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我們將陸續(xù)為大家分享獲獎佳作，帶您一同領(lǐng)略仿真賦能創(chuàng)新的非凡力量，希望用戶能從中汲取靈感、啟迪思路。作品名稱：大容量磷酸鐵鋰電池熱失控期間相變吸熱與噴發(fā)研究作者： 王佩犇 | 中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 博士生關(guān)鍵詞：磷酸鐵鋰電池，熱失控建模，噴發(fā)降溫，電解液沸騰作者說Ansys Fluent求解器穩(wěn)定可靠，成熟的仿真能做好，難的仿真它能做，開發(fā)模型總能快人一步。

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，電池負(fù)極材料的熱穩(wěn)定性將會提升，相應(yīng)地，電池的熱失控特性也會變好，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)致電池熱失控釋放的總能量減少，最高溫度T3降低。

因此亟需深入理解鋰離子電池熱失控演變機(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)致電池熱失控的根源，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！

隨著移動和運輸系統(tǒng)的電氣化程度不斷提高，電池設(shè)計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熱性是影響電動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。

溫度過高時，?電池會折壽（?容量衰減）?，?暴斃（?熱失控）?風(fēng)險增加；?溫度過低時，?電池同樣會折壽（?容量衰減）?、?衰弱（?性能衰減）?，?若此時充電還會埋下暴斃隱患（?析鋰導(dǎo)致的內(nèi)短路存在引發(fā)熱失控的風(fēng)險）?。?綜上所述，?由于電池內(nèi)部復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)和物理過程的難以預(yù)測性，?以及外部條件對電池安全性的影響，?使得汽車電池熱失控的發(fā)生難以準(zhǔn)確預(yù)測。

*精彩直播預(yù)告 鋰電池作為主要動力電源之一已被廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)，因其高能量的特點，預(yù)防電池熱失控進(jìn)行電池熱管理控制一直是被企業(yè)重點關(guān)注的問題。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，而如何有效的預(yù)防鋰電池熱失控進(jìn)行熱管理是企業(yè)面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

產(chǎn)生原因當(dāng)鋰電芯內(nèi)部的生熱速率超過單體對外部的散熱速率時，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），都有安全溫度的限制要求Tlim。

研究發(fā)現(xiàn)，鋰離子電池舒適溫度需要控制在20~35 ℃之間，溫度過高時，其不可逆反應(yīng)加劇容易產(chǎn)生自放電、熱失控等安全事故；溫度過低，則會使其容量和功率發(fā)生明顯下降。因此，為了改善電動汽車單電池及電池成組后的安全性能，需建立較精確熱仿真模型，以此來預(yù)測動力鋰離子電池內(nèi)部溫度分布狀況及熱傳遞過程，從而精確分析出鋰離子電池熱失控因素。

在鋰離電池熱失控早期，由于電池溫度、放電電壓、放電電流等特征識別參數(shù)的變化非常緩慢，通過現(xiàn)代 BMS 無法及早地監(jiān)測到電池故障，而此時電池內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)會產(chǎn)生大量的氣體物質(zhì)，因此，利用氣體檢測傳感器來實現(xiàn)鋰離子電池熱失控早期預(yù)警是最有效的辦法。

同時對所有模型采用了修正的BV動力學(xué)方程以建立高速充放電仿真。熱模型和多物理場模型，還包含了電池老化模型、SEI的形成和分解的反應(yīng)、熱失控模型以及電池膨脹模型。對于多物理場模型，LS-DYNA還實現(xiàn)了基于氧化和鋰水化反應(yīng)機(jī)制的氣體生成模型，該模型主要應(yīng)用于性能測試、過充測試和新型鋰電池設(shè)計等領(lǐng)域。

儲存在鋰離子電池內(nèi)部的電能和化學(xué)能在短時間內(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，同時熱失控中電解液、活性物質(zhì)分解產(chǎn)生的大量氣體會導(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。

此外，在高工作溫度下，電池的溫度迅速上升，可能會降低電池的生命周期。熱失控在鋰離子電池中已經(jīng)變得越來越普遍，熱安全性已經(jīng)成為阻止其使用的一個關(guān)鍵問題。如果這些熱量不立即消散，不僅會降低電池性能，還會引發(fā)熱失控，導(dǎo)致電池燃燒和爆炸。因此建立合適的熱管理系統(tǒng)至關(guān)重要。 電池的安全性可以通過在電池熱管理系統(tǒng)(BTMS)中監(jiān)測來評估。

鋰離子電池因其能量密度高、自放電率低、維護(hù)要求低、循環(huán)壽命長、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊等特點，是目前電動汽車使用最廣泛的電源。然而，鋰離子電池的性能受工作溫度的影響很大。鋰離子電池理想的工作溫度范圍為25 ~ 40℃，不同電池之間的最高溫差小于5℃。在低溫或高溫環(huán)境下工作都會導(dǎo)致電池性能下降，壽命縮短，甚至熱失控。

目前，100Ah以上的三元鋰電池在電動汽車上得到了廣泛應(yīng)用，而大容量三元鋰離電池發(fā)生熱失控后可能會誘發(fā)更為嚴(yán)重的火災(zāi)事故。為此本案例針對117Ah三元鋰方形電池，在Fluent中使用UDF/UDS定義了SEI膜分解、負(fù)極與電解液反應(yīng)、正極分解反應(yīng)、電解質(zhì)分解等過程，并利用T2之后溫度與溫升速率的函數(shù)關(guān)系得到內(nèi)短路產(chǎn)熱的表達(dá)式。

鋰離子電池電化學(xué)-熱耦合模型由兩部分組成：研究電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)的電化學(xué)模型以及描述電池溫度分布的熱模型。這兩個部分分工明確并相互耦合。首先，電化學(xué)模型計算出發(fā)熱功率，然后將發(fā)熱功率傳遞給熱模型，熱模型根據(jù)發(fā)熱功率計算出溫升，然后將此時電池溫度傳遞給電化學(xué)模型中受溫度影響的各參數(shù)，以此互相耦合實現(xiàn)電池的電壓和溫度模擬。

此外，在高工作溫度下，電池的溫度迅速上升，可能會降低電池的生命周期。熱失控在鋰離子電池中已經(jīng)變得越來越普遍，熱安全性已經(jīng)成為阻止其使用的一個關(guān)鍵問題。如果這些熱量不立即消散，不僅會降低電池性能，還會引發(fā)熱失控，導(dǎo)致電池燃燒和爆炸。因此建立合適的熱管理系統(tǒng)至關(guān)重要。 電池的安全性可以通過在電池熱管理系統(tǒng)(BTMS)中監(jiān)測來評估。

(3)電化學(xué)儲能;(4)機(jī)械儲能?鋰離子電池作為一款集比能量高?能量密度高?自放電率小?輸出功率大等諸多優(yōu)良特性的電池,在動力電池及儲能電池領(lǐng)域擁有極大的市場?可是鋰離子電池在實際應(yīng)用中還可能出現(xiàn)熱失控的問題?原因在于,鋰離子電池在充放電過程中,電池內(nèi)阻發(fā)熱?電極極化發(fā)熱及化學(xué)反應(yīng)放熱等會使電池溫度迅速升高,電池溫度升高會進(jìn)一步促使反應(yīng)的加劇,從而形成產(chǎn)熱與溫升的正反饋?當(dāng)溫度超過一定限制時,電池可能會出現(xiàn)膨脹

熟悉鋰電池模組簡化，基本掌握電池模組簡化要求；● 熟悉ANSYS Fluent熱仿真流程；● 了解LTI 降階模型。