加热条件下电池热失控及其扩展特性研究

摘要

电池安全问题制约着电动汽车的广泛应用。在极端工况下，电池体系内的材料可能会发生分解导致电池内部热量集聚，引发热失控。若此现象发生在模组内，热量发生扩展会对周围电池造成恶劣影响。因此，本文对上述现象的发生机理开展研究，以期对热量阻隔技术提供数据和方法支撑，从而提高电动汽车的安全性。
　　本文以某电池厂18650镍钴锰锂离子动力电池为研究对象，探究单体电池热失控和电池模组热失控扩展机制，开展工作如下:
　　首先，根据已有研究结果对动力电池单体热失控的内部机理进行理论分析，查阅资料获得电池各部分材料的反应指前因子、活化能和分解反应热等参数用于仿真计算。
　　其次，采用电加热丝对单体电池进行加热实验，并对该电池分别建立了二维不分层和分层热模型进行仿真分析，结果表明实验和两种建模方式所获得的温度曲线变化具有一致性，证明两种仿真模型均具有可行性，采用不分层的建模方式可以减少计算量，同时保证仿真分析的准确度。
　　然后，建立带有“M”型导流结构的3×3电池模组热模型，依次对各个电池进行编号，对电池之间的换热量采用单独计算（假设只存在热传导、对流换热和辐射换热中的某一种换热方式）和综合计算（包含三种换热方式）的方法，探究电池模组内热失控扩展机理。结果显示单独计算时，电池模组中各个电池的温度均随电池间距的增大而减小，不同换热方式下，温度最高的电池编号不同;综合计算时电池8的温度最高，电池8与电池5之间主要进行对流换热;电池8温度的升高受对流换热的影响最大，热传导次之，辐射换热最低。
　　最后，对带有三种不同的整片式导流结构的电池模组内热量的扩展进行仿真分析，可知电池8在不同导流结构下受不同换热方式的影响不同;镍片式和BONDING线式导流结构可有效减少因导流结构对电池之间热量扩展的影响，安全性较高。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1．研究背景及意义

1．2．研究进展

1．2．1．加热条件下单体电池热失控的研究现状

1．2．2．加热条件下锂离子电池模组热失控扩展的研究现状

1．3．本文研究内容

第二章 单体电池热失控理论介绍

2．1．锂离子动力电池工作原理

2．2．热平衡方程

2．3．副反应生热方程

2．3．1．SEI膜的分解

2．3．2．负极／电解液的分解

2．3．3．正极的分解

2．3．4．粘结剂的分解

2．3．5．电解液分解

2．4．本章小结

第三章 单体电池热失控的实验与仿真研究

3．1．实验材料与设备

3．1．1．NCM加热实验

3．1．2．NCM加热实验结果及分析

3．2．NCM加热仿真

3．2．1．热物性参数的获取

3．2．2．建模及网格划分

3．2．3．仿真结果分析

3．3．仿真和实验结果对比

3．4．本章小结

第四章 电池模组热失控扩展机制研究

4．1．电池模组的原模型件的选取

4．2．热传导

4．2．1．理论基础

4．2．2．几何模型

4．2．3．电池间距对电池模组热失控扩展的影响

4．2．4．焊点个数对电池模组热失控扩展的影响

4．3．对流换热

4．3．1．理论计算

4．3．2．几何模型与网格划分

4．3．3．对流换热仿真结果分析

4．4．辐射换热

4．4．1．理论计算

4．4．2．几何模型与网格划分

4．4．3．辐射换热仿真结果分析

4．5．综合换热分析

4．5．1．两种计算方式下的热流密度对比

4．5．2．换热方式对电池模组热失控扩展的影响

4．6．本章小结

第五章 电极连接结构对电池模组热失控扩展的影响

5．1．镍片式导流结构对电池模组热失控扩展的影响

5．1．1．几何模型与网格划分

5．1．2．仿真结果分析

5．2．BONDING线式导流结构对电池模组热失控扩展的影响

5．2．1．几何模型与网格划分

5．2．2．仿真结果分析

5．3． 复合式导流结构对电池模组热失控扩展的影响

5．3．1．几何模型与网格划分

5．3．2．仿真结果分析

5．4．三种导流结构与“M”型导流结构的对比

5．5．本章小结

第六章 总结与展望

6．1．总结

6．2．展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况