一种基于热失控蔓延仿真的锂离子电池防护设计方法技术

本发明专利技术提供了一种基于热失控蔓延仿真的锂离子电池防护设计方法，通过所提出的检测、建模与仿真过程对热失控防护设计实现了改进，能够有效避免电池热失控的蔓延，保护电池系统、车辆甚至人身安全。方法中以仿真结果作为热失控防护设计的参考依据，相比较依赖于实验的现有技术大大减少了人力与物力的消耗，明显提高了效率，同时也最大程度的避免了实验过程中的危险。该方法从单体热失控建模起，最终扩展到电池的防护设计，方法的泛用性广，对于不同类型的单车单体及成组形式都能较好地适用。同类型的单车单体及成组形式都能较好地适用。同类型的单车单体及成组形式都能较好地适用。

【技术实现步骤摘要】
一种基于热失控蔓延仿真的锂离子电池防护设计方法


[0001]本专利技术属于锂离子电池热防护设计
，具体涉及一种基于热失控蔓延仿真的锂离子电池防护设计方法。

技术介绍

[0002]锂离子电池由于其高能量密度、高工作电压、循环寿命长等特性，目前在电动车辆中被较为广泛地使用。然而，多发的电池系统热失控事故对于新能源车辆的使用造成了严重的安全隐患。锂离子电池系统由于高能量密度的需求，一旦发生热失控，电池中蕴含的大量化学能在短时间内大量转换为热能，会导致整个系统温度急剧上升。而在电动汽车的电池系统中，电池普遍采用成组应用的形式，因此个别电池的热失控很容易波及附近的其他电池，最终引起整个系统的崩溃，甚至会引发严重安全问题。现有对电池热失控的防护设计主要在大量实验的基础上展开，人力物力成本极高，考虑到不同电池系统的排布方式，也需要持续补充实验数据，同时实验中的危险性尚无法避免。因此，有必要提供一种过程相对简化、适用范围广且安全性高的锂离子电池防护设计方式。

技术实现思路

[0003]有鉴于此，针对上述本领域中存在的技术问题，本专利技术提供了一种基于热失控蔓延仿真的锂离子电池防护设计方法，具体包括以下步骤：
[0004]S1、对电池单体开展绝热热失控试验，获取电池单体在热失控状态下的温升曲线及热失控临界温度数据；
[0005]S2、基于步骤S1所获取的温升曲线，建立包含电池传热与热失控产热两方面因素的电池单体热失控模型，再根据电池单体组成的电池组几何结构，建立电池组热蔓延模型；
[0006]S3、在仿真环境中触发至少一个电池单体发生内短路及热失控，根据步骤S2建立的电池组热蔓延模型模拟电池组内产热情况，并基于步骤S1中采集的热失控临界温度数据判断热失控是否在电池组中蔓延；如果判断为是，转到步骤S4，如果判断为否则方法流程结束；
[0007]S4、对电池组的电池箱热防护结构进行改进并重复执行S3的仿真，直到所述至少一个电池单体的热失控在电池组中不再蔓延时，该方法流程结束。
[0008]进一步地，步骤S1中绝热热失控试验具体利用绝热加速量热仪，对电池单体绝热失控整个过程中的产热量、产热速率进行精确策略，得到此过程中电池单体的温升—时间曲线；所述热失控临界温度具体采用电池单体触发热失控温度与电池泄压阀打开温度两者中较低的温度；对相同电池单体的不同SOC下重复开展所述绝热热失控试验，以得到多组所述温升—时间曲线。
[0009]进一步地，步骤S2中建立包含电池传热与热失控产热两方面因素的电池单体热失控模型，具体包括：
[0010]1)三维的热传导方程：
[0011][0012]式中，ρ为电池密度，C
p
为电池恒压热容，k为导热系数，Q
t
为额外热量输入；
[0013]2)电池与外界对流方程，服从牛顿冷却定律：
[0014]Q＝Ah(T
s
‑
T
∞
)
[0015]式中，A(m2)为对流换热面积，h(W/(m2·
K)为对流换热系数，T
s
为固体表面的温度，T
∞
为远离固体表面的流体的温度；
[0016]3)定边界表面上与流体的对流换热系数及周围的温度方程：
[0017]t＞0时,
[0018]式中，t为时间，λ为导热系数，n代表方向；
[0019]4)由SEI膜分解反应、负极与溶剂的反应、正极与溶剂的反应以及电解液分解反应四种副反应所引入的生热率总和：
[0020]Q
chem
＝Q
sei
+Q
ne
+Q
pe
+Q
e
[0021]式中，Q
sei
、Q
ne
、Q
pe
及Q
e
分别对应上述四种副反应的单位体积生热率，单位为W/m
‑3；
[0022]各副反应的放热速率具体利用Arrhenius公式进行描述：
[0023][0024]式中，T为电池温度，单位为K；c为无量纲量，表示不同组分中相关材料的含量；A、E
a
及上标m分别代表相应反应的频率因子、反应活化能以及c的反应级数；H表示该反应的单位重量放热，单位为J/kg；W为单位体积含碳量，单位为kg/m3；R为理想气体常数，R＝8.314J
·
mol
‑1·
K
‑1；对于不同材料对应的公式设置不同的修正项。
[0025]进一步地，步骤S3中电池单体的内短路及热失控，选择先对电池单体建立等效电路模型，再在仿真环境下对等效电路模型设置等效短路电阻旁路的方式触发；或选择仿真环境下电池单体包括受挤压、过充等不同方式与组合的触发条件。
[0026]进一步地，步骤S4中对电池组的电池箱热防护结构进行改进具体包括根据电池组热蔓延模型的模拟结果，在电池箱中的相应位置增设阻燃材料或相变材料，以及调整已有阻燃材料或相变材料的厚度、面积及位置。
[0027]上述本专利技术所提供的基于热失控蔓延仿真的锂离子电池防护设计方法，通过所提出的检测、建模与仿真过程对热失控防护设计实现了改进，能够有效避免电池热失控的蔓延，保护电池系统、车辆甚至人身安全。方法中以仿真结果作为热失控防护设计的参考依据，相比较依赖于实验的现有技术大大减少了人力与物力的消耗，明显提高了效率，同时也最大程度的避免了实验过程中的危险。该方法从单体热失控建模起，最终扩展到电池的防护设计，方法的泛用性广，对于不同类型的单车单体及成组形式都能较好地适用。
附图说明
[0028]图1为本专利技术所提供方法的整体步骤流程；
[0029]图2为本专利技术实施例中电池单体绝热热失控温升图；
[0030]图3为本专利技术实施例中单体热失控仿真与实验温度对比图；
[0031]图4为本专利技术实施例中电池模组模型几何示意图；
[0032]图5为本专利技术实施例中内短路电池模型示意图；
[0033]图6为本专利技术实施例中电池模组热蔓延仿真结果图；
[0034]图7为基于本专利技术对阻燃板与相变材料改进后的电池模组热蔓延仿真效果图。
具体实施方式
[0035]下面将结合附图对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0036]本专利技术提供的一种基于热失控蔓延仿真的锂离子电池防护设计方法，如图1所示，具体包括以下步骤：
[0037]S1、对电池单体开展绝热热失控试验，获取电池单体在热失控状态下的温升曲线及热失控临界温度数据；
[0038]S2、基于步骤S1所获取的温升曲线，建立包含电池传热与热失控产热两方面因素的电池单体热失控模型，再根据电池单本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于热失控蔓延仿真的锂离子电池防护设计方法，其特征在于：具体包括以下步骤：S1、对电池单体开展绝热热失控试验，获取电池单体在热失控状态下的温升曲线及热失控临界温度数据；S2、基于步骤S1所获取的温升曲线，建立包含电池传热与热失控产热两方面因素的电池单体热失控模型，再根据电池单体组成的电池组几何结构，建立电池组热蔓延模型；S3、在仿真环境中触发至少一个电池单体发生内短路及热失控，根据步骤S2建立的电池组热蔓延模型模拟电池组内产热情况，并基于步骤S1中采集的热失控临界温度数据判断热失控是否在电池组中蔓延；如果判断为是，转到步骤S4，如果判断为否则方法流程结束；S4、对电池组的电池箱热防护结构进行改进并重复执行S3的仿真，直到所述至少一个电池单体的热失控在电池组中不再蔓延时，该方法流程结束。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤S1中绝热热失控试验具体利用绝热加速量热仪，对电池单体绝热失控整个过程中的产热量、产热速率进行精确策略，得到此过程中电池单体的温升—时间曲线；所述热失控临界温度具体采用电池单体触发热失控温度与电池泄压阀打开温度两者中较低的温度；对相同电池单体的不同SOC下重复开展所述绝热热失控试验，以得到多组所述温升—时间曲线。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤S2中建立包含电池传热与热失控产热两方面因素的电池单体热失控模型，具体包括：1)三维的热传导方程：式中，ρ为电池密度，C
p
为电池恒压热容，k为导热系数，Q
t
为额外热量输入；2)电池与外界对流方程，服从牛顿冷却定律：Q＝Ah(T
s
‑
T
∞
)式中，A(m2)为对流换热面积，h(W/(m2·
K)为对流换热系数，T
s
为固体表面的温度，T
∞

【专利技术属性】
技术研发人员：柴志雄，李军求，刘子鸣，刘正楠，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：