基于正交试验的锂离子电池热失控仿真_胡力月.pdf
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1、第 12 卷 第 4 期2023 年 4 月Vol.12 No.4Apr.2023储能科学与技术Energy Storage Science and Technology基于正交试验的锂离子电池热失控仿真胡力月,姚行艳(重庆工商大学人工智能学院,重庆 400067)摘要:锂离子电池热失控是由多种因素耦合而导致的结果,得到影响锂离子电池热失控影响因素的重要性程度对于提高电池安全性具有极大意义。对此,针对针刺导致的锂离子电池热失控,利用COMSOL软件仿真分析了不同针刺位置、速度、直径、SOC(state of charge)对锂离子电池单体针刺热失控影响,得到对单体电池热失控影响的重要因素。基于
2、单体针刺热失控仿真结果,以4个锂离子电池单体组成的模组为研究对象,利用单因素仿真试验分析不同钢针直径R、电池SOC以及针刺电池个数N对电池模组热扩散影响;基于此,本文分析了针刺电池个数N、钢针直径R及电池SOC耦合作用热失控的正交试验。结果表明:相对于针刺位置、针刺速度对电池单体热失控影响,电池SOC和针刺直径R对电池单体热失控影响较为显著,且针刺直径R越小,单体电池热失控越剧烈;电池SOC越大,热失控时电池温度分布越不均匀;针刺直径R越大,模组热扩散需要时间越长;当SOC在100%85%范围内时,模组内各电池单体的热失控最高温度变化较为明显;针刺电池个数N越大,模组热失控越剧烈,但位于模组中
3、间位置的电池热失控最高温度有所降低。针刺电池个数N、SOC、针刺直径R对电池模组热失控温度和扩散时间的影响程度主次顺序为:NRSOC*RSOC*NN*RSOC,其中,针刺电池个数N对电池模组热扩散影响最显著,且不同因素间的交互作用不容忽视。本工作为提高电池的安全性及电池设计提供了参考依据。关键词:锂离子电池;热失控;正交试验doi:10.19799/ki.2095-4239.2022.0701 中图分类号:TM 911 文献标志码:A 文章编号:2095-4239(2023)04-1268-10Thermal runaway of lithium-ion batteries based on
4、orthogonal testHU Liyue,YAO Xingyan(School of Artificial Intelligence,Chongqing Technology and Business University,Chongqing 400067,China)Abstract:Thermal runaway(TR)of lithium-ion battery(LIB)is caused due to various factors.Therefore,it is of great significance to obtain the degree of importance o
5、f the factors affecting the TR of LIB to improve battery safety.Thus,this paper used COMSOL to analyze the influence of the penetrated position,speed of penetration,nail diameter,and state of charge(SOC)on the TR of LIB.Based on the results of penetration test of a single LIB,the influence of differ
6、ent penetrated diameters(R),SOC of the battery,and the number of penetrated cells(N)on the thermal diffusion of the battery module were analyzed.Subsequently,an orthogonal test was designed to analyze the penetrated conditions of battery modules,and it considers the N,R,SOC,and the interaction among
7、 these three factors.The results show that the battery SOC 储能测试与评价收稿日期:2022-12-06;修改稿日期:2022-12-16。基金项目:重庆市自然科学基金面上项目(cstc2020jcyj-msxmX0736),重庆市教委科学技术研究项目(KJQN201900808),重庆市英才计划创新创业示范团队(CQYC201903246),重庆工商大学研究生教改(2022YJG0210),检测控制集成系统重庆市工程实验开发基金(KFJJ2021018)。第一作者:胡力月(1998),女,硕士研究生,从事锂离子电池热安全技术研究,E-
8、mail:;通讯作者:姚行艳,副教授,从事机器学习/深度学习应用、电池健康监测,E-mail:yaoxingyan-。引用本文:胡力月,姚行艳.基于正交试验的锂离子电池热失控仿真J.储能科学与技术,2023,12(4):1268-1277.Citation:HU Liyue,YAO Xingyan.Thermal runaway of lithium-ion batteries based on orthogonal testJ.Energy Storage Science and Technology,2023,12(4):1268-1277.第 4 期胡力月等:基于正交试验的锂离子电池热失
9、控仿真and penetrated diameter R significantly influence the TR of the battery,compared with the penetrated position and speed.Based on our findings,the smaller the R is,the more severe is the TR,and the larger the SOC is,the more uneven is the temperature distribution of the TR.In addition,the larger t
10、he R is,the longer is the thermal diffusion time for the battery module.The maximum TR temperature of each battery in the module changes when SOC varies within 100%85%.The larger the N is,the more severe is the TR of the module.However,the maximum temperature of the battery located in the middle of
11、the module decreased.For the battery module,the significance of the factors on the TR temperature and diffusion time is NRSOC*RSOC*NN*RSOC.The number of penetrated cells significantly affected the thermal diffusion of the battery module,and the interaction between the factors cannot be ignored.This
12、research paves a way to improve battery safety and design.Keywords:lithium-ion battery;thermal runaway;orthogonal test锂离子电池作为新能源汽车的核心部件,其安全性能得到大家广泛关注,尤其是最近频发的因锂离子电池热失控而导致的安全问题,成为最近几年研究的焦点。热滥用、机械滥用和电滥用是导致电池热失控发生的主要诱因1-2,其本质是各种滥用情况下引起电池隔膜崩塌,导致电池阴阳两极直接接触,产生内短路。针刺试验是常见的模拟电池内短路的试验方法之一。因此,研究不同条件下,不同因素对电池针
13、刺热失控行为的重要性程度,对于改善电池安全性能、揭示电池热失控机理具有重要意义。针对单体电池针刺热失控,Zhao 等3研究发现,容量越高电池越容易发生热失控,当针刺直径一定时电池内阻降低,热失控程度加剧,针刺直径越大热失控的温度分布越均匀。Mao等4对18650电池进行的针刺试验发现,SOC越高热失控程度越严重,电池针刺深度与表面温度不成正比,针刺速度越快电池表面温度分布越不均匀。Ye等5通过构建三维电池模型,研究不同穿透位置对电池热失控影响,结果表明,针刺位置影响电池的温度分布。Jia等6研究了18650电池包的热扩散规律,发现电池单体之间摆放角度为90时,热扩散以圆形模式进行,当摆放角度为
14、60时,热扩散以多边形模式进行;同时传热系数越大内短路产生的热量不再集中于电池表面,模组热扩散的时间越长。Jin等7提出一种基于CTC框架的电池拓扑结构,将一节电池同时与多节电池接触,可以增强热失控电池的散热,又不至于导致电池模组发生热扩散。Wang等8对由过充引起NCM电池组热扩散行为进行研究,发现热扩散传播速度随着传播过程逐渐增加。提高电池热失控触发温度会抑制电池模组热扩散传播速度,但可能会导致电池热失控最高温度升高。Wang等9研究发现,锂离子电池老化程度对热扩散传播影响不大;与电池正负极放置在相同方向上相比,电池正极放置在相同方向上更容易导致热扩散。由上可知,对于锂离子电池针刺热失控的
15、研究,其影响因素不仅与电池本身有关,还和针刺不同工况有极大关系。当前的研究主要集中于单一因素对热失控的影响,而不同因素对于电池热失控的研究则需要合理设计实验,通过仿真的方式研究电池热失控,不仅能够降低实验成本,而且能够为电池设计提供参考依据。正交试验中,影响结果的试验条件被称为因素,因素水平表示因素的取值大小,正交试验具有试验次数少、可考虑不同因素交互作用等优点。因正交表中任一列各水平出现次数相同,任两列都包含了不同因素全部水平的所有组合,所以能全面反映不同因素和因素水平对指标的影响,主要用于电池材料10-11及BMS的参数优化。Pan等12设计了具有并联多通道冷液板的三维电池热模型,利用正交
16、试验对冷却板厚度、冷却管厚度、通道数和冷却剂流量进行参数优化,可显著提高液冷电池模块的温度均匀性。Wang等13通过COMSOL对电池组热行为进行仿真并设计正交试验,分析不同冷却结构、通道数量、入口冷却剂流量对电池组温度的影响效果,结果表明不同冷却结构对电池组最高温度有显著的影响效果。宋亚娟等14对不同电池的SOC(state of charge)、温度、充放电电流等设计正交试验,得到充电过程温度对电池热失控的影响。综上所述,当前正交试验研究主要集中于电池12692023 年第 12 卷储能科学与技术模组结构设计方面,针对不同因素诱发电池热失控的正交试验方法研究较少,而因素的类型和水平对热失控
17、严重程度具有重要影响。电池模组热扩散情况受到多种因素影响,通过正交试验,可将不同因素对热失控重要性程度进行主次排序。对此,论文通过COMSOL仿真得到不同针刺位置、针刺直径、针刺速和SOC对电池单体热失控的影响,在此基础上,通过4块三元锂离子模组为研究对象,分别设计了单因素试验和正交试验,确定对电池模组热扩散影响效果最显著的因素及因素间交互影响,为优化电池安全管理和电池安全性试验设计提供理论支持。1 锂离子电池单体针刺热失控单体电池针刺热失控仿真模型如图1所示。实际电池内部由多层电极单元堆叠而成,为提高计算效率将电芯材料等效为均匀混合物,模型几何按照电池外部尺寸建模如图1(a)所示。当钢针刺入
18、锂离子电池内部时,电池正负极材料通过钢针互相接触,导致电极单元出现短路,如图1(b)所示。电池在短时间内释放大量电能引起电池内温度升高,诱发连锁副反应,最终导致电池热失控。本工作研究对象为NCM/石墨三元软包叠片电池,软包三元锂离子电池厚度一般在1520 mm,钢针会在极短时间内穿透,因此,这里主要关注钢针刺穿电池后的情况,电池相关参数见表1。1.1三元锂离子电池针刺模型基于CMOSOL建立三元锂离子电池针刺模型,通过锂离子电池接口建立一维电化学模型描述单个电池的电化学特性,并利用偏微分方程建立热失控副反应模型。三维热模型的输入为一维电化学模型及热失控副反应模型所产生的热量,同时,将三维热模型
19、计算得到的电芯温度反馈给电化学模型和副反应模型,作为电池的电化学反应和热失控副反应的反应条件。电池电化学反应参数和热失控模型反应动力学参数参考文献15中数据。电池和钢针热物性参数见表2。1.2不同工况下单体电池针刺热失控在实际应用中,电池可能会在不同工况下受不同外力作用被穿透导致发生内短路。对此,通过仿真研究不同针刺位置、SOC、针刺速度V、针刺直径R下电池内短路。电池单体仿真试验中若不做特别说明,针刺直径R为3 mm,针刺速度V为20 mm/s,针刺位置为电池中心位为C,Tmax和tmax分别为电池热失控时达到的最高温度和达到最高温度所需时间。1.2.1不同针刺位置对电池单体热失控的影响以R
20、为3 mm,V为20 mm/s的钢针分别穿透如图2(a)所示位置,针刺位置分布于电池中心及4个角,电池热失控温度与时间曲线如图2(b)所示。由图2(b)可知,当针刺位置A时,Tmax最高为533,针刺C位置时Tmax最低为524。根据图2,电池表面的温度分布受针刺位置影响较大,针刺中心位置时电池表面温度分布最均匀,热失控发生得最慢;受电池几何形状的限制,相较于中心位置,针刺其他位置时热量不易向四周扩散,热量更容易累积。因此,在电池发生热失控初期时,为避免加剧热失控严重程度,应当采取措施防止热量聚集在某一个区域。针刺不同位置对Tmax和tmax影响不大,与参考文献16结论一致,但本工作仿真结果表
21、明,电池表面温度分布受针刺位置影响较大。图1(a)电池几何模型;(b)电池针刺短路原理Fig.1(a)Battery geometric model;(b)Short-circuit of battery表1NCM/石墨锂离子电池参数Table 1Parameters of batteries电池参数额定容量额定电压充/放电截止电压电池尺寸数值20 Ah3.8 V4.2 V/2.8 V100 mm80 mm15 mm表2电池和钢针热物特性参数Table 2Thermal properties of battery and penetration组件电芯正极极耳负极极耳钢针密度/(kg/m3)1
22、367270089607850比热容/J/(gK)2867900385475热导率/W/(mK)kx=ky=13.8,kz=1.1816014644.51270第 4 期胡力月等:基于正交试验的锂离子电池热失控仿真1.2.2针刺速度对单体电池热失控的影响图3显示了不同针刺速度V对电池热失控的影响。由图可知,V的大小与电池Tmax成正比,与tmax成反比,V高于20 mm/s和低于10 mm/s后,速度的改变对锂离子电池热失控的影响较小。结合仿真结果和文献16-17结论可以得出,在一定范围内的V的改变,对同一款电池的热失控反应影响不大。这是因为电池单体厚度通常在1520 mm,所以,针刺都会在极
23、短时间内击穿电池产生内短路。然而,软包电池内部是由多层电芯叠加起来,当V较低时,隔膜能更好地包裹住钢针,因此,与高速针刺过程相比,低速针刺触发热失控的时间较长。V越低,在相同时间内,钢针进入电池内部的体积越小,同时产生相应欧姆热,从而导致针刺初期,电池温升速率有所差异;但随着欧姆热的累积,电池内温度不断上升,从而触发副反应。对于同一款电池,相同SOC下,发生连锁副反应后所释放的热量大致相同,因此,V对Tmax影响较小。1.2.3针刺直径对单体电池热失控的影响由图4,针刺直径R对电池热失控的影响较为显著,R越大,tmax越大,Tmax越小。图4中当R取6 mm时,电池针刺热失控温度先快速上升到2
24、10 左右,图3不同针刺速度下电池热失控温度Fig.3Thermal runaway temperature of the battery at different penetrated velocity图2(a)针刺位置示意图;(b)针刺不同位置电池温度;(c)针刺中间位置t=2 s时电池热通量流向;(d)针刺右上位置t=2 s时电池热通量流向Fig.2(a)Penetration position;(b)Temperature at different positions;(c)Heat flux direction of the cell at 2 s when penetrated a
25、t C;(d)Penetrate the A position and the heat flux direction of the battery at 2 s12712023 年第 12 卷储能科学与技术随后温度上升明显放缓,直至达到最高温度402。由图5(a)得知,相较于R小于3 mm时的情况,R大于6 mm后,R的改变对Tmax的影响更大。当R为7 mm时,电池未发生热失控,此时Tmax为181。从图5(b)可知,R大于4 mm后,tmax明显延迟,这是因为在针刺电池发生热失控后,热量通过钢针从电池内部传输到外界,钢针的直径越大与外界接触的面积越大,通过钢针传输到外部的热量越多。此外,
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