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发布时间:2022-05-08   来源:山东永峻环保设备有限公司   阅览次数:353次   

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锂电池电芯热失控仿真研究


电池正负极材料接触造成内短路释放的热量如式(7)所示。

式(7)中,ce表示电能的当量归一化浓度,单位为1;Cele表示电能反应的指前因子,单位为1/s;csep为隔膜的归一化浓度;He为电池本身的电能,单位为J;a表示电能的释放比例,由于电池内部活性材料发生放热反应,对活性材料进行消耗,故电池内短路释放的电能要小于其本身含有的电能,单位为1。

3 绝热热失控模型建立及试验验证

3.1 绝热热失控试验

首页--兴义热失控加热膜专业生产厂家--10分钟前已更新模型仿真结果和试验结果较为吻合。电池热失控电热膜仿真结果和试验结果的误差如表5所示,其中Ta表示热失控电热膜触发时的温度,ta表示热失控电热膜触发时的时刻,Tb表示热失控电热膜过程中的高温度。模型仿真结果如图7所示tb表示热失控电热膜达到高温度时的时刻。

锂离子电池绝热热失控试验使用EV-ARC进行。在试验过程中,设置初始温度为50℃,对腔内的电池进行缓慢加热,电池温度每升高5℃,则停止加热,等待40min,等待时间结束后,若电池的温升速率小于EV-ARC的探测精度(0.02℃/min),则继续加热,若电池的温升速率超过设备的探测精度,则证明电池已经发生自产热,EV-ARC停止加热,使得电池保持在绝热环境中。


绝热热失控试验结果如图2所示,图2中T1表示电池自产热的起始温度,为80.963℃,该点的温升速率大于0.02℃/min,表明电池内部开始发生放热反应;T2表示电池热失控触发温度,为197.412℃;T3表示电池热失控的高温度,为371.591℃,该点表明电池热失控已经结束,内部各活性材料的化学反应已经停止。热失控电热片,热失控加热片,热失控发热片,热失控加热膜,热失控发热膜,热失控电热膜

首页--兴义热失控加热膜专业生产厂家--10分钟前已更新绝热热失控电热片试验结果如图2所示,图2中T1表示电池自产热的起始温度,为80.963℃,该点的温升速率大于0.02℃/min,表明电池内部开始发生放热反应;T2表示电池热失控电热片触发温度,为197.412℃;T3表示电池热失控电热片的高温度,为371.591℃,该点表明电池热失控电热片已经结束,内部各活性材料的化学反应已经停止。整个绝热热失控电热膜过程可分为4个阶段:T1之前的加热阶段,此阶段将电池缓慢加热至自产热,T1至T2的自产热阶段,此阶段表示电池内部活性材料发生反应释放热量,电池温度缓慢升高。从图2中可以看出且此阶段的电池处于绝热条件我们只关注T2之前的3个阶段,T2之后的冷却降温阶段不是关注的重点。

从图2中可以看出,整个绝热热失控过程可分为4个阶段:(1)T1之前的加热阶段,此阶段将电池缓慢加热至自产热;(2)T1至T2的自产热阶段,此阶段表示电池内部活性材料发生反应释放热量,电池温度缓慢升高,且此阶段的电池处于绝热条件,不与外界条件发生换热;(3)T2至T3阶段表示热失控阶段,反应剧烈,释放大量热量,温度迅速升高;(4)T3之后的阶段,表示电池热失控结束,ARC开启冷却系统,对电池进行降温。因此对于绝热热失控,我们只关注T2之前的3个阶段,T2之后的冷却降温阶段不是关注的重点。热失控电热片,热失控加热片,热失控发热片,热失控加热膜,热失控发热膜,热失控电热膜


3.2 绝热热失控模型

首页--兴义热失控加热膜专业生产厂家--10分钟前已更新根据式-对模型进行仿真,终电池温度的仿真结果如图4所示。从表3中可以看出,整体误差在2%左右,证明此绝热热失控电热膜模型仿真精度较高,所以此锂离子电池绝热热失控电热膜仿真模型可作为后续电池热失控电热膜仿真的基础。

根据相应参考文献及试验测试,终确定式(2)-式(6)中的相应参数,具体如表2所示[18-19]。在表2中,正极反应的参数有两个,表示正极在分解过程中有两次放热反应,因此参数有两组。Tsei0、Tan0、Tsep0、Tele0、Tca0分别表示SEI膜分解反应、负极与电解液反应、隔膜熔化反应、电解液分解反应、正极分解反应的初始温度。在式7中,ce的初始值为1;Cele的值为1;电池的额定电压为3.6V,容量为60Ah,所以电能He为777600J;电能释放的比例a此处取0.2。

3.3 绝热热失控模型验证

根据式(2)-(7)对模型进行仿真,终电池温度的仿真结果如图4所示。

从图4和图5中可以看出,无论是温度还是温升速率,绝熱热失控模型的结果与试验测试结果吻合较好。从T1、T2、T3三个关键点的温度和时间进行分析,误差结果如表3所示。

从表3中可以看出,整体误差在2%左右,证明此绝热热失控模型仿真精度较高,所以此锂离子电池绝热热失控仿真模型可作为后续电池热失控仿真的基础。

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4 外部加热热失控模型及试验验证

4.1 外部加热热失控试验

首页--兴义热失控加热膜专业生产厂家--10分钟前已更新获取其在热失控电热膜过程中的产气特性,然后将产气特性作为输入条件赋予热失控电热膜模型,终通过外部加热热失控电热膜模型模拟电池热失控电热膜过程中的产气行为,且能够为后期电池包的安全设计及结构优化提供依据。通过对锂离子电池进行热失控电热膜测试。

为模拟锂离子电池热失控过程中伴随的气体喷射行为,需要进行两次外部加热热失控试验,一次试验用于测试气体喷射的参数,一次试验用于验证外部加热热失控模型。

图6为测试电池热失控气体速率的设备,该设备为密闭腔体,将电池置于腔体内,腔体壁面上备有温度传感器和电压传感器,用于监测整个热失控试验过程中电池的电压和温度,以及腔内的环境温度。腔体上盖布置有压力传感器,用于捕捉电池热失控过程中的产气压力。

在电池侧面布置薄膜加热片,用于触发电池热失控,电池两侧用钢板夹紧固定,置于腔体内,进行热失控试验。由于电池大侧面被夹具夹紧,所以热失控过程中的气体只能从小侧面释放。

试验前需要将腔内压力降低为0,然后向腔内充惰性气体,压力达到20kPa则停止充气,开始进行测试。在测试过程中,电池在前期加热阶段,温度上升缓慢,当达到电池触发热失控的边界条件时,电池温度瞬间上升,同时电压瞬间降低为0,此时表明电池已经发生热失控,且密闭腔体的压力传感器测得的压力瞬间达到大值。

当电池热失控结束后,产气罐密闭腔体内的压力终稳定150kPa左右,产气罐腔体的容积为80L。根据式(8)和式(9)算得电池在热失控过程中释放出了相当于标准大气压下100L左右的气体。

式(8)中,P表示气体压力,V1表示当前状态下气体体积,n表示气体物质的质量,R表示理想气体常数,T表示环境温度。

式(9)中,n表示气体物质的质量,Vm表示气体在标准大气压、当前温度下的气体摩尔体积,V表示在标准大气压下的气体体积。