)間
4）煙氣隔離
有效的煙氣隔離設(shè)計(jì)主要是能夠影響模組內(nèi)的熱失控傳播時(shí)間，另一方面也有助于防止氣體對(duì)于模組上蓋的快速融化。 展開 淺析動(dòng)力電池熱失控機(jī)理和仿真分析 6、熱失控預(yù)警
鋰離子電池尤其是高能量密度、大容量的三元鋰離子電池，一旦著火，火勢(shì)迅速蔓延，情形十分嚴(yán)峻。實(shí)際應(yīng)用中，因各種因素的影響，鋰離子電池濫用的情況難以完全避免。為了進(jìn)一步減少熱失控的傷害，要做到預(yù)防為主、防患于未然。因此，對(duì)鋰離子電池?zé)崾Э?/em>的情況設(shè)置防護(hù)預(yù)警機(jī)制顯得尤為重要。
解決熱失控問(wèn)題需要從多尺度、多學(xué)科的角度出發(fā)，綜合考慮材料、單體、系統(tǒng)等不同的熱安全策略，主要涉及新電化學(xué)體系、材料體系的開發(fā)、單體安全設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)控溫技術(shù)等，旨在抑制副反應(yīng)、減少產(chǎn)熱量、提高散熱能力以及阻止熱害擴(kuò)散等。安全材料體系開發(fā)是解決熱失控問(wèn)題的根源，但就目前而言，安全的材料體系在短期內(nèi)依然無(wú)法實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，因此，應(yīng)該進(jìn)一步發(fā)展更加有效的電池設(shè)計(jì)、熱管理方法來(lái)確保鋰離子電池的熱安全性。
四、熱失控仿真
熱失控的分析流程可從電池單體仿真、模組/電池包仿真、電池包測(cè)試和驗(yàn)證，通過(guò)測(cè)試對(duì)仿真的模型進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。動(dòng)力電池?zé)岱抡?/em>涉及到電-化學(xué)仿真、電池?zé)?/em>管理仿真、系統(tǒng)級(jí)熱管理仿真。
1、電-化學(xué)仿真
電池單體詳細(xì)的電化學(xué)過(guò)程研究
電化學(xué)仿真為電池老化的檢查與評(píng)估提供了條件
在同一個(gè)仿真工具中可以同時(shí)進(jìn)行熱管理和電-熱分析
性能仿真可擴(kuò)展性
2、電池?zé)?/em>管理仿真
高精度的電池及相關(guān)零部件熱管理仿真。
能夠考慮各類熱損失，以更加詳細(xì)地考慮溫度場(chǎng)分布
基于有限容積法的多物理場(chǎng)仿真，對(duì)固體和流體區(qū)域的換熱進(jìn)行在線耦合仿真，更加準(zhǔn)確地再現(xiàn)冷卻過(guò)程。 展開 基于Star-CCM+動(dòng)力電池液冷系統(tǒng)熱管理仿真完整攻略 功能性測(cè)試表列出了功能性測(cè)試的項(xiàng)目和參考值，需要說(shuō)明的是，為了與液熱系統(tǒng)和保溫系統(tǒng)匹配，表中增加了加熱性能測(cè)試和保溫性能測(cè)試。
可靠性測(cè)試和安全性測(cè)試表出了可靠性測(cè)試和安全性測(cè)試的項(xiàng)目及對(duì)應(yīng)的測(cè)試參考。
七、動(dòng)力電池液冷系統(tǒng)熱管理仿真
《STAR-CCM 新能源汽車動(dòng)力電池?zé)崾Э胤抡?/em>13講》第一個(gè)模組失控，引發(fā)第二個(gè)模組失控，評(píng)估現(xiàn)有模組之間的隔熱是否能阻止失控模組往正常模組的傳熱。大家可點(diǎn)擊查看STAR-CCM新能源汽車動(dòng)力電池?zé)崾Э胤抡?/em>講解（附視頻教程）
《基于Star-CCM 動(dòng)力電池液冷系統(tǒng)熱管理仿真27講》是筆者原創(chuàng)的視頻教程，本課程包括動(dòng)力電池?zé)?/em>管理理論、設(shè)計(jì)流程和仿真分析內(nèi)容，
課程詳細(xì)介紹了動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)、產(chǎn)熱原理，對(duì)動(dòng)力電池設(shè)計(jì)流程進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，對(duì)仿真過(guò)程包括幾何簡(jiǎn)化、修復(fù)、多類型網(wǎng)格生成、宏命令創(chuàng)建監(jiān)測(cè)點(diǎn)和報(bào)告，后處理動(dòng)畫制作進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并介紹了常溫1C放電、高溫1C放電計(jì)算分析、高溫快充計(jì)算分析、低溫加熱計(jì)算分析、保溫性能計(jì)算分析等多工況仿真。 展開 Amesim電池教程 電池熱失控模型 在線閱讀 概述
本文旨在描述Amesim中的電池?zé)崾Э?/em>模型的建模原理、使用方法，在電池?zé)崾Э?/em>過(guò)程中，各階段反應(yīng)放熱模型以及各參數(shù)的物理意義。
模型原理：對(duì)于各階段的化學(xué)反應(yīng)，基于用戶通過(guò)熱測(cè)試試驗(yàn)標(biāo)定好的參數(shù)，根據(jù)半經(jīng)驗(yàn)公式（Arrhenius）計(jì)算各階段的反應(yīng)速率，再由反應(yīng)速率對(duì)時(shí)間積分計(jì)算反應(yīng)物質(zhì)消耗及其放熱量。詳細(xì)過(guò)程如下所述。
2. 電池?zé)崾Э?/em>過(guò)程
2.1. 產(chǎn)生原因
當(dāng)鋰電芯內(nèi)部的生熱速率超過(guò)單體對(duì)外部的散熱速率時(shí)，鋰電池將發(fā)生熱失控現(xiàn)象。因此，鋰電池在任何情況下（充電/放電/存儲(chǔ)），都有安全溫度的限制要求Tlim。
A）正常工作區(qū)與失控發(fā)生區(qū) B）外部溫度升高導(dǎo)致熱失控 C）換熱能力下降導(dǎo)致熱失控
電池?zé)崾Э?/em>的成因有多種，取決于電池自身的狀態(tài)以及外部因素
內(nèi)部原因：
例如：電池內(nèi)部化學(xué)原因?qū)е碌膬?nèi)部短路，電池自身的設(shè)計(jì)缺陷，電池的生產(chǎn)制造缺陷，電池的過(guò)充，BMS的軟硬件故障。
外部原因：
例如：機(jī)械外力（事故）導(dǎo)致的電池內(nèi)部短路（穿刺等），外部環(huán)境溫度過(guò)高，外部電路短路等。
鋰電池?zé)崾Э?/em>的起始溫度（OTR-Onset of Thermal Runaway）一度被認(rèn)為是鋰的熔點(diǎn)，大概180degC。但實(shí)際上在這之前已經(jīng)發(fā)生了一系列的持續(xù)放熱化學(xué)反應(yīng)，因此，實(shí)際熱失控的起始溫度要遠(yuǎn)低于該值，對(duì)于一塊充滿的鋰電池，熱失控一旦發(fā)生，其內(nèi)部溫度將持續(xù)增高，最高可達(dá)600 degC。 展開 電池熱失控的檢測(cè)和BMS的發(fā)展方向 ▲圖2.電池系統(tǒng)里面影響壓力變化的一些事件
2.汽車傳感器
由于燃料電池的原因，過(guò)往汽車傳感器廠家其實(shí)有一些技術(shù)儲(chǔ)備，主要是基于H2的泄露檢測(cè)，把這個(gè)借用過(guò)來(lái)用在鋰電池?zé)崾Э?/em>檢測(cè)上是比較好的解決方案。
▲圖3.基于壓力、CO2和H2傳感器對(duì)單電池?zé)崾Э?/em>的檢測(cè)
Part 2
電池管理系統(tǒng)的未來(lái)
在下面的恩智浦的《Next-Generation Architectures For Battery Management Solution》里面有一張圖比較典型，我們能看到在三電領(lǐng)域，都出現(xiàn)了高低壓分離，硬件和軟件分離的情況發(fā)生，也就是說(shuō)未來(lái)分布式的電池管理軟件，可能會(huì)被集成到Domain 控制器甚至是放到集中運(yùn)算平臺(tái)里面。
我的理解是，隨著熱失控緩解用到更多的熱管理組件，想要覆蓋上述這么多熱失控檢測(cè)和熱失控延緩，必然要形成集中處理的模式，同時(shí)對(duì)下層的硬件進(jìn)行激活。
備注：這個(gè)過(guò)程還是比較慢，主要是BMS運(yùn)算相對(duì)要求實(shí)時(shí)。
▲圖4.電池管理系統(tǒng)把自己做成全硬件產(chǎn)品
小結(jié)：我個(gè)人覺(jué)得，在這個(gè)電池檢測(cè)和熱失控延緩領(lǐng)域，會(huì)衍生出比較多的主動(dòng)控制措施，需要調(diào)用更多的資源，這也使得電池管理的軟件更快進(jìn)入上層。 展開 基于comsol的18650鋰電池熱濫用失控分析 ￥2500 image_process=/format,webp/quality,q_40/resize,w_760" data-initial-src="https://img.jishulink.com/upload/202103/770788e82a794efc8c6e5b04d3bef4bb.gif">
</div><p><br></p><p><br></p><p>熱失控是鋰離子電池最嚴(yán)重的安全事故，儲(chǔ)存在鋰離子電池內(nèi)部的電能和化學(xué)能在短時(shí)間內(nèi)大量釋放，使得鋰離子電池內(nèi)部的溫度甚至能夠達(dá)到900℃以上，同時(shí)熱失控中電解液、活性物質(zhì)分解產(chǎn)生的大量氣體會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部的壓力急劇升高，甚至引起鋰離子電池的爆炸。為了保證在鋰離子電池的安全性，通常我們會(huì)在電池殼上設(shè)計(jì)一個(gè)防爆閥，在壓力過(guò)高時(shí)能夠及時(shí)被破壞，釋放電池內(nèi)部的壓力，防止熱失控中電池發(fā)生爆炸。</p><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/201909/7d5c73bb95e8419ea86442e5ee7bd214.gif"></p><p> 對(duì)于18650電池而言，防爆閥設(shè)計(jì)在電池的上蓋之中，防爆閥還兼具了斷路器的功能，在電池內(nèi)部壓力升高到一定程度時(shí)，防爆閥動(dòng)作切斷電流回路，當(dāng)電池內(nèi)部的壓力進(jìn)一步升高時(shí)，防爆閥結(jié)構(gòu)被破壞，釋放電池內(nèi)部的壓力，防止電池發(fā)生爆炸。之前我們主要是從原理上了解防爆閥的設(shè)計(jì)，由于18650電池上蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)讓我們很難直接看到在熱失控的過(guò)程中防爆閥動(dòng)作過(guò)程。</p><p> 倫敦城市學(xué)院的Donal P. Finegan（第一作者）和Paul R. 展開 
電動(dòng)汽車動(dòng)力電池熱失控過(guò)程分析及預(yù)警機(jī)制設(shè)計(jì) 在所有的事故原因中，熱失控問(wèn)題占有很大比例。本文通過(guò)對(duì)動(dòng)力電池?zé)崾Э?/em>過(guò)程的分析，設(shè)計(jì)出一套熱失控預(yù)警系統(tǒng)。這樣至少保證在整車發(fā)生熱失控之前能夠通知到車內(nèi)的乘客，避免造成人員傷亡，同時(shí)能夠盡量減少事故帶來(lái)的財(cái)產(chǎn)損失。
一、熱失控過(guò)程分析
鋰電池的熱失控主要是由于電池內(nèi)部產(chǎn)熱速率遠(yuǎn)大于散熱速率，在電池內(nèi)部積累了大量的熱量，從而引發(fā)單體電池的著火或爆炸。單體電池的熱失控又會(huì)擴(kuò)散到整個(gè)電池系統(tǒng)，導(dǎo)致整個(gè)電池系統(tǒng)甚至整車的起火或爆炸事故。
為研究動(dòng)力電池系統(tǒng)熱失控發(fā)生的過(guò)程，我們外接熱源的方式對(duì)電池進(jìn)行加熱從而引發(fā)熱失控。試驗(yàn)表明，在單體電池發(fā)生熱失控時(shí)伴隨有電池電壓的變化、電池及環(huán)境溫度的變化、電池包內(nèi)氣壓的變化及氣體成分的變化。我們將出現(xiàn)異常的的信號(hào)分為溫度、電壓、氣壓（或氣體成分）三個(gè)大類，分別進(jìn)行分析。
針對(duì)溫度信號(hào)在熱失控過(guò)程中的分析：電池的溫度在熱失控發(fā)生前會(huì)有一個(gè)持續(xù)的較快速率的上升過(guò)程，如圖1數(shù)據(jù)所示（橫軸時(shí)間單位為秒，縱軸溫度單位為℃），在前720秒的時(shí)間內(nèi)，溫度從室溫25℃持續(xù)升高到62℃。隨后發(fā)生單體電池的熱失控，溫度急劇上升到430℃。第一節(jié)電池能量釋放完之后溫度會(huì)下降，到第787秒第二節(jié)電池?zé)崾Э?/em>，同樣溫度短時(shí)間內(nèi)急劇上升。如此發(fā)生連環(huán)性的熱失控反應(yīng)，最后整個(gè)電池包都發(fā)生熱失控。
針對(duì)單體電池電壓信號(hào)在熱失控過(guò)程中的分析：電池的電壓在熱失控發(fā)生之前基本維持在平臺(tái)電壓保持不變。在熱失控發(fā)生的瞬間，實(shí)測(cè)在2秒內(nèi)電壓會(huì)下降到1V以下。圖2（橫軸時(shí)間單位為S，縱軸電壓?jiǎn)挝粸閂）中符合以上特征，第一個(gè)發(fā)生熱失控的電池在第720秒之前電壓恒定在4.13V，在第720后開始急劇下降，到第722秒幾乎降到0V，之后由于檢測(cè)電壓的電路受損燒毀均為無(wú)效值。 展開 基于lab-on-fiber技術(shù)原位監(jiān)測(cè)鋰離子電池熱失控 來(lái)源 | Nature Communications
01
背景介紹
隨著全球范圍內(nèi)能源危機(jī)的出現(xiàn)，并在“雙碳”目標(biāo)驅(qū)動(dòng)下，鋰離子電池獲得了蓬勃發(fā)展，然而電池?zé)崾Э?/em>被喻為威脅電池安全的“癌癥”，是制約電動(dòng)汽車與新型儲(chǔ)能規(guī)模化發(fā)展的核心瓶頸。因此亟需深入理解鋰離子電池?zé)崾Э?/em>演變機(jī)制，并提出早期預(yù)警策略以防止火災(zāi)爆炸事故的發(fā)生。導(dǎo)致電池?zé)崾Э?/em>的根源，是電池內(nèi)部一系列復(fù)雜且相互關(guān)聯(lián)的“鏈?zhǔn)礁狈磻?yīng)”。最具代表性的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)包括：外部電、熱、機(jī)械濫用→內(nèi)部產(chǎn)熱→SEI膜分解→負(fù)極與電解液反應(yīng)、產(chǎn)氣→隔膜熔化→內(nèi)部短路→安全閥開啟→正極與電解液反應(yīng)、產(chǎn)氣→電解液分解、產(chǎn)氣→電解液、氣體燃燒→起火爆炸！從局部短路到大面積短路，電池內(nèi)部溫度快速提升，可高達(dá)800℃以上，引發(fā)電池起火爆炸。由此可見，“溯源電池?zé)崾Э?/em>發(fā)生的內(nèi)在誘因，厘清各分步反應(yīng)之間的耦聯(lián)關(guān)系，揭示熱失控主導(dǎo)機(jī)制與動(dòng)力學(xué)規(guī)律，前移熱失控預(yù)警時(shí)間窗口”是從根本上解決儲(chǔ)能安全問(wèn)題的核心。然而，由于電池的密閉結(jié)構(gòu)和內(nèi)部復(fù)雜的反應(yīng)機(jī)制，電池內(nèi)部核心狀態(tài)參量檢測(cè)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性無(wú)法保證。最新報(bào)道的具有“透視”檢測(cè)能力的科學(xué)儀器（如中子衍射、X射線衍射、冷凍電鏡等），由于儀器體積龐大、價(jià)格昂貴，無(wú)法應(yīng)用于電池使用終端。如何科學(xué)、及時(shí)、準(zhǔn)確地預(yù)判電池安全隱患，成為當(dāng)前電池安全領(lǐng)域的國(guó)際性科學(xué)難題。
02
成果掠影
近期，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)孫金華教授和王青松研究員團(tuán)隊(duì)與暨南大學(xué)郭團(tuán)教授團(tuán)隊(duì)提出了一種可植入電池內(nèi)部的多模態(tài)集成光纖原位監(jiān)測(cè)技術(shù)，在國(guó)際上率先實(shí)現(xiàn)了對(duì)商業(yè)化鋰電池?zé)崾Э?/em>全過(guò)程的精準(zhǔn)分析與提早預(yù)警。 展開 不同老化路徑對(duì)鋰離子電池熱失控行為影響對(duì)比研究 電解液消耗副反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)阻急劇增加，但反應(yīng)的具體機(jī)理目前仍未清楚。在熱失控特性演變方面，電池正極材料的熱穩(wěn)定性在全生命周期內(nèi)無(wú)明顯變化，電池?zé)崾Э?/em>特性演變主要取決于負(fù)極材料+電解液反應(yīng)體系的變化。其中，負(fù)極析鋰將導(dǎo)致電池?zé)崾Э?/em>溫升速率明顯增加，T1和T2大幅降低，熱失控特性急劇變差。負(fù)極SEI膜增厚本身對(duì)電池?zé)崾Э?/em>特性影響不大。然而，當(dāng)SEI膜增厚消耗大量的可用鋰離子，引起負(fù)極嵌鋰量明顯下降時(shí)，電池負(fù)極材料的熱穩(wěn)定性將會(huì)提升，相應(yīng)地，電池的熱失控特性也會(huì)變好，具體表現(xiàn)為自產(chǎn)熱起始溫度T1升高，熱失控溫升速率降低。電解液消耗將導(dǎo)致電池?zé)崾Э?/em>釋放的總能量減少，最高溫度T3降低。
4.總結(jié)
作者研究了不同老化路徑對(duì)鋰離子電池?zé)崾Э?/em>行為的影響，發(fā)現(xiàn)老化過(guò)程中正極發(fā)生的副反應(yīng)（包括正極顆粒破碎、CEI膜增厚以及過(guò)渡金屬溶解等）對(duì)電池?zé)崾Э?/em>特性演變無(wú)明顯影響，電池全生命周期熱失控特性演變主要取決于負(fù)極材料+電解液反應(yīng)體系產(chǎn)熱特性的變化。具體地，電解液消耗會(huì)引起電池?zé)崾Э?/em>釋放的總能量減少，最高溫度T3降低。SEI膜增厚引起的負(fù)極嵌鋰量明顯下降將導(dǎo)致負(fù)極材料的熱穩(wěn)定性提升，引起電池自產(chǎn)熱起始溫度T1升高，熱失控溫升速率降低。然而，負(fù)極析鋰將導(dǎo)致電池的絕熱熱失控性能急劇變差，具體表現(xiàn)為熱失控溫升速率明顯增加，T1和T2大幅降低。
—— 感謝閱讀 —— 展開 基于comsol的軟包鋰電池熱濫用失控蔓延分析 image_process=/format,webp/quality,q_40/resize,w_760" data-initial-src="https://img.jishulink.com/upload/202105/952719f97f1a46cba23310a16b1c29fa.gif">
</div><p> 鋰離子動(dòng)力電池作為電動(dòng)汽車的主流動(dòng)力源，具有高比能量的特點(diǎn)。而目前汽車用動(dòng)力電池多采用數(shù)量較多的小容量電池進(jìn)行串并聯(lián)成組以滿足高能量的要求。這樣，汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)的安全問(wèn)題就不再僅僅是電池單體的安全問(wèn)題，而是電池成組安全問(wèn)題。近年發(fā)生的汽車動(dòng)力電池事故，均是由于電池組中的某一個(gè)電池單體發(fā)生熱失控后產(chǎn)生大量熱，導(dǎo)致周圍電池單體受熱產(chǎn)生熱失控。這樣，電池組內(nèi)的熱失控蔓延問(wèn)題就是電池成組安全問(wèn)題的主要關(guān)注點(diǎn)。</p><p> </p><p> 熱失控的發(fā)生劃分為三個(gè)階段，自生熱階段（50℃-140℃），熱失控階段（140℃-約850℃），熱失控終止階段（850℃-常溫），文獻(xiàn)提供的隔膜大規(guī)模融化溫度起始于140℃。</p><p> 如果周圍有其他電芯，則在此階段，通過(guò)把熱量向周圍傳播，熱失控可能向其他電芯蔓延。熱量可能通過(guò)連接的導(dǎo)電件傳導(dǎo)，也可能因?yàn)轶w積膨脹，原來(lái)保有間距的電芯，在此時(shí)已經(jīng)彼此貼緊，電芯殼體之間直接傳導(dǎo)熱量。蔓延不能有效阻斷，將產(chǎn)生整個(gè)電池模組爆炸燃燒風(fēng)險(xiǎn)。 展開 電池?zé)崾Э胤抡娴南嚓P(guān)專題、標(biāo)簽、搜索
精華 | 基于TAITherm軟件的鋰離子電池熱失控仿真
TAITherm副反應(yīng)腳本的編輯過(guò)程主要考慮電池?zé)崾Э?/em>導(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擴(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。
經(jīng)緯恒潤(rùn)
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展開 設(shè)計(jì)仿真 | 直播預(yù)告-電池熱失控仿真與電力電子散熱仿真解決方案
隨著移動(dòng)和運(yùn)輸系統(tǒng)的電氣化程度不斷提高，電池設(shè)計(jì)和熱管理日益成為原始設(shè)備制造商和系統(tǒng)供應(yīng)商高度優(yōu)先考慮的領(lǐng)域，希望在其產(chǎn)品中提供一流的安全性。而電池的生熱和熱失控?zé)?/em>性是影響電動(dòng)汽車使用和安全性的重要條件。
為了保證鋰電池的最佳性能、安全性和使用壽命，鋰電池必須在特定的溫度范圍內(nèi)工作。因此，電池系統(tǒng)的熱管理至關(guān)重要。此外，在模擬中對(duì)實(shí)際電池單元進(jìn)行真實(shí)物理建模的成本非常高。針對(duì)新能源電池行業(yè)面臨的挑戰(zhàn)，海克斯康工業(yè)軟件旗下Cradle CFD軟件可以進(jìn)行高效的熱失控仿真分析，解決電池中的熱失控的仿真難題。
本次直播將帶來(lái)海克斯康電池?zé)崾Э胤抡?/em>解決方案，包含熱失控仿真流程、新能源電控系統(tǒng)解決方案、新能源電控系統(tǒng)的優(yōu)化方法以及儲(chǔ)能系統(tǒng)熱仿真解決方案，歡迎報(bào)名預(yù)約！
展開 鋰電池仿真熱失控仿真解決方案
本文主要分享公司某工程師關(guān)于鋰電池仿真、熱失控仿真解決方案。
本案例模型及相關(guān)操作，請(qǐng)與我溝通交流。
汽車電池熱管理熱失控原因及預(yù)防策略介紹（附視頻教程）
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展開 淺析“碳中和”戰(zhàn)略中鋰電池熱失控機(jī)理、COMSOL仿真和對(duì)策
5)總體熱失控能量
其中：α為反應(yīng)進(jìn)度；
Ea為反應(yīng)活化能(J/mol)；
T為溫度（K）；R為氣體常數(shù)；
A為反應(yīng)頻率因子(1/s)；
m,n為反應(yīng)級(jí)數(shù)；
R為反應(yīng)速度(1/s)；
H為反應(yīng)熱(J/kg)，
W為反應(yīng)物密度(kg/m^3)
以上的機(jī)理方程為后續(xù)鋰電池?zé)崾Э?/em>建模和仿真分析提供了理論基礎(chǔ)。
3、模型
根據(jù)以上控制方程，采用COMSOL Multiphysics 軟件的偏微分方程模塊進(jìn)行建模，為了便于計(jì)算，對(duì)電芯做了一些假設(shè)：
忽略電芯內(nèi)部實(shí)際細(xì)節(jié)；
忽略火焰的影響；
忽略電芯內(nèi)部物質(zhì)變化；
利用COMSOL Multiphysics 軟件，建立幾何模型，設(shè)置偏微分方程，設(shè)置參數(shù)，設(shè)置網(wǎng)格，求解和處理。
教程鏈接：https://www.yqgqt.org.cn/college/video/c16490
基于上述基礎(chǔ)模型，擴(kuò)展研究分別建立了32650單體熱濫用失控仿真模型、軟包模組的熱失控蔓延模型、軟包單層穿刺熱失控模型等等。
① 32650單體熱濫用失控仿真模型
熱失控溫度峰值時(shí)候，模型展示的溫度分布。右邊展示了仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比。
在此模型基礎(chǔ)上，繼續(xù)研究了不同電芯初始容量對(duì)熱失控的影響。
電芯初始容量越高，熱失控的峰值溫度越高，對(duì)后續(xù)的蔓延有一定的影響。
② 軟包模組的熱失控蔓延模型
原文鏈接：https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1794975
實(shí)驗(yàn)采用三顆三元軟包電池，從左到右編號(hào) 1,2,3 。
對(duì)1號(hào)電池單側(cè)加熱直到熱失控，電芯之間采用不同厚度的隔熱物質(zhì)，模型定量的計(jì)算了電芯之間蔓延的時(shí)間，分析不同厚度、不同屬性的隔熱物質(zhì)對(duì)蔓延時(shí)間的影響。
展開 電池熱失控的仿真和優(yōu)化
圖3 熱失控以后噴發(fā)氣體造成的危害
熱失控過(guò)程中釋放出來(lái)的氣體包含H2，CO，CH4，DMC和其他（在某些情況下為有毒的）成分，這樣的混合氣體高度易燃。 在整包仿真中的意義是考核煙氣隔離蓋、泄壓閥數(shù)量&位置和排氣通道的設(shè)計(jì)優(yōu)化。
圖4氣體在環(huán)境下是否會(huì)自燃也是影響整個(gè)反應(yīng)的過(guò)程
2）泄壓閥的設(shè)計(jì)
目前電池包內(nèi)設(shè)計(jì)的泄壓閥，是確保電池系統(tǒng)內(nèi)可燃?xì)怏w在可控狀態(tài)下排出的最主要的設(shè)計(jì)手段，通過(guò)對(duì)泄壓閥的建模對(duì)于確定選擇泄壓閥的數(shù)量、位置和壓力釋放特性比較關(guān)鍵。
圖5 Etron、ES8和Model 3的泄壓閥設(shè)計(jì)
3）模組內(nèi)電芯熱傳遞的時(shí)間優(yōu)化
模組內(nèi)隔絕電芯熱傳播的手段主要是通過(guò)增加電芯的間距，間隔的隔熱材料，端板的絕緣防護(hù)和頂部絕緣煙氣蓋的設(shè)計(jì)。
圖6 在端板附近電芯引發(fā)熱失控的傳遞時(shí)間
4）煙氣隔離
有效的煙氣隔離設(shè)計(jì)主要是能夠影響模組內(nèi)的熱失控傳播時(shí)間，另一方面也有助于防止氣體對(duì)于模組上蓋的快速融化。
展開 淺析動(dòng)力電池熱失控機(jī)理和仿真分析
6、熱失控預(yù)警
鋰離子電池尤其是高能量密度、大容量的三元鋰離子電池，一旦著火，火勢(shì)迅速蔓延，情形十分嚴(yán)峻。實(shí)際應(yīng)用中，因各種因素的影響，鋰離子電池濫用的情況難以完全避免。為了進(jìn)一步減少熱失控的傷害，要做到預(yù)防為主、防患于未然。因此，對(duì)鋰離子電池?zé)崾Э?/em>的情況設(shè)置防護(hù)預(yù)警機(jī)制顯得尤為重要。
解決熱失控問(wèn)題需要從多尺度、多學(xué)科的角度出發(fā)，綜合考慮材料、單體、系統(tǒng)等不同的熱安全策略，主要涉及新電化學(xué)體系、材料體系的開發(fā)、單體安全設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)控溫技術(shù)等，旨在抑制副反應(yīng)、減少產(chǎn)熱量、提高散熱能力以及阻止熱害擴(kuò)散等。安全材料體系開發(fā)是解決熱失控問(wèn)題的根源，但就目前而言，安全的材料體系在短期內(nèi)依然無(wú)法實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，因此，應(yīng)該進(jìn)一步發(fā)展更加有效的電池設(shè)計(jì)、熱管理方法來(lái)確保鋰離子電池的熱安全性。
四、熱失控仿真
熱失控的分析流程可從電池單體仿真、模組/電池包仿真、電池包測(cè)試和驗(yàn)證，通過(guò)測(cè)試對(duì)仿真的模型進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。動(dòng)力電池?zé)岱抡?/em>涉及到電-化學(xué)仿真、電池?zé)?/em>管理仿真、系統(tǒng)級(jí)熱管理仿真。
1、電-化學(xué)仿真
電池單體詳細(xì)的電化學(xué)過(guò)程研究
電化學(xué)仿真為電池老化的檢查與評(píng)估提供了條件
在同一個(gè)仿真工具中可以同時(shí)進(jìn)行熱管理和電-熱分析
性能仿真可擴(kuò)展性
2、電池?zé)?/em>管理仿真
高精度的電池及相關(guān)零部件熱管理仿真。
能夠考慮各類熱損失，以更加詳細(xì)地考慮溫度場(chǎng)分布
基于有限容積法的多物理場(chǎng)仿真，對(duì)固體和流體區(qū)域的換熱進(jìn)行在線耦合仿真，更加準(zhǔn)確地再現(xiàn)冷卻過(guò)程。
展開 基于Star-CCM+動(dòng)力電池液冷系統(tǒng)熱管理仿真完整攻略
功能性測(cè)試表列出了功能性測(cè)試的項(xiàng)目和參考值，需要說(shuō)明的是，為了與液熱系統(tǒng)和保溫系統(tǒng)匹配，表中增加了加熱性能測(cè)試和保溫性能測(cè)試。
可靠性測(cè)試和安全性測(cè)試表出了可靠性測(cè)試和安全性測(cè)試的項(xiàng)目及對(duì)應(yīng)的測(cè)試參考。
七、動(dòng)力電池液冷系統(tǒng)熱管理仿真
《STAR-CCM 新能源汽車動(dòng)力電池?zé)崾Э胤抡?/em>13講》第一個(gè)模組失控，引發(fā)第二個(gè)模組失控，評(píng)估現(xiàn)有模組之間的隔熱是否能阻止失控模組往正常模組的傳熱。大家可點(diǎn)擊查看STAR-CCM新能源汽車動(dòng)力電池?zé)崾Э胤抡?/em>講解（附視頻教程）
《基于Star-CCM 動(dòng)力電池液冷系統(tǒng)熱管理仿真27講》是筆者原創(chuàng)的視頻教程，本課程包括動(dòng)力電池?zé)?/em>管理理論、設(shè)計(jì)流程和仿真分析內(nèi)容，
課程詳細(xì)介紹了動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)、產(chǎn)熱原理，對(duì)動(dòng)力電池設(shè)計(jì)流程進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，對(duì)仿真過(guò)程包括幾何簡(jiǎn)化、修復(fù)、多類型網(wǎng)格生成、宏命令創(chuàng)建監(jiān)測(cè)點(diǎn)和報(bào)告，后處理動(dòng)畫制作進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并介紹了常溫1C放電、高溫1C放電計(jì)算分析、高溫快充計(jì)算分析、低溫加熱計(jì)算分析、保溫性能計(jì)算分析等多工況仿真。
展開 Amesim電池教程 電池熱失控模型 在線閱讀
概述
本文旨在描述Amesim中的電池?zé)崾Э?/em>模型的建模原理、使用方法，在電池?zé)崾Э?/em>過(guò)程中，各階段反應(yīng)放熱模型以及各參數(shù)的物理意義。
模型原理：對(duì)于各階段的化學(xué)反應(yīng)，基于用戶通過(guò)熱測(cè)試試驗(yàn)標(biāo)定好的參數(shù)，根據(jù)半經(jīng)驗(yàn)公式（Arrhenius）計(jì)算各階段的反應(yīng)速率，再由反應(yīng)速率對(duì)時(shí)間積分計(jì)算反應(yīng)物質(zhì)消耗及其放熱量。詳細(xì)過(guò)程如下所述。
2. 電池?zé)崾Э?/em>過(guò)程
2.1. 產(chǎn)生原因
當(dāng)鋰電芯內(nèi)部的生熱速率超過(guò)單體對(duì)外部的散熱速率時(shí)，鋰電池將發(fā)生熱失控現(xiàn)象。因此，鋰電池在任何情況下（充電/放電/存儲(chǔ)），都有安全溫度的限制要求Tlim。
A）正常工作區(qū)與失控發(fā)生區(qū) B）外部溫度升高導(dǎo)致熱失控 C）換熱能力下降導(dǎo)致熱失控
電池?zé)崾Э?/em>的成因有多種，取決于電池自身的狀態(tài)以及外部因素
內(nèi)部原因：
例如：電池內(nèi)部化學(xué)原因?qū)е碌膬?nèi)部短路，電池自身的設(shè)計(jì)缺陷，電池的生產(chǎn)制造缺陷，電池的過(guò)充，BMS的軟硬件故障。
外部原因：
例如：機(jī)械外力（事故）導(dǎo)致的電池內(nèi)部短路（穿刺等），外部環(huán)境溫度過(guò)高，外部電路短路等。
鋰電池?zé)崾Э?/em>的起始溫度（OTR-Onset of Thermal Runaway）一度被認(rèn)為是鋰的熔點(diǎn)，大概180degC。但實(shí)際上在這之前已經(jīng)發(fā)生了一系列的持續(xù)放熱化學(xué)反應(yīng)，因此，實(shí)際熱失控的起始溫度要遠(yuǎn)低于該值，對(duì)于一塊充滿的鋰電池，熱失控一旦發(fā)生，其內(nèi)部溫度將持續(xù)增高，最高可達(dá)600 degC。
展開 電池熱失控的檢測(cè)和BMS的發(fā)展方向
▲圖2.電池系統(tǒng)里面影響壓力變化的一些事件
2.汽車傳感器
由于燃料電池的原因，過(guò)往汽車傳感器廠家其實(shí)有一些技術(shù)儲(chǔ)備，主要是基于H2的泄露檢測(cè)，把這個(gè)借用過(guò)來(lái)用在鋰電池?zé)崾Э?/em>檢測(cè)上是比較好的解決方案。
▲圖3.基于壓力、CO2和H2傳感器對(duì)單電池?zé)崾Э?/em>的檢測(cè)
Part 2
電池管理系統(tǒng)的未來(lái)
在下面的恩智浦的《Next-Generation Architectures For Battery Management Solution》里面有一張圖比較典型，我們能看到在三電領(lǐng)域，都出現(xiàn)了高低壓分離，硬件和軟件分離的情況發(fā)生，也就是說(shuō)未來(lái)分布式的電池管理軟件，可能會(huì)被集成到Domain 控制器甚至是放到集中運(yùn)算平臺(tái)里面。
我的理解是，隨著熱失控緩解用到更多的熱管理組件，想要覆蓋上述這么多熱失控檢測(cè)和熱失控延緩，必然要形成集中處理的模式，同時(shí)對(duì)下層的硬件進(jìn)行激活。
備注：這個(gè)過(guò)程還是比較慢，主要是BMS運(yùn)算相對(duì)要求實(shí)時(shí)。
▲圖4.電池管理系統(tǒng)把自己做成全硬件產(chǎn)品
小結(jié)：我個(gè)人覺(jué)得，在這個(gè)電池檢測(cè)和熱失控延緩領(lǐng)域，會(huì)衍生出比較多的主動(dòng)控制措施，需要調(diào)用更多的資源，這也使得電池管理的軟件更快進(jìn)入上層。
展開 基于comsol的18650鋰電池熱濫用失控分析 ￥2500
image_process=/format,webp/quality,q_40/resize,w_760" data-initial-src="https://img.jishulink.com/upload/202103/770788e82a794efc8c6e5b04d3bef4bb.gif">
</div><p><br></p><p><br></p><p>熱失控是鋰離子電池最嚴(yán)重的安全事故，儲(chǔ)存在鋰離子電池內(nèi)部的電能和化學(xué)能在短時(shí)間內(nèi)大量釋放，使得鋰離子電池內(nèi)部的溫度甚至能夠達(dá)到900℃以上，同時(shí)熱失控中電解液、活性物質(zhì)分解產(chǎn)生的大量氣體會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部的壓力急劇升高，甚至引起鋰離子電池的爆炸。為了保證在鋰離子電池的安全性，通常我們會(huì)在電池殼上設(shè)計(jì)一個(gè)防爆閥，在壓力過(guò)高時(shí)能夠及時(shí)被破壞，釋放電池內(nèi)部的壓力，防止熱失控中電池發(fā)生爆炸。</p><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/201909/7d5c73bb95e8419ea86442e5ee7bd214.gif"></p><p> 對(duì)于18650電池而言，防爆閥設(shè)計(jì)在電池的上蓋之中，防爆閥還兼具了斷路器的功能，在電池內(nèi)部壓力升高到一定程度時(shí)，防爆閥動(dòng)作切斷電流回路，當(dāng)電池內(nèi)部的壓力進(jìn)一步升高時(shí)，防爆閥結(jié)構(gòu)被破壞，釋放電池內(nèi)部的壓力，防止電池發(fā)生爆炸。之前我們主要是從原理上了解防爆閥的設(shè)計(jì)，由于18650電池上蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)讓我們很難直接看到在熱失控的過(guò)程中防爆閥動(dòng)作過(guò)程。</p><p> 倫敦城市學(xué)院的Donal P. Finegan（第一作者）和Paul R.
展開 電動(dòng)汽車動(dòng)力電池熱失控過(guò)程分析及預(yù)警機(jī)制設(shè)計(jì)
在所有的事故原因中，熱失控問(wèn)題占有很大比例。本文通過(guò)對(duì)動(dòng)力電池?zé)崾Э?/em>過(guò)程的分析，設(shè)計(jì)出一套熱失控預(yù)警系統(tǒng)。這樣至少保證在整車發(fā)生熱失控之前能夠通知到車內(nèi)的乘客，避免造成人員傷亡，同時(shí)能夠盡量減少事故帶來(lái)的財(cái)產(chǎn)損失。
一、熱失控過(guò)程分析
鋰電池的熱失控主要是由于電池內(nèi)部產(chǎn)熱速率遠(yuǎn)大于散熱速率，在電池內(nèi)部積累了大量的熱量，從而引發(fā)單體電池的著火或爆炸。單體電池的熱失控又會(huì)擴(kuò)散到整個(gè)電池系統(tǒng)，導(dǎo)致整個(gè)電池系統(tǒng)甚至整車的起火或爆炸事故。
為研究動(dòng)力電池系統(tǒng)熱失控發(fā)生的過(guò)程，我們外接熱源的方式對(duì)電池進(jìn)行加熱從而引發(fā)熱失控。試驗(yàn)表明，在單體電池發(fā)生熱失控時(shí)伴隨有電池電壓的變化、電池及環(huán)境溫度的變化、電池包內(nèi)氣壓的變化及氣體成分的變化。我們將出現(xiàn)異常的的信號(hào)分為溫度、電壓、氣壓（或氣體成分）三個(gè)大類，分別進(jìn)行分析。
針對(duì)溫度信號(hào)在熱失控過(guò)程中的分析：電池的溫度在熱失控發(fā)生前會(huì)有一個(gè)持續(xù)的較快速率的上升過(guò)程，如圖1數(shù)據(jù)所示（橫軸時(shí)間單位為秒，縱軸溫度單位為℃），在前720秒的時(shí)間內(nèi)，溫度從室溫25℃持續(xù)升高到62℃。隨后發(fā)生單體電池的熱失控，溫度急劇上升到430℃。第一節(jié)電池能量釋放完之后溫度會(huì)下降，到第787秒第二節(jié)電池?zé)崾Э?/em>，同樣溫度短時(shí)間內(nèi)急劇上升。如此發(fā)生連環(huán)性的熱失控反應(yīng)，最后整個(gè)電池包都發(fā)生熱失控。
針對(duì)單體電池電壓信號(hào)在熱失控過(guò)程中的分析：電池的電壓在熱失控發(fā)生之前基本維持在平臺(tái)電壓保持不變。在熱失控發(fā)生的瞬間，實(shí)測(cè)在2秒內(nèi)電壓會(huì)下降到1V以下。圖2（橫軸時(shí)間單位為S，縱軸電壓?jiǎn)挝粸閂）中符合以上特征，第一個(gè)發(fā)生熱失控的電池在第720秒之前電壓恒定在4.13V，在第720后開始急劇下降，到第722秒幾乎降到0V，之后由于檢測(cè)電壓的電路受損燒毀均為無(wú)效值。
展開 基于lab-on-fiber技術(shù)原位監(jiān)測(cè)鋰離子電池熱失控
來(lái)源 | Nature Communications
01
背景介紹
隨著全球范圍內(nèi)能源危機(jī)的出現(xiàn)，并在“雙碳”目標(biāo)驅(qū)動(dòng)下，鋰離子電池獲得了蓬勃發(fā)展，然而電池?zé)崾Э?/em>被喻為威脅電池安全的“癌癥”，是制約電動(dòng)汽車與新型儲(chǔ)能規(guī)模化發(fā)展的核心瓶頸。因此亟需深入理解鋰離子電池?zé)崾Э?/em>演變機(jī)制，并提出早期預(yù)警策略以防止火災(zāi)爆炸事故的發(fā)生。導(dǎo)致電池?zé)崾Э?/em>的根源，是電池內(nèi)部一系列復(fù)雜且相互關(guān)聯(lián)的“鏈?zhǔn)礁狈磻?yīng)”。最具代表性的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)包括：外部電、熱、機(jī)械濫用→內(nèi)部產(chǎn)熱→SEI膜分解→負(fù)極與電解液反應(yīng)、產(chǎn)氣→隔膜熔化→內(nèi)部短路→安全閥開啟→正極與電解液反應(yīng)、產(chǎn)氣→電解液分解、產(chǎn)氣→電解液、氣體燃燒→起火爆炸！從局部短路到大面積短路，電池內(nèi)部溫度快速提升，可高達(dá)800℃以上，引發(fā)電池起火爆炸。由此可見，“溯源電池?zé)崾Э?/em>發(fā)生的內(nèi)在誘因，厘清各分步反應(yīng)之間的耦聯(lián)關(guān)系，揭示熱失控主導(dǎo)機(jī)制與動(dòng)力學(xué)規(guī)律，前移熱失控預(yù)警時(shí)間窗口”是從根本上解決儲(chǔ)能安全問(wèn)題的核心。然而，由于電池的密閉結(jié)構(gòu)和內(nèi)部復(fù)雜的反應(yīng)機(jī)制，電池內(nèi)部核心狀態(tài)參量檢測(cè)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性無(wú)法保證。最新報(bào)道的具有“透視”檢測(cè)能力的科學(xué)儀器（如中子衍射、X射線衍射、冷凍電鏡等），由于儀器體積龐大、價(jià)格昂貴，無(wú)法應(yīng)用于電池使用終端。如何科學(xué)、及時(shí)、準(zhǔn)確地預(yù)判電池安全隱患，成為當(dāng)前電池安全領(lǐng)域的國(guó)際性科學(xué)難題。
02
成果掠影
近期，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)孫金華教授和王青松研究員團(tuán)隊(duì)與暨南大學(xué)郭團(tuán)教授團(tuán)隊(duì)提出了一種可植入電池內(nèi)部的多模態(tài)集成光纖原位監(jiān)測(cè)技術(shù)，在國(guó)際上率先實(shí)現(xiàn)了對(duì)商業(yè)化鋰電池?zé)崾Э?/em>全過(guò)程的精準(zhǔn)分析與提早預(yù)警。
展開 不同老化路徑對(duì)鋰離子電池熱失控行為影響對(duì)比研究
電解液消耗副反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)阻急劇增加，但反應(yīng)的具體機(jī)理目前仍未清楚。在熱失控特性演變方面，電池正極材料的熱穩(wěn)定性在全生命周期內(nèi)無(wú)明顯變化，電池?zé)崾Э?/em>特性演變主要取決于負(fù)極材料+電解液反應(yīng)體系的變化。其中，負(fù)極析鋰將導(dǎo)致電池?zé)崾Э?/em>溫升速率明顯增加，T1和T2大幅降低，熱失控特性急劇變差。負(fù)極SEI膜增厚本身對(duì)電池?zé)崾Э?/em>特性影響不大。然而，當(dāng)SEI膜增厚消耗大量的可用鋰離子，引起負(fù)極嵌鋰量明顯下降時(shí)，電池負(fù)極材料的熱穩(wěn)定性將會(huì)提升，相應(yīng)地，電池的熱失控特性也會(huì)變好，具體表現(xiàn)為自產(chǎn)熱起始溫度T1升高，熱失控溫升速率降低。電解液消耗將導(dǎo)致電池?zé)崾Э?/em>釋放的總能量減少，最高溫度T3降低。
4.總結(jié)
作者研究了不同老化路徑對(duì)鋰離子電池?zé)崾Э?/em>行為的影響，發(fā)現(xiàn)老化過(guò)程中正極發(fā)生的副反應(yīng)（包括正極顆粒破碎、CEI膜增厚以及過(guò)渡金屬溶解等）對(duì)電池?zé)崾Э?/em>特性演變無(wú)明顯影響，電池全生命周期熱失控特性演變主要取決于負(fù)極材料+電解液反應(yīng)體系產(chǎn)熱特性的變化。具體地，電解液消耗會(huì)引起電池?zé)崾Э?/em>釋放的總能量減少，最高溫度T3降低。SEI膜增厚引起的負(fù)極嵌鋰量明顯下降將導(dǎo)致負(fù)極材料的熱穩(wěn)定性提升，引起電池自產(chǎn)熱起始溫度T1升高，熱失控溫升速率降低。然而，負(fù)極析鋰將導(dǎo)致電池的絕熱熱失控性能急劇變差，具體表現(xiàn)為熱失控溫升速率明顯增加，T1和T2大幅降低。
—— 感謝閱讀 ——
展開 基于comsol的軟包鋰電池熱濫用失控蔓延分析
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</div><p> 鋰離子動(dòng)力電池作為電動(dòng)汽車的主流動(dòng)力源，具有高比能量的特點(diǎn)。而目前汽車用動(dòng)力電池多采用數(shù)量較多的小容量電池進(jìn)行串并聯(lián)成組以滿足高能量的要求。這樣，汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)的安全問(wèn)題就不再僅僅是電池單體的安全問(wèn)題，而是電池成組安全問(wèn)題。近年發(fā)生的汽車動(dòng)力電池事故，均是由于電池組中的某一個(gè)電池單體發(fā)生熱失控后產(chǎn)生大量熱，導(dǎo)致周圍電池單體受熱產(chǎn)生熱失控。這樣，電池組內(nèi)的熱失控蔓延問(wèn)題就是電池成組安全問(wèn)題的主要關(guān)注點(diǎn)。</p><p> </p><p> 熱失控的發(fā)生劃分為三個(gè)階段，自生熱階段（50℃-140℃），熱失控階段（140℃-約850℃），熱失控終止階段（850℃-常溫），文獻(xiàn)提供的隔膜大規(guī)模融化溫度起始于140℃。</p><p> 如果周圍有其他電芯，則在此階段，通過(guò)把熱量向周圍傳播，熱失控可能向其他電芯蔓延。熱量可能通過(guò)連接的導(dǎo)電件傳導(dǎo)，也可能因?yàn)轶w積膨脹，原來(lái)保有間距的電芯，在此時(shí)已經(jīng)彼此貼緊，電芯殼體之間直接傳導(dǎo)熱量。蔓延不能有效阻斷，將產(chǎn)生整個(gè)電池模組爆炸燃燒風(fēng)險(xiǎn)。
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