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在Simcenter Amesim中小酌動力電池?zé)崾Э?/h1>
2020-03-28 18:39:47· 來源：數(shù)字化工業(yè)軟件技術(shù)期刊 作者：李佳
為了響應(yīng)中國制造2025的戰(zhàn)略規(guī)劃，電動車對動力電池也提出了高密度、長時間供電等要求，相應(yīng)地電池的陰極材料從LFP和NCM向富鎳的NCM或者富鋰的錳氧化物轉(zhuǎn)變，陽 為了響應(yīng)中國制造2025的戰(zhàn)略規(guī)劃，電動車對動力電池也提出了高密度、長時間供電等要求，相應(yīng)地電池的陰極材料從LFP和NCM向富鎳的NCM或者富鋰的錳氧化物轉(zhuǎn)變，陽極材料也從碳化合物向硅碳化合物轉(zhuǎn)變。這樣雖然電池的能量密度在不斷提高，但是材料的穩(wěn)定性卻越來越低，帶來的電池安全性問題也就越來突出。其中作為最突出的安全問題，熱失控引發(fā)的煙霧、火災(zāi)甚至爆炸等受到越來越多的關(guān)注。
圖1 電芯材料發(fā)展趨勢
熱失控（TR）指的是電池單體放熱連鎖反應(yīng)引起電池自溫升速率急劇變化的過熱、起火、爆炸現(xiàn)象。熱失控?cái)U(kuò)展（TRP）指的是電池包或系統(tǒng)內(nèi)部的單體電池或模組熱失控，并觸發(fā)該系統(tǒng)中相鄰或其他部位的熱失控現(xiàn)象。
導(dǎo)致動力電池出現(xiàn)熱失控的原因主要有兩種，一種是自發(fā)失效，多是由于加工過程中的污染或者工藝不當(dāng)造成的，不過相對與傳統(tǒng)汽車的起火事故，這種失效的概率比較低；另一種就是實(shí)際使用過程中的濫用情況，主要分為機(jī)械濫用、電濫用和熱濫用。
圖2 電池?zé)崾Э卦?/div>
其中機(jī)械濫用包括常見的碰撞、擠壓、穿刺、振動等；電氣濫用一般包括外短路，過充，過放等幾種形式；而熱濫用很多情況是機(jī)械濫用和電濫用導(dǎo)致的，當(dāng)然也包括由于接觸不良、或者工藝問題等引起的電池自發(fā)內(nèi)部短路。
TR的發(fā)生實(shí)質(zhì)上其是由副反應(yīng)引起的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，在不同溫度下材料分解以及材料間化學(xué)反應(yīng)放熱導(dǎo)致的，隨著溫度的升高，連鎖熱化學(xué)反應(yīng)會一個接著一個發(fā)生。圖3為典型PE基質(zhì)的陶瓷涂層隔膜的NCM動力電池在熱失控過程中，隨著溫度的升高而出現(xiàn)的各種化學(xué)反應(yīng)，相繼出現(xiàn)SEI分解，陽極電解液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，隔膜PE基質(zhì)融化，陽極分解，電解液分解等，最終導(dǎo)致隔膜逐步瓦解，引起短路，導(dǎo)致最終的熱失控。
圖3 電池?zé)崾Э鼗瘜W(xué)反應(yīng)演變過程
Simcenter Amesim系統(tǒng)仿真軟件有專用的動力電池庫，集成了常用的商用電芯數(shù)據(jù)庫以及用于電池標(biāo)定、參數(shù)辨識等工具，可以用來分析動力電池的動態(tài)特性，除了考慮了電池的老化、法拉第效率、擴(kuò)散、電荷轉(zhuǎn)移、滯環(huán)效應(yīng)等現(xiàn)象，還可以用來分析電池的熱失控。
在前面的分析中，我們知道電池發(fā)生熱失控實(shí)質(zhì)是隨著溫度的升高，電池內(nèi)部一系列主要的熱化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致的。Amesim電池?zé)崾Э胤治鲋芯桶诉@些主要的化學(xué)反應(yīng)模型，具體包括：
- SEI的分解反應(yīng)；
- 負(fù)極與電解液之間的化學(xué)反應(yīng)；
- 正極的分解反應(yīng)；
- 電解液的分解反應(yīng)；
- 內(nèi)部短路放電反應(yīng)；
在熱失控分析中，Amesim可以分析隨著時間的變化，電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)隨著溫度的演變歷程，以及不同反應(yīng)產(chǎn)生的熱量、氣體和對電池容量等特性的影響。隨著化學(xué)反應(yīng)過程中產(chǎn)生的氣體量越來越多，電池內(nèi)部的壓力也越來越大，Amesim電池模型也考慮了電池內(nèi)部排氣的動態(tài)過程，這樣能更精確地反映電池的熱失控過程。
另外為了更方便地進(jìn)行電池?zé)崾Э胤抡妫珹mesim平臺電池模型包含了不同的電芯材料化學(xué)反應(yīng)模型中需要用到的參數(shù)的數(shù)據(jù)庫，方便建模分析。如下面數(shù)表中就列出了不同正極材料的激活能、頻率因子、比焓、冪指數(shù)等參數(shù)；當(dāng)然用戶也可以根據(jù)需要自定義材料參數(shù)。
下面以NCA-C三元電池模組為例（模組結(jié)構(gòu)示意圖4），分析單體之間的不同設(shè)計(jì)距離對電池?zé)崾Э剡^程的影響。
圖4 三元電池模組結(jié)構(gòu)示意圖
基于Amesim的電池庫與熱庫模型，建立其電池模組模型，具體如下：
圖5 電池模組熱失控模型
模型中包括電池模組（由六個電池單體串聯(lián)組成），單體之間通過鎳連接器連接，模型中考慮了電池單體之間通過鎳連接件的熱傳導(dǎo)，相鄰單體之間以及單體與包裝殼體之間的熱輻射，包裝殼體和外部大氣之間的熱對流。這個模型的主要目的是為了研究電池?zé)崾Э丶捌鋽U(kuò)展的機(jī)理，所以在模型中沒有加入電池的冷卻系統(tǒng)。
在仿真的初始階段我們在圖4所示模組位置放入火源對電池模組進(jìn)行加熱，直到臨近電池單體的溫度達(dá)到熱失控開始溫度才熄滅火源，如下面的曲線所示。
圖6 火源的溫度變化
然后我們分別針對2mm和5mm的單體距離進(jìn)行仿真，分析兩種設(shè)計(jì)方案電池模組熱失控的擴(kuò)展過程。圖7左側(cè)為單體距離為2mm的6個單體的溫度變化曲線，右側(cè)為距離為5mm的6個單體的溫度變化曲線。
從圖中可以看書，間距為2mm時，即使火源已經(jīng)熄滅，但單體1的溫度已經(jīng)達(dá)到了熱失控的開始溫度值，單體1發(fā)生熱失控，接著單體1通過熱傳導(dǎo)和熱輻射引起與它臨近的單體2和4也發(fā)生熱失控，緊接著單體5在2和4的共同作用下發(fā)生熱失控，并以更快的速率到達(dá)更高的溫度，最后3和6也發(fā)生熱失控，6與5比較接近，達(dá)到的最高溫度比3略高。反觀5mm的設(shè)計(jì)間距，即使單體1發(fā)生熱失控，但由于間距比較大，熱量更容易散出去，導(dǎo)致其他單體的溫度小于發(fā)生熱失控的開始溫度，從而阻止了熱失控在電池模組內(nèi)部的擴(kuò)張，有效地阻止了整個模組損毀。
圖7 電池6個單體溫度變化曲線
我們又把單體1分別在2mm和5mm兩種距離下的溫度仿真結(jié)果放到一個圖中，可以看出把電池單體的間距改為5mm后，相對于2mm的間距，電池的熱失控晚發(fā)生了800s，且最大溫度也相對較小。
圖8 單體1在兩種設(shè)計(jì)方案中溫度的變化曲線
基于Amesim的三維后處理顯示圖更能直觀的觀測到電池單體熱失控的整個擴(kuò)展過程，下面就是距離為2mm的電池?zé)崾Э財(cái)U(kuò)展過程。
圖9 電池模組熱失控?cái)U(kuò)展過程
因此，通過Amesim電池模型庫，建立電池?zé)崾Э啬Ｐ?，不僅可以分析電池?zé)崾Э靥匦?，還可以幫助用戶優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)抑制電池?zé)崾Э?，從而更好的設(shè)計(jì)電池包的參數(shù)，提高電池的安全性能。
參考文獻(xiàn)：
[1] Abada, S., "Compréhension et modélisation de l'emballement thermique de batteries Li-ion neuves et vieillies", PhD thesis (Paris, Université Pierre et Marie Curie, 2016).
[2] Coman, Paul T., Rayman, Sean, and White, Ralph E., "A lumped model of venting during thermal runaway in a cylindrical Lithium Cobalt Oxide lithium-ion cell", Journal of Power Sources, 307 (2016), 56-62
[3] Hatchard, T. D., MacNeil, D. D., Basu, A. et al., "Thermal Model of Cylindrical and Prismatic Lithium-Ion Cells", J. Electrochem. Soc., 148/7 (2001), A755
[4] Kim, Gi Heon, Pesaran, Ahmad, and Spotnitz, Robert, "A three-dimensional thermal abuse model for lithium-ion cells", J.Power Sources, 170/2 (2007), 476-89.
[5] Lopez, Carlos F., Jeevarajan, Judith A., and Mukherjee, Partha P., "Characterization of Lithium-Ion Battery Thermal Abuse Behavior Using Experimental and Computational Analysis", J. Electrochem. Soc., 162/10 (2015), A2163-A2173.
[6] Petit, Martin, Marlair, Guy, Abada, Sara et al., "Modeling of safety tests and events", in Jürgen Garche and Klaus Brandt (eds.), Li-Battery Safety (Electrochemical Power Sources: Fundamentals, Systems, and Applications; 1st, [S.l.]: Elsevier, 2018).
2020-03-28 18:39:47· 來源：數(shù)字化工業(yè)軟件技術(shù)期刊 作者：李佳
為了響應(yīng)中國制造2025的戰(zhàn)略規(guī)劃，電動車對動力電池也提出了高密度、長時間供電等要求，相應(yīng)地電池的陰極材料從LFP和NCM向富鎳的NCM或者富鋰的錳氧化物轉(zhuǎn)變，陽
為了響應(yīng)中國制造2025的戰(zhàn)略規(guī)劃，電動車對動力電池也提出了高密度、長時間供電等要求，相應(yīng)地電池的陰極材料從LFP和NCM向富鎳的NCM或者富鋰的錳氧化物轉(zhuǎn)變，陽極材料也從碳化合物向硅碳化合物轉(zhuǎn)變。這樣雖然電池的能量密度在不斷提高，但是材料的穩(wěn)定性卻越來越低，帶來的電池安全性問題也就越來突出。其中作為最突出的安全問題，熱失控引發(fā)的煙霧、火災(zāi)甚至爆炸等受到越來越多的關(guān)注。
圖1 電芯材料發(fā)展趨勢
熱失控（TR）指的是電池單體放熱連鎖反應(yīng)引起電池自溫升速率急劇變化的過熱、起火、爆炸現(xiàn)象。熱失控?cái)U(kuò)展（TRP）指的是電池包或系統(tǒng)內(nèi)部的單體電池或模組熱失控，并觸發(fā)該系統(tǒng)中相鄰或其他部位的熱失控現(xiàn)象。
導(dǎo)致動力電池出現(xiàn)熱失控的原因主要有兩種，一種是自發(fā)失效，多是由于加工過程中的污染或者工藝不當(dāng)造成的，不過相對與傳統(tǒng)汽車的起火事故，這種失效的概率比較低；另一種就是實(shí)際使用過程中的濫用情況，主要分為機(jī)械濫用、電濫用和熱濫用。
圖2 電池?zé)崾Э卦?/div>
其中機(jī)械濫用包括常見的碰撞、擠壓、穿刺、振動等；電氣濫用一般包括外短路，過充，過放等幾種形式；而熱濫用很多情況是機(jī)械濫用和電濫用導(dǎo)致的，當(dāng)然也包括由于接觸不良、或者工藝問題等引起的電池自發(fā)內(nèi)部短路。
TR的發(fā)生實(shí)質(zhì)上其是由副反應(yīng)引起的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，在不同溫度下材料分解以及材料間化學(xué)反應(yīng)放熱導(dǎo)致的，隨著溫度的升高，連鎖熱化學(xué)反應(yīng)會一個接著一個發(fā)生。圖3為典型PE基質(zhì)的陶瓷涂層隔膜的NCM動力電池在熱失控過程中，隨著溫度的升高而出現(xiàn)的各種化學(xué)反應(yīng)，相繼出現(xiàn)SEI分解，陽極電解液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，隔膜PE基質(zhì)融化，陽極分解，電解液分解等，最終導(dǎo)致隔膜逐步瓦解，引起短路，導(dǎo)致最終的熱失控。
圖3 電池?zé)崾Э鼗瘜W(xué)反應(yīng)演變過程
Simcenter Amesim系統(tǒng)仿真軟件有專用的動力電池庫，集成了常用的商用電芯數(shù)據(jù)庫以及用于電池標(biāo)定、參數(shù)辨識等工具，可以用來分析動力電池的動態(tài)特性，除了考慮了電池的老化、法拉第效率、擴(kuò)散、電荷轉(zhuǎn)移、滯環(huán)效應(yīng)等現(xiàn)象，還可以用來分析電池的熱失控。
在前面的分析中，我們知道電池發(fā)生熱失控實(shí)質(zhì)是隨著溫度的升高，電池內(nèi)部一系列主要的熱化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致的。Amesim電池?zé)崾Э胤治鲋芯桶诉@些主要的化學(xué)反應(yīng)模型，具體包括：
- SEI的分解反應(yīng)；
- 負(fù)極與電解液之間的化學(xué)反應(yīng)；
- 正極的分解反應(yīng)；
- 電解液的分解反應(yīng)；
- 內(nèi)部短路放電反應(yīng)；
在熱失控分析中，Amesim可以分析隨著時間的變化，電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)隨著溫度的演變歷程，以及不同反應(yīng)產(chǎn)生的熱量、氣體和對電池容量等特性的影響。隨著化學(xué)反應(yīng)過程中產(chǎn)生的氣體量越來越多，電池內(nèi)部的壓力也越來越大，Amesim電池模型也考慮了電池內(nèi)部排氣的動態(tài)過程，這樣能更精確地反映電池的熱失控過程。
另外為了更方便地進(jìn)行電池?zé)崾Э胤抡妫珹mesim平臺電池模型包含了不同的電芯材料化學(xué)反應(yīng)模型中需要用到的參數(shù)的數(shù)據(jù)庫，方便建模分析。如下面數(shù)表中就列出了不同正極材料的激活能、頻率因子、比焓、冪指數(shù)等參數(shù)；當(dāng)然用戶也可以根據(jù)需要自定義材料參數(shù)。
下面以NCA-C三元電池模組為例（模組結(jié)構(gòu)示意圖4），分析單體之間的不同設(shè)計(jì)距離對電池?zé)崾Э剡^程的影響。
圖4 三元電池模組結(jié)構(gòu)示意圖
基于Amesim的電池庫與熱庫模型，建立其電池模組模型，具體如下：
圖5 電池模組熱失控模型
模型中包括電池模組（由六個電池單體串聯(lián)組成），單體之間通過鎳連接器連接，模型中考慮了電池單體之間通過鎳連接件的熱傳導(dǎo)，相鄰單體之間以及單體與包裝殼體之間的熱輻射，包裝殼體和外部大氣之間的熱對流。這個模型的主要目的是為了研究電池?zé)崾Э丶捌鋽U(kuò)展的機(jī)理，所以在模型中沒有加入電池的冷卻系統(tǒng)。
在仿真的初始階段我們在圖4所示模組位置放入火源對電池模組進(jìn)行加熱，直到臨近電池單體的溫度達(dá)到熱失控開始溫度才熄滅火源，如下面的曲線所示。
圖6 火源的溫度變化
然后我們分別針對2mm和5mm的單體距離進(jìn)行仿真，分析兩種設(shè)計(jì)方案電池模組熱失控的擴(kuò)展過程。圖7左側(cè)為單體距離為2mm的6個單體的溫度變化曲線，右側(cè)為距離為5mm的6個單體的溫度變化曲線。
從圖中可以看書，間距為2mm時，即使火源已經(jīng)熄滅，但單體1的溫度已經(jīng)達(dá)到了熱失控的開始溫度值，單體1發(fā)生熱失控，接著單體1通過熱傳導(dǎo)和熱輻射引起與它臨近的單體2和4也發(fā)生熱失控，緊接著單體5在2和4的共同作用下發(fā)生熱失控，并以更快的速率到達(dá)更高的溫度，最后3和6也發(fā)生熱失控，6與5比較接近，達(dá)到的最高溫度比3略高。反觀5mm的設(shè)計(jì)間距，即使單體1發(fā)生熱失控，但由于間距比較大，熱量更容易散出去，導(dǎo)致其他單體的溫度小于發(fā)生熱失控的開始溫度，從而阻止了熱失控在電池模組內(nèi)部的擴(kuò)張，有效地阻止了整個模組損毀。
圖7 電池6個單體溫度變化曲線
我們又把單體1分別在2mm和5mm兩種距離下的溫度仿真結(jié)果放到一個圖中，可以看出把電池單體的間距改為5mm后，相對于2mm的間距，電池的熱失控晚發(fā)生了800s，且最大溫度也相對較小。
圖8 單體1在兩種設(shè)計(jì)方案中溫度的變化曲線
基于Amesim的三維后處理顯示圖更能直觀的觀測到電池單體熱失控的整個擴(kuò)展過程，下面就是距離為2mm的電池?zé)崾Э財(cái)U(kuò)展過程。
圖9 電池模組熱失控?cái)U(kuò)展過程
因此，通過Amesim電池模型庫，建立電池?zé)崾Э啬Ｐ?，不僅可以分析電池?zé)崾Э靥匦?，還可以幫助用戶優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)抑制電池?zé)崾Э?，從而更好的設(shè)計(jì)電池包的參數(shù)，提高電池的安全性能。
參考文獻(xiàn)：
[1] Abada, S., "Compréhension et modélisation de l'emballement thermique de batteries Li-ion neuves et vieillies", PhD thesis (Paris, Université Pierre et Marie Curie, 2016).
[2] Coman, Paul T., Rayman, Sean, and White, Ralph E., "A lumped model of venting during thermal runaway in a cylindrical Lithium Cobalt Oxide lithium-ion cell", Journal of Power Sources, 307 (2016), 56-62
[3] Hatchard, T. D., MacNeil, D. D., Basu, A. et al., "Thermal Model of Cylindrical and Prismatic Lithium-Ion Cells", J. Electrochem. Soc., 148/7 (2001), A755
[4] Kim, Gi Heon, Pesaran, Ahmad, and Spotnitz, Robert, "A three-dimensional thermal abuse model for lithium-ion cells", J.Power Sources, 170/2 (2007), 476-89.
[5] Lopez, Carlos F., Jeevarajan, Judith A., and Mukherjee, Partha P., "Characterization of Lithium-Ion Battery Thermal Abuse Behavior Using Experimental and Computational Analysis", J. Electrochem. Soc., 162/10 (2015), A2163-A2173.
[6] Petit, Martin, Marlair, Guy, Abada, Sara et al., "Modeling of safety tests and events", in Jürgen Garche and Klaus Brandt (eds.), Li-Battery Safety (Electrochemical Power Sources: Fundamentals, Systems, and Applications; 1st, [S.l.]: Elsevier, 2018).
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