黃志亮，王懷興，陽(yáng)同光，黎燦兵，李航洋

儲(chǔ)能鋰離子電池包單體內(nèi)部溫度壓力模擬

黃志亮1,2，王懷興2，陽(yáng)同光1，黎燦兵3，李航洋1

(1. 湖南城市學(xué)院智慧城市能源感知與邊緣計(jì)算湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 益陽(yáng) 413000；2. 湖南大學(xué)特種裝備先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)與仿真教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410082；3. 上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240)

針對(duì)儲(chǔ)能鋰離子電池?zé)崾Э匾l(fā)的安全問(wèn)題，開(kāi)發(fā)一種高效鋰離子軟包電池內(nèi)部溫度壓力模擬方法，為儲(chǔ)能系統(tǒng)提供電池狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工具。首先，通過(guò)融合化學(xué)反應(yīng)模型、熱路模型和膨脹模型，將軟包電池內(nèi)部生熱、產(chǎn)氣、傳熱、膨脹等過(guò)程集成到統(tǒng)一的計(jì)算框架中。其次，建立基于微分方程組的軟包電池溫度、壓力計(jì)算模型，反應(yīng)模型和熱路模型通過(guò)溫度、生熱率等狀態(tài)參數(shù)彼此耦合。再次，將該方法應(yīng)用于4款電池樣本進(jìn)行溫度、壓力模擬。計(jì)算值和實(shí)測(cè)值對(duì)比表明，該方法能高效計(jì)算鋰離子軟包電池內(nèi)部溫度和壓力，最大模擬誤差小于4%，具有良好的計(jì)算精度。并且，該方法求解過(guò)程無(wú)需調(diào)用耗時(shí)的多物理場(chǎng)耦合仿真，計(jì)算效率高。

儲(chǔ)能系統(tǒng)；鋰離子電池；溫度-壓力模擬；產(chǎn)氣；反應(yīng)熱

0 引言

鋰離子電池因其能量密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、充電速度快、成本持續(xù)降低等諸多優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用[1-3]。電網(wǎng)儲(chǔ)能應(yīng)用中鋰離子電池正快速替代傳統(tǒng)的非電池儲(chǔ)能系統(tǒng)[4-7]，截至2019年底鋰離子電池在全球電化學(xué)儲(chǔ)能的規(guī)模比也高達(dá)87.3%[8]。在新能源汽車(chē)儲(chǔ)能系統(tǒng)中，鋰離子電池使用也日益普遍[9-10]。在混合儲(chǔ)能系統(tǒng)中，鋰離子電池與超級(jí)電容器結(jié)合在平抑功率波動(dòng)方面展現(xiàn)出顯著優(yōu)越性[9-10]。然而，在各類(lèi)儲(chǔ)能系統(tǒng)中，電池?zé)崾Э貙?dǎo)致的安全問(wèn)題始終存在[11-15]。熱濫用條件下，軟包電池內(nèi)部發(fā)生化學(xué)放熱反應(yīng)；當(dāng)放熱速率超過(guò)散熱速率，內(nèi)部溫度上升使放熱反應(yīng)加速，導(dǎo)致熱量和反應(yīng)氣體在電池內(nèi)部持續(xù)積累。溫度或壓力達(dá)到臨界值將引發(fā)電池?zé)崾Э?，釋放大量的熱量和可燃?xì)怏w。實(shí)際應(yīng)用中，為滿足儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)容量和工作電壓的需求，通常將數(shù)百上千的電池單體通過(guò)串并聯(lián)連接封裝成高能量密度的電池包。當(dāng)某一單體發(fā)生熱失控，其釋放的熱量會(huì)急劇加熱毗鄰單體，導(dǎo)致單體間的熱失控傳播行為，進(jìn)而引發(fā)整個(gè)電池包起火、爆炸事故[16-17]。鋰離子電池包熱失控?cái)U(kuò)散機(jī)制和預(yù)防方法已成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。

為有效預(yù)測(cè)鋰離子電池包的熱行為，阻止熱失控在單體間擴(kuò)散，需要構(gòu)建熱模型精確計(jì)算電池內(nèi)部熱生成率和外部散熱效率。現(xiàn)有建模方法主要包括有限元模型、集總參數(shù)方法、狀態(tài)空間方程等。例如，文獻(xiàn)[18]創(chuàng)建了高精度的三維有限元模型分析熱濫用條件下電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池內(nèi)部的溫度分布。文獻(xiàn)[19]提出了一種自適應(yīng)集總參數(shù)電池?zé)崮Ｐ?，在?duì)流傳熱基礎(chǔ)上考慮了輻射傳熱的影響，提升了建模精度。文獻(xiàn)[20]融合生熱和傳熱模型，應(yīng)用狀態(tài)空間方程實(shí)現(xiàn)了對(duì)電池內(nèi)部溫度和環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)估計(jì)。

目前，對(duì)電池單體熱模型的研究大都基于硬包電池。這類(lèi)電池采用堅(jiān)固的金屬外殼，并設(shè)計(jì)有單向排氣閥。在熱濫用初始階段，硬包電池內(nèi)部逐漸升溫，電極表面固體電解質(zhì)膜(Solid Electrolyte Interphase, SEI)發(fā)生分解-重構(gòu)反應(yīng)，釋放熱量和可燃?xì)怏w；溫度越高，化學(xué)反應(yīng)速率越快，內(nèi)部溫度和壓力加速上升；當(dāng)壓力超過(guò)閾值，排氣閥自動(dòng)打開(kāi)，可燃?xì)怏w和電解質(zhì)蒸汽從電池中噴出；可燃?xì)怏w著火將加劇毗鄰電池的熱負(fù)荷，使得整個(gè)電池包面臨嚴(yán)重的熱失控[21]。由此，文獻(xiàn)指出硬包電池?zé)崮Ｐ蛻?yīng)重點(diǎn)關(guān)注排放氣體及其燃燒過(guò)程，以獲得更真實(shí)的電池內(nèi)部溫度模擬[22]。

軟包電池具有安全性高、能量密度高、重量輕、循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，是近年來(lái)儲(chǔ)能系統(tǒng)日益青睞的一種電池單體形式。軟包電池通常采用鋁塑膜封裝，軟包膨脹可容納反應(yīng)氣體，所以一般不設(shè)置排氣閥。熱濫用條件下，反應(yīng)釋放的熱量和氣體在封閉空間中累積，壓力值超過(guò)承壓臨界致使軟包破裂，可能誘發(fā)起火、爆炸等災(zāi)難性后果[23]。在實(shí)際工程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軟包電池內(nèi)部溫度、壓力，可以為電池?zé)峁芾聿呗蕴峁┮罁?jù)，開(kāi)發(fā)兼顧精度和效率的溫度壓力監(jiān)測(cè)方法對(duì)于保證電池安全性非常必要。文獻(xiàn)[24]提出了一種考慮時(shí)空特性的軟包電池?zé)岱治鼋７椒ǎ舾行苑治霰砻麟姵貎?nèi)部溫度不均是由電連接接觸電阻導(dǎo)致，且與電芯本身熱生成率無(wú)關(guān)。文獻(xiàn)[25]采用電化學(xué)/熱耦合解析模型高效計(jì)算了軟包電池集流器上的電流分布與熱生成率，并通過(guò)調(diào)整接片位置優(yōu)化了電池內(nèi)部的熱流分布。文獻(xiàn)[26]針對(duì)動(dòng)態(tài)電流下電池包的熱分析，提出了一種電位/溫度雙向耦合模型，不同建模簡(jiǎn)化方法對(duì)比表明，電池單體受熱膨脹后的幾何形狀對(duì)于電池包整體溫度分布預(yù)測(cè)精度具有重要影響。文獻(xiàn)[27]將電池單體與集流器的熱阻模型無(wú)縫集成，綜合考慮了放電速率與環(huán)境溫度對(duì)熱生成的影響，為預(yù)測(cè)不同工況下軟包鋰離子電池的熱演化提供了分析工具。文獻(xiàn)[28]構(gòu)建了高保真的三維多層鋰離子電池?zé)崮Ｐ?，仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明電池表面與中心層之間溫差很小，控制單體表面溫度足以滿足軟包電池的熱管理需求。上述軟包電池?zé)崮Ｐ腿诤戏磻?yīng)模型和熱路模型評(píng)估生熱、傳熱對(duì)電池內(nèi)部溫度分布的影響。然而，熱濫用條件下電池內(nèi)部包含了生熱、產(chǎn)氣、傳熱、膨脹耦合過(guò)程。對(duì)于無(wú)排氣閥的軟包電池，內(nèi)部壓力也是電池?zé)峁芾淼年P(guān)鍵狀態(tài)參數(shù)。所以，有必要研究融合化學(xué)反應(yīng)模型、熱路模型和膨脹模型的軟包電池溫度壓力模擬方法。目前，此領(lǐng)域的研究上存在一定空白。

針對(duì)儲(chǔ)能電池包熱失控引發(fā)的安全問(wèn)題，本文開(kāi)發(fā)了一種兼顧精度和效率的鋰離子軟包電池內(nèi)部溫度壓力計(jì)算方法。首先假設(shè)軟包電池溫度、壓力變化分為三個(gè)階段并進(jìn)行熱濫用試驗(yàn)驗(yàn)證；其次構(gòu)建了化學(xué)反應(yīng)、熱路、膨脹的解析模型，并將其集成到統(tǒng)一的溫度/壓力分析框架中；最后對(duì)4款電池實(shí)施熱濫用試驗(yàn)驗(yàn)證本文模型的精度。試驗(yàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果基本吻合，表明該模型能夠精確預(yù)測(cè)熱濫用條件下軟包電池單體內(nèi)部溫度、壓力演化規(guī)律，可直接應(yīng)用于儲(chǔ)能系統(tǒng)電池包單體狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1 化學(xué)反應(yīng)過(guò)程及熱濫用試驗(yàn)

1.1 化學(xué)反應(yīng)過(guò)程

為求解軟包電池內(nèi)部的溫度和壓力，需假設(shè)熱濫用條件下的化學(xué)反應(yīng)順序，并將生熱、產(chǎn)氣、傳熱、膨脹等過(guò)程集成到統(tǒng)一的模型框架中。熱濫用試驗(yàn)是對(duì)過(guò)熱條件下電池安全性的驗(yàn)證方法。根據(jù)GB31241-2014，熱濫用試驗(yàn)的具體過(guò)程為：將充滿電的電池在室溫下穩(wěn)定后放入一個(gè)自然或循環(huán)空氣對(duì)流的恒溫箱中，恒溫箱以5 ℃/min(±2 ℃/min)的速率升溫至130±2 ℃，保持此溫度30 min后停止試驗(yàn)，檢查電池是否起火或爆炸[29]。本文參考了硬包電池?zé)崾Э匮芯縖30]，假設(shè)電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)大致分為三個(gè)階段。

第一階段，電池以恒定速率從外部環(huán)境吸熱，即吸熱階段。此時(shí)，電池內(nèi)部溫度低于外部環(huán)境，電池與環(huán)境通過(guò)對(duì)流和輻射傳熱。溫度緩慢上升導(dǎo)致少量電解液蒸發(fā)，并產(chǎn)生微弱的冷卻效果。電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)尚未開(kāi)始，軟包電池外形維持不變。

第二階段，電池內(nèi)部發(fā)生化學(xué)放熱反應(yīng)，簡(jiǎn)稱反應(yīng)階段。電池在受熱條件下，石墨陽(yáng)極表面的SEI膜開(kāi)始分解；陽(yáng)極表面上的嵌入鋰暴露在電解液中，二者接觸發(fā)生SEI再生反應(yīng)。SEI膜的分解與再生都會(huì)釋放熱量和氣體，電池內(nèi)部溫度、壓力持續(xù)上升，進(jìn)一步加速了這些放熱反應(yīng)；盡管軟包膨脹緩解了壓力上升，溫度和壓力仍加速逼近臨界值。如果放熱反應(yīng)不能及時(shí)停止或者得不到有效散熱，隔膜收縮導(dǎo)致正負(fù)極短路，在極短時(shí)間內(nèi)釋放大量熱量；電池進(jìn)入熱失控狀態(tài)，誘發(fā)軟包破裂甚至起火。

第三階段為平衡階段。石墨陽(yáng)極的活性物質(zhì)逐漸消耗殆盡，電池內(nèi)部化學(xué)放熱反應(yīng)停止，恒溫箱中溫度穩(wěn)定在130 ℃，電池開(kāi)始向外放熱，直至達(dá)成熱平衡。

1.2 熱濫用試驗(yàn)過(guò)程

本研究通過(guò)熱濫用試驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)電池內(nèi)部反應(yīng)過(guò)程的假設(shè)。試驗(yàn)用恒溫箱為一熱沖擊試驗(yàn)箱，可提供加熱過(guò)程中電池溫度及溫升速率等數(shù)據(jù)。試驗(yàn)樣本為商用鋰離子軟包電池單體，外形尺寸為82 mm× 63 mm×4.3 mm，重量52.1 g，容量3940 mAh。陽(yáng)極材料為石墨，陰極材料為鈷酸鋰。熱電偶溫度傳感器放置在電池樣本上、下表面中心位置。

軟包電池?zé)釣E用試驗(yàn)如圖1所示。將充滿電的三個(gè)相同樣本懸置在恒溫箱中，初始溫度為25 ℃，以5 ℃/min的速率升溫至130 ℃后保溫30 min。電池樣本溫度響應(yīng)與化學(xué)放熱反應(yīng)過(guò)程之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖2所示。

圖1 軟包電池?zé)釣E用試驗(yàn)

圖2 熱濫用試驗(yàn)中電池樣本溫度變化

時(shí)段[0, 1200] s為吸熱階段，電池溫升與恒溫箱溫升大致同步，電池通過(guò)表面熱交換從環(huán)境中吸取熱量，低速率的化學(xué)放熱反應(yīng)對(duì)溫度的影響可忽略不計(jì)。[1201, 1750] s為反應(yīng)階段，電池表面溫度加速上升，軟包體積膨脹了近一倍。電池內(nèi)部SEI分解/再生反應(yīng)產(chǎn)生熱量和氣體，內(nèi)部溫度持續(xù)升高加速了化學(xué)反應(yīng)，形成了熱量、氣體快速累積的閉環(huán)。在1510 s時(shí)，電池表面溫度達(dá)到125 ℃，軟包破裂，噴射出氣體和電解質(zhì)，升溫速率逐漸減緩。[1751, 1860] s為平衡階段，電池溫度趨于平穩(wěn)，與環(huán)境達(dá)成熱平衡。試驗(yàn)表明，本文對(duì)電池內(nèi)部反應(yīng)過(guò)程的假設(shè)與溫度測(cè)量結(jié)果吻合，可以作為軟包電池溫度/壓力建模依據(jù)。

2 溫度/壓力建模與求解

本軟包電池溫度/壓力建模是一個(gè)涉及電化學(xué)、傳熱、力學(xué)等多學(xué)科耦合問(wèn)題，如圖3所示。熱濫用試驗(yàn)過(guò)程中，電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)釋放熱量和氣體。電池通過(guò)軟包表面散熱，散熱速率低于生熱速率導(dǎo)致溫度上升。反應(yīng)氣體在電池內(nèi)部累積并受熱膨脹，致使電池內(nèi)部溫度、壓力持續(xù)上升。溫度快速上升，又進(jìn)一步加速化學(xué)反應(yīng)，形成多學(xué)科耦合問(wèn)題。

圖3 軟包電池多學(xué)科耦合問(wèn)題

2.1 反應(yīng)模型

采用文獻(xiàn)[31]提出的鋰離子電池生熱模型計(jì)算SEI膜的反應(yīng)速率。

式(2)為微分方程，對(duì)其求解可得

化學(xué)放熱反應(yīng)除釋放熱量外，同時(shí)產(chǎn)生氣體。產(chǎn)氣速率與生熱速率大體同步[32]，寫(xiě)成

2.2 熱路模型

熱濫用實(shí)驗(yàn)中的軟包電池?zé)崧纺Ｐ腿鐖D4所示。建模假設(shè)如下：①?電池內(nèi)部是一個(gè)均勻的產(chǎn)熱源；②?在、方向上溫度均勻分布；③?以傳導(dǎo)和對(duì)流的方式沿方向?qū)ν馍?。基于熱路模型理論，熱容和熱阻采用電容、電阻描述；熱源等效為直流電源；溫度視為電路中電?shì)。由此熱平衡方程可寫(xiě)成

式中，為對(duì)流換熱系數(shù)，工程中常用反求方法得到精確值[34]。

2.3 膨脹模型

化學(xué)放熱反應(yīng)不斷釋放熱量和氣體，導(dǎo)致電池內(nèi)部溫度、壓力持續(xù)上升，軟包膨脹。本研究構(gòu)建膨脹模型以模擬軟包電池溫度、壓力、體積之間的關(guān)系。電池內(nèi)部的反應(yīng)氣體可被視作理想氣體，氣體狀態(tài)方程可寫(xiě)成

與采用堅(jiān)固金屬外殼的硬包電池不同，軟包電池的體積隨內(nèi)部壓力升高而膨脹。壓力-體積方程可基于有限元分析得到。

將式(9)、式(10)聯(lián)立，即可得到軟包電池膨脹模型。

2.4 求解流程

綜上所述，本文提出的軟包電池溫度壓力模擬方法的流程如下：

上述求解過(guò)程將軟包電池內(nèi)部生熱、產(chǎn)氣、傳熱、膨脹等過(guò)程集成到統(tǒng)一的計(jì)算框架中，反應(yīng)模型和熱路模型通過(guò)溫度、生熱率等狀態(tài)參數(shù)彼此耦合，計(jì)算得到的溫度和氣體質(zhì)量為膨脹模型提供計(jì)算依據(jù)。計(jì)算過(guò)程在考慮了強(qiáng)耦合情況下，而無(wú)需進(jìn)行耗時(shí)的多物理場(chǎng)耦合有限元仿真，計(jì)算成本極低并兼顧了精度，可滿足鋰離子電池包實(shí)時(shí)熱管理的需要。

3 工程應(yīng)用與試驗(yàn)驗(yàn)證

本研究選用4款商用鋰離子軟包電池單體，對(duì)比熱濫用試驗(yàn)中電池溫度實(shí)測(cè)值與計(jì)算值，以驗(yàn)證本文溫度/壓力計(jì)算模型的準(zhǔn)確性。因本文方法旨在計(jì)算軟包電池破裂前的溫度、壓力，故將試驗(yàn)的最高溫度設(shè)置為120 ℃，其他試驗(yàn)參數(shù)與GB31241- 2014規(guī)定的一致，具體試驗(yàn)流程如第1.2節(jié)所述。表1列出了4款電池的基本規(guī)格。

表1 電池樣本基本規(guī)格

3.1 建模參數(shù)

表2 軟包電池溫度/壓力建模參數(shù)

圖5 鋁塑膜應(yīng)力-應(yīng)變曲線

盡管4款電池樣本的陽(yáng)極、陰極材料類(lèi)似，但電解液會(huì)根據(jù)工程需求而有所不同，導(dǎo)致反應(yīng)氣體成本也有所差異。為獲得精確的氣體常數(shù)，如圖6所示，對(duì)試驗(yàn)后的樣本抽取反應(yīng)氣體注入氣相色譜儀，分析得到反應(yīng)氣體成分占比，以計(jì)算得到反應(yīng)氣體常數(shù)，如表3所示。

圖6 反應(yīng)氣體成分分析

表3 反應(yīng)氣體成分占比及氣體常數(shù)

3.2 電池膨脹響應(yīng)面

圖7 軟包有限元模型

除結(jié)構(gòu)尺寸外，4個(gè)電池的有限元模型類(lèi)似。對(duì)每一模型分別采樣10次，構(gòu)建二次多項(xiàng)式響應(yīng)面如式(12)。

表4 壓力-體積響應(yīng)面系數(shù)

3.3 溫度計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證與分析

如圖8所示，4個(gè)電池樣本的溫度變化均符合本文對(duì)電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)“三階段”的假設(shè)。第一階段，電池從外部環(huán)境吸熱，溫度緩慢上升；第二階段，內(nèi)部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，溫度加速上升；第三階段，化學(xué)反應(yīng)因活性物耗盡而停止，電池與周?chē)h(huán)境達(dá)成熱平衡。4個(gè)樣本溫度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值之間的最大誤差分別為3.42%、2.36%、3.68%、3.46%，表明本文溫度計(jì)算模型具有良好的精度。

圖9 4個(gè)樣本產(chǎn)氣量模擬結(jié)果

如圖9所示，4個(gè)電池的產(chǎn)氣質(zhì)量分別為4.10 mg、1.17 mg、2.24 mg、10.62 mg。參考表1所列樣本重量可知，電池化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)氣質(zhì)量與樣本重量正相關(guān)。電池的產(chǎn)氣質(zhì)量與溫度變化都是求解式(11)溫度計(jì)算模型得到的計(jì)算結(jié)果。良好的溫度計(jì)算精度，驗(yàn)證了產(chǎn)氣質(zhì)量的計(jì)算精度。產(chǎn)氣質(zhì)量是壓力計(jì)算模型的輸入?yún)?shù)，3.4節(jié)壓力計(jì)算結(jié)果再次驗(yàn)證了產(chǎn)氣質(zhì)量的計(jì)算精度。

3.4 壓力計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證與分析

圖10 電池樣本壓力計(jì)算值

表4 試驗(yàn)后樣本體積計(jì)算值與實(shí)測(cè)值

綜上，本文提出的計(jì)算模型可以模擬熱濫用條件下鋰離子電池的溫度、壓力變化，相較于現(xiàn)有解析方案僅能計(jì)算溫度[25-27]，采用本文方法對(duì)軟包電池?zé)嵝袨檫M(jìn)行模擬更為適用。該模型基于解析方程組，求解耗時(shí)為毫秒級(jí)，效率上與常規(guī)解析方法并無(wú)差異。與高保真有限元方法相比[29,35]，具有顯著的效率優(yōu)勢(shì)。精度方面，溫度、體積最大計(jì)算誤差均不超過(guò)4%，能夠滿足一般工程需求。

4 結(jié)論

針對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)中大量電池單體內(nèi)部溫度、壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)難題，本文綜合考慮熱濫用條件下鋰離子軟包電池生熱、產(chǎn)氣、傳熱、膨脹等過(guò)程，將其集成到統(tǒng)一的溫度/壓力分析框架中，建立了解析計(jì)算模型。將本文模型應(yīng)用于4款電池樣本的溫度、壓力模擬，通過(guò)熱濫用試驗(yàn)驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果，結(jié)論如下述。

1) 本文提出的計(jì)算模型為解析的微分方程組，無(wú)需調(diào)用耗時(shí)的多物理場(chǎng)耦合仿真，求解時(shí)間以毫秒計(jì)，并且建模過(guò)程清晰，編程求解簡(jiǎn)單，計(jì)算成本低和工程實(shí)用性好。

2) 精度方面，將本文方法計(jì)算結(jié)果與相應(yīng)實(shí)測(cè)值對(duì)比可知，4個(gè)樣本溫度、壓力最大計(jì)算誤差分別為3.68%和3.84%，表明本文方法具有良好的精度。

本文方法在保證精度的同時(shí)具有極高的計(jì)算效率，故可利用其得到的溫度與壓力變化評(píng)估軟包電池工作狀態(tài)及可靠性，為鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)時(shí)熱管理提供計(jì)算工具，也可拓展到混合儲(chǔ)能應(yīng)用中。該方法實(shí)現(xiàn)了溫度與壓力雙向耦合，但忽略了壓力對(duì)熱阻、生熱率等參數(shù)的影響，可能造成精度損失。所以后續(xù)將深入研究相關(guān)耦合機(jī)理，提升計(jì)算模型的精度。

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Simulation of internal temperature and pressure for cells in an energy storage lithium-ion battery

HUANG Zhiliang1, 2, WANG Huaixing2, YANG Tongguang1, LI Canbing3, LI Hangyang1

(1. Key Laboratory Energy Monitoring and Edge Computing for Smart City of Hunan Province, Hunan City University, Yiyang 413000, China; 2. Key Laboratory of Advanced Design and Simulation Techniques for Special Equipment of Ministry of Education, Hunan University, Changsha 410082, China; 3. School of Electronic Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

There are safety problems caused by thermal runaway in energy storage lithium-ion batteries. Thus an efficient method for simulating the internal temperature and pressure of a lithium-ion punch battery is developed, providing a real-time monitoring tool for battery status for energy storage systems.First, the processes of heat generation, gas production, heat transfer, and pouch expansion inside the battery are integrated into a unified evaluation framework by combining the chemical reaction, thermal circuit and self-expansion models. Secondly, a temperature/pressure evaluation model based on differential equations is established, in which the reaction and thermal circuit models are coupled through state parameters such as temperature and heat generation rate. Thirdly, the proposed method is applied to simulate the temperature and pressure of four samples. The comparison of the calculated and measured values shows that this method can efficiently calculate the internal temperature and pressure of the lithium-ion pouch batteries with a high accuracy with a maximum error of less than 4%. In addition, the solving process does not need to callon time-consuming coupled multi-physics simulations, and thus the efficiency is high.

energy storage; lithium-ion battery; simulation of pressure and temperature; gas production; reaction heat

10.19783/j.cnki.pspc.211256

2021-09-11；

2021-10-13

黃志亮(1980—)，男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)殡姽ぱb備可靠性設(shè)計(jì)；E-mail: 13787181710@163.com

王懷興(1978—)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殇囯x子電池可靠性分析；E-mail: huaixing_wang@163.com

陽(yáng)同光(1974—)，男，通信作者，博士，教授，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)故障診斷。E-mail: yangtongguang1@ 163.com

湖南省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目資助(2021GK2020)；湖南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(2021JJ30077, 2021JJ30079)

This work is supported by the Key Research & Development Project in Hunan Province (No. 2021GK2020).

(編輯 魏曉麗)