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在Simcenter Amesim中小酌动力电池热失控
2020-03-28 18:39:47· 来源：数字化工业软件技术期刊 作者：李佳
为了响应中国制造2025的战略规划，电动车对动力电池也提出了高密度、长时间供电等要求，相应地电池的阴极材料从LFP和NCM向富镍的NCM或者富锂的锰氧化物转变，阳
为了响应中国制造2025的战略规划，电动车对动力电池也提出了高密度、长时间供电等要求，相应地电池的阴极材料从LFP和NCM向富镍的NCM或者富锂的锰氧化物转变，阳极材料也从碳化合物向硅碳化合物转变。这样虽然电池的能量密度在不断提高，但是材料的稳定性却越来越低，带来的电池安全性问题也就越来突出。其中作为最突出的安全问题，热失控引发的烟雾、火灾甚至爆炸等受到越来越多的关注。
图1 电芯材料发展趋势
热失控（TR）指的是电池单体放热连锁反应引起电池自温升速率急剧变化的过热、起火、爆炸现象。热失控扩展（TRP）指的是电池包或系统内部的单体电池或模组热失控，并触发该系统中相邻或其他部位的热失控现象。
导致动力电池出现热失控的原因主要有两种，一种是自发失效，多是由于加工过程中的污染或者工艺不当造成的，不过相对与传统汽车的起火事故，这种失效的概率比较低；另一种就是实际使用过程中的滥用情况，主要分为机械滥用、电滥用和热滥用。
图2 电池热失控原因
其中机械滥用包括常见的碰撞、挤压、穿刺、振动等；电气滥用一般包括外短路，过充，过放等几种形式；而热滥用很多情况是机械滥用和电滥用导致的，当然也包括由于接触不良、或者工艺问题等引起的电池自发内部短路。
TR的发生实质上其是由副反应引起的链式反应，在不同温度下材料分解以及材料间化学反应放热导致的，随着温度的升高，连锁热化学反应会一个接着一个发生。图3为典型PE基质的陶瓷涂层隔膜的NCM动力电池在热失控过程中，随着温度的升高而出现的各种化学反应，相继出现SEI分解，阳极电解液发生化学反应，隔膜PE基质融化，阳极分解，电解液分解等，最终导致隔膜逐步瓦解，引起短路，导致最终的热失控。
图3 电池热失控化学反应演变过程
Simcenter Amesim系统仿真软件有专用的动力电池库，集成了常用的商用电芯数据库以及用于电池标定、参数辨识等工具，可以用来分析动力电池的动态特性，除了考虑了电池的老化、法拉第效率、扩散、电荷转移、滞环效应等现象，还可以用来分析电池的热失控。
在前面的分析中，我们知道电池发生热失控实质是随着温度的升高，电池内部一系列主要的热化学反应导致的。Amesim电池热失控分析中就包含了这些主要的化学反应模型，具体包括：
- SEI的分解反应；
- 负极与电解液之间的化学反应；
- 正极的分解反应；
- 电解液的分解反应；
- 内部短路放电反应；
在热失控分析中，Amesim可以分析随着时间的变化，电池内部化学反应随着温度的演变历程，以及不同反应产生的热量、气体和对电池容量等特性的影响。随着化学反应过程中产生的气体量越来越多，电池内部的压力也越来越大，Amesim电池模型也考虑了电池内部排气的动态过程，这样能更精确地反映电池的热失控过程。
另外为了更方便地进行电池热失控仿真，Amesim平台电池模型包含了不同的电芯材料化学反应模型中需要用到的参数的数据库，方便建模分析。如下面数表中就列出了不同正极材料的激活能、频率因子、比焓、幂指数等参数；当然用户也可以根据需要自定义材料参数。
下面以NCA-C三元电池模组为例（模组结构示意图4），分析单体之间的不同设计距离对电池热失控过程的影响。
图4 三元电池模组结构示意图
基于Amesim的电池库与热库模型，建立其电池模组模型，具体如下：
图5 电池模组热失控模型
模型中包括电池模组（由六个电池单体串联组成），单体之间通过镍连接器连接，模型中考虑了电池单体之间通过镍连接件的热传导，相邻单体之间以及单体与包装壳体之间的热辐射，包装壳体和外部大气之间的热对流。这个模型的主要目的是为了研究电池热失控及其扩展的机理，所以在模型中没有加入电池的冷却系统。
在仿真的初始阶段我们在图4所示模组位置放入火源对电池模组进行加热，直到临近电池单体的温度达到热失控开始温度才熄灭火源，如下面的曲线所示。
图6 火源的温度变化
然后我们分别针对2mm和5mm的单体距离进行仿真，分析两种设计方案电池模组热失控的扩展过程。图7左侧为单体距离为2mm的6个单体的温度变化曲线，右侧为距离为5mm的6个单体的温度变化曲线。
从图中可以看书，间距为2mm时，即使火源已经熄灭，但单体1的温度已经达到了热失控的开始温度值，单体1发生热失控，接着单体1通过热传导和热辐射引起与它临近的单体2和4也发生热失控，紧接着单体5在2和4的共同作用下发生热失控，并以更快的速率到达更高的温度，最后3和6也发生热失控，6与5比较接近，达到的最高温度比3略高。反观5mm的设计间距，即使单体1发生热失控，但由于间距比较大，热量更容易散出去，导致其他单体的温度小于发生热失控的开始温度，从而阻止了热失控在电池模组内部的扩张，有效地阻止了整个模组损毁。
图7 电池6个单体温度变化曲线
我们又把单体1分别在2mm和5mm两种距离下的温度仿真结果放到一个图中，可以看出把电池单体的间距改为5mm后，相对于2mm的间距，电池的热失控晚发生了800s，且最大温度也相对较小。
图8 单体1在两种设计方案中温度的变化曲线
基于Amesim的三维后处理显示图更能直观的观测到电池单体热失控的整个扩展过程，下面就是距离为2mm的电池热失控扩展过程。
图9 电池模组热失控扩展过程
因此，通过Amesim电池模型库，建立电池热失控模型，不仅可以分析电池热失控特性，还可以帮助用户优化设计参数抑制电池热失控，从而更好的设计电池包的参数，提高电池的安全性能。
参考文献：
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