新闻资讯

通过科学和创新,我们帮助各行各业的客户满足当今和未来社会发展的需求。

方形锂离子电池热失控情况下的热管理研究

   次浏览   武汉船用电力推进装置研究所   2020-12-26

引言


为了保证锂离子电池系统热失控状况下的稳定性和安全性,目前比较常见的方案便是在电池周围布置冷却装置。


为了测试冷却装置的可靠性,研究者们通过实验和仿真的方式对热失控下电池动力系统在冷却装置作用下电池的热分布情况进行分析。


本文以一种以液冷方式的方形锂离子电池为研究对象,通过构建三维模型并利用ANSYS模拟软件对电池包中单个电芯热失控情况下的温度分布情况进行模拟仿真。通过仿真结果分析电池热失控情况下电池包内热量传播情况,并且根据温度分布云图来判断冷却装置作用的有效性。


为了验证模拟仿真结果的可靠性,通过实验对该型号电池中的单个电芯进行过充至热失效,并布置热电偶采集电池中某些点在热失效过程中的温度分布情况。最终把模拟结果同实验结果比较验证模拟仿真模拟的准确性,并根据电池的技术要求对热管理系统进行分析。


1 方形锂离子电池模型


电池单元包放置于金属箱子里,为了加强电池热失控时热量的传播速度,电池箱和电池包之间的间隙布置着阻燃剂和冷却液,单个电池箱的外形结构如图1。该型方形锂离子电池的热管理方案是通过阻燃剂和冷却液的吸收电池热失控时产生的热量从而保证电池在热失控工况下的安全性和可靠性。



整个电池的热管理系统性能可以由电芯热失控的模拟和实验结果进行判断。锂离子电池的热失控一般由外部过充或者内部短路等因素构成,只要热量能及时传递一般不会发生热失控连锁反应,所以本文主要研究的是单个电芯发生热失控的情况。


2 单个电芯热失控模拟


2.1模型的建立以及网格的划分


通过三维建模软件对电池进行模型的建立,为了模拟的方便将整个电池系统进行了简化,简化后的模型主要由箱体、阻燃剂冷却液、电池包等部件构成。



由图2可知,电池包是由一个热失控的方形锂离子电池和气体正常工作电池构成。


三维模型建立后将其导入到ANSYS软件中的ICEM中进行边界层的设置以及网格的划分。



图3为整个电池结构的边界条件,边界条件的设置过程中,电池包和阻燃剂冷却液、阻燃剂冷却液和箱体、电池包和箱体之间的接触面为interface面,箱体和空气接触的外表面为壁面边界条件,对流对流系数为20W/m2,外界空气的温度为常温300K。电池包以及电池箱体和阻燃剂冷却液间的边界条件为对流边界条件对流换热系数大约为500W/m2。


设置好边界条件后对模型进行了网格的划分,网格的类型为六面体的结构化网格,网格数量大约为1170000个并且网格的质量较高,为了增加模拟的准确性同时节省计算时间本文还进行了网格的独立性验证。


2.2热失控的模拟


得到网格文件后,将其导入到ANSYSFLUENT软件中对单个电芯热失控过程中电池箱内温度最高时刻的温度分布情况进行模拟。


模拟过程中根据部件的材料特性赋予其材料属性,包括密度、比热容、导热系数等参数。为了模拟电池发热的现象,将电池包的电芯的内部设置均匀内热源,热失控电芯的内热源的热流密度要明显高于正常工作电芯。正常工作电芯的发热功率可由电芯的电压、电流、内阻等参数计算;热失控电芯的发热功率可由单个电芯的热失控实验计算得到。



设置好参数后便可开始热失控状态下的温度分布模拟,根据仿真结果电池箱温度分布云图可知整个结构的最低温度为315.8K,最高温度为415.9K,热失控电芯的温度明显要高于其他正常工作电芯、阻燃剂冷却液和箱体。同时,热失控电芯温度分布云图也符合其在径向、周向和轴向的导热特性。


由电池箱的温度分布云图可知,整个结构中温度最高的区域集中在热失控电芯附近,最低温度比环境温度高15K左右,主要分布在箱体周围。根据整个结构的温度分布云图可知该型电池的散热装置能有效地保证整个电池系统温度的稳定性。同时从热失控电芯的周围的正常工作电芯的温度分布情况可知该型电池的单个电芯的热失控不会造成热失控连锁反应。根据冷却液的分布情况可以推算冷却装置完全有能力吸收热失控产生的热量。所以,该电池在热失控时能够保证其他电芯正常工作,并且能够保证整个电池系统的安全性。


3 单个电芯热失控实验


为了了解电池结构中单个电芯发生热失控时整个电池箱的温度分布情况,本实验对单个电芯进行过充强迫其发生热失控。为了监测电池箱子各个地方的温度动态,本实验在电池箱不同地方布置了12个热电偶,如图5。



其中1号温度探头监测的是热失控电芯的温度分布情况;2号监测的是热失控相邻电芯的温度分布情况;4,5,6监测的其它电芯的温度分布;7,8探头分别监测的是底板的温度;9,10,11,12监测的阻燃剂冷却液各处温度分布情况。同时,为了了解充放电过程中电池箱电压变化情况,本实验还布置了2个电压测试探头。


通过数据采集器收集的电池箱各个位置的温度分布情况,通过处理可知其温度随时间的变化如图6所示。



过充单个电芯强迫其发生热失控过程中,整个电池箱的电压、电流、温度分布随时间的变化规律可以用以下几个阶段来描述:


1)在未接电源线和静置阶段,电池箱的各个地方温度相同,接近30℃。


2)恒流充电阶段,热失控电芯和箱体其他地方的温度显著升高,其中热失控电芯升高的频率最快,从30℃升高到50℃左右,其次是2号电芯、3号电芯。由此可知,整个电池箱的热量主要是从热失控电芯开始向周围传播,越靠近热失控电芯的地方温度越高。


3)恒压充电阶段,热失控电芯的温度总体呈指数趋势增加,并且在小范围内发生剧烈的震动趋势,有电压随时间的变化曲线可知这可能与恒压过程不稳定有关。在这一过程中,热失控电芯的温度升高到了最高温度134℃,同时电池箱内其他位置的温度也以较快趋势地升高到了较大值。


4)暂停阶段,该阶段虽然已经停止向电池箱体充电但是整个电池箱的温度还是不断地升高。说明该阶段热失控电芯已经损坏,虽然停止充电但是损坏的电芯还是会不断的放电发热,同时,这一阶段的电压剧烈的跳动,直至趋于0。


5)恒流充电阶段,由于热失控电芯的损毁,该阶段恒流充电只会对其他正常工作电芯产生影响,但是它们的发热功率相对于热失控电芯的明显太小。因此,该阶段中电池箱各处的温度呈现下降趋势。


6)停止阶段,该阶段断开电池箱的电源线。电池箱整体的温度呈下降趋势,但是在上一阶段其他正常工作电芯产热但是热失控电芯损毁不产热,所以热控电芯温度的下降频率相较其他正常工作电芯较大。最终,电池箱体所以地方的温度趋于室温。


热失控电芯在热失控过程中最高温度能达到134℃,此时其他正常工作的电芯的温度在80℃左右,完全符合安全性要求。并且当电芯开始泄压以后,整个电池的温度明显呈现下降趋势,最终热失控电芯的温度会低于正常工作电芯温度。


4结果与讨论


由单个电芯的热失控模拟仿真和实验结果比较可知,热失控过程中电池箱内部平均温度达到最高时,其温度分布情况的模拟结果与实验结果比较接近,模拟结果相对于实验结果数值略高。从而验证了仿真模型以及模拟结果的可靠性。通过进一步分析可知模拟和实验结果的差异性与模拟过程中发热功率设置有关,本文设置的热流密度为均匀热。


由本文对该型方形锂电池单个电芯的热失控时热量传播情况的研究可以主要得到以下两点结论:


1)电池内部单个电芯发生热失控事故时,该型电池的冷却装置完全能够吸收掉热失控过程中产生的热量,并且维持整个电池系统的安全性和稳定性。


2)单个电芯发生热失控时,由于电芯的本身的安全性措施以及电池的冷却装置的作用,不会对电池内其他正常工作的电芯产生热失控的连锁反应。

版权与免责声明 广州市绿原环保材料有限公司声明:本站内容及图片均由系统采集于网络,涉及的言论、版权与本站无关。如发现内容或图片存在版权问题,烦请提供相关信息发邮件至yeah_w@qq.com,我们将及时沟通与处理。
Top