锂电池热失控/热扩散仿真分析

文章来源“STAR CCM Online”公众号

当今世界,3C电子产品已经无处不在,新能源车也越来越普及。锂电池是3C电池产品和新能源车的关键零部件,人们不仅对电池性能和寿命要求越来越高,对电池的安全性更是提出了更加严格的要求,每一次锂电池的事故都会引起大众的关注。


    导致锂电池事故的原因多种多样,大概有以下几种:过热,过充,内部短路,外部短路,针刺,挤压及漏液等。


  以上这些是外部诱因,究其本质,是电池内部发生了一系列的副反应,主要有:

1.     SEI膜分解:SEI膜保护了负极活性物质,但是当温度达到90~120度时,SEI膜会发生分解反应并放出热量。

2.     负极-电解液反应:当温度高于120度,负极中嵌入的锂离子会和电解液直接发生反应并放出热量。

3.     正极-电解液反应:在被氧化的状态下,正极活性材料会与电解液直接发生反应或者活性材料自身分解产生氧气,氧气和电解液再发生反应。不管哪种反应,都是放热的。

4.     电解液分解:当温度大于200度,电解液自身也会发生分解反应并释放热量。

    锂电池发生热失控是非常严重和危险的事故,诸如民航已经禁止了某型号的手机带上飞机。但是比这更危险的是新能源车的动力电池发生热失控,因为当单个车用动力电池发生热失控时,很可能会热蔓延导致多个甚至整包电池都发生热失控,后果危害极大。

  目前,对锂电池热失控的仿真,除了分析和预测单个电池热失控现象外,对电池包内热扩散的仿真也非常重要,通过仿真优化电池包热管理能力,尽量避免发生由单个电池热失控导致的多个电池甚至整包热失控。下面的两个案例是STAR-CCM+中做的电池模组热失控仿真案例,展示了当其中一个电池发生热失控后,周围电池的温升情况,并由此可以判断是否导致了周围电池也发生热失控问题。

下面通过一个简单案例,说明在STAR-CCM+中如何进行热失控和热扩散的分析。我们建立一个4个电池的简单模组,放置于一个强制风冷的环境中,其中红色的电池发生热失控,热量向下方的电池传递,预测是否会引起其他电池的热失控。

       I.           首先创建电池几何模型和空气域,并进行网格剖分。

 STAR-CCM+中直接生成共节点的网格,电池和电极连接片使用薄体网格,空气域使用多面体网格并施加边界层网格。

       I.           设定物理模型和边界条件。

使用瞬态分析,电池和电极连接片采用固体物理模型,空气域采用K-E湍流模型。

这个分析中比较关键的是热失控时电池发热量的定义,本例中电池发热量的定义来自于实验数据,其中HrxnRd分别表示反应生成热(单位:J)和反应速率(单位:1/s),所以可得发热功率qgen

这里简化Hrxn为常值,Rd是随温度变化的曲线,故qgen也随温度变化:

STAR-CCM+ Tools下的Tables中导入Rd曲线:

然后在Field Function中引用差值函数来调用Rd曲线:

定义一个电池热失控过程中发热量的最大值作为阀值,对每个电池分别积分发热量,利用Field Function中的判断语句判断反应是否已经完成而终止发热:

其中SummedHeat1Report为对每个电池发热量的时间积分,emax为单个电池热失控过程最大发热量。

在每个电池的计算域内调用对应的发热功率函数;

流场风速给定0.5m/s,通过定义最上方的电池初始温度为175度来假设其已经发生热失控,模拟瞬态过程。

       I.           后处理及结果

通过后处理,得到电池温度分布及流场速度矢量:

通过Report检测每个电池的最高温度随时间变化曲线:

可以看到与热失控电池相邻的电池也发生了热失控,其他电池则没有发生热失控。

 后话

 通过简单案例,展示了STAR-CCM+中分析电池热失控的仿真流程,希望对各位有所参考。当然也可以采用更加复杂的热失控发热量的定义方法,例如可以参考前文所述,对电池内发生的每种副反应分别采用经验拟合公式表述其反应过程和发热量,一般采用阿列纽斯方程,通过实验数据标定方程中的参数。这种方法理论上更加细致准确,同样可以利用Field FunctionSTAR-CCM+中实现热失控的仿真过程,但是难点在于如何能够准确的通过实验数据标定反应方程,希望有机会可以和大家深入讨论。                            

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