精華 | 基于TAITherm軟件的鋰離子電池熱失控仿真
發布時間：2020/3/10 14:11:39 修改時間：2021/5/20 17:28:25 瀏覽次數：1942
動力電池的安全問題是社會各界廣泛關注的問題，而鋰離子電池的熱失控是動力電池安全事故的隱患之一。本文介紹如何基于專業熱仿真軟件TAITherm進行熱失控模擬，進而為電池包散熱策略優化提供依據。

（圖片來源于網絡）

  依據電池單體組分材料和電池的放電特性，考慮電池的串并聯關系，基于TAITherm軟件的電池模塊快速搭建電池單體或者電池包的熱電耦合模型，并分析電池充、放電過程中電池電壓和溫度場變化。基于TAITherm軟件的電池熱電耦合模型如下圖所示：

  如何基于熱電耦合模型進行過充電等電濫用引起的單體電池熱失控仿真呢？

需要先從過充電的內部反應機理說起：
  正常充電期間，引起鋰離子電池溫升的熱源有電化學反應熱、極化熱和焦耳熱，這些熱量值較小，引起電池溫升效果不太明顯，而鋰離子電池一旦發生過充電，正極析出過量鋰并且不斷向負極嵌入，導致SEI膜增厚，電池內阻不斷增大，進而使產生的焦耳熱增多；隨著過充電的持續進行，電池內部發生微短路現象，產生大量焦耳熱，甚至引發電池內部副反應。鋰離子電池過充電時的熱源可以分為兩大部分：即副反應熱和除副反應熱之外的其它熱，而電化學反應熱和極化熱相較于焦耳熱數值較小，其它熱源項主要為焦耳熱。

  焦耳熱由TAITherm軟件的電模型計算，作為電池的初始熱源項輸入到TAITherm熱模型中，熱模型通過該熱源計算得到電池溫度，并將溫度返回到TAITherm副反應腳本用以觸發各副反應。同時，副反應產生的熱源輸入到熱模型，通過不斷迭代計算實時獲取電池溫度，如下圖所示：

  焦耳熱的計算采用如下公式：S1=I2R，其中R為內阻，需要將TAITherm電模型的內阻數據從正常充放電范圍擴展到過充電條件下的內阻值。

  TAITherm副反應腳本的編輯過程主要考慮電池熱失控導致的四類內部連鎖副反應：SEI膜分解、正極分解、負極分解以及電解液分解，四類反應的計算公式如下所示：

?  S2：副反應熱
?  H：反應熱(J/g)
?  W：密度(g/m3)
?  α：歸一化濃度初始值
?  A：反應速率常數(1/s)
?  R：氣體常數8.314J/(mol*K)
?  m、n、p：反應級數

  在0.1C與0.2C的電流下，基于TAITherm軟件和上述模擬方案進行電池的過充電熱失控仿真，反應結果如下圖所示。由仿真結果可知，在過充電條件下，電池發生熱失控的時間受過充電電流大小的影響，電流越大，發生熱失控的時間更早，且生熱量更大，即熱失控導致的溫度更大。因此，在使用過程中應防止鋰離子電池發生過充電現象，尤其是大電流過充電情況的發生，并注意對電池進行良好散熱，防止發生熱失控現象。

不同充電電流下單體電池的溫度變化情況

不同充電電流下單體電池的生熱量變化

當然，我們也可以對其他引起熱失控的場景進行模擬分析，比如，通過在TAITherm軟件中設置指定的環境溫度可以模擬由于環境溫度過高引起的熱失控；通過設置電模型的充放電電流大小模擬由于快速充放電引發的熱失控；通過電池包模擬由于輻射與熱對流造成的單體電池之間的熱失控擴展，用于評估抑制熱失控發生與擴展的策略等，以后有機會繼續跟大家交流。

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