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。本文介紹如何基於專業熱模擬軟體TAITherm進行熱失控模擬，進而為電池包散熱策略最佳化提供依據。

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依據電池單體組分材料和電池的放電特性，考慮電池的串並聯關係，基於TAITherm軟體的電池模組快速搭建電池單體或者電池包的熱電耦合模型，並分析電池充、放電過程中電池電壓和溫度場變化。基於TAITherm軟體的電池熱電耦合模型如下圖所示：

如何基於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模擬呢？

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，正極析出過量鋰並且不斷向負極嵌入，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於焦耳熱數值較小，其它熱源項主要為焦耳熱。

焦耳熱由TAITherm軟體的電模型計算，作為電池的初始熱源項輸入到TAITherm熱模型中，熱模型透過該熱源計算得到電池溫度，並將溫度返回到TAITherm副反應指令碼用以觸發各副反應。同時，副反應產生的熱源輸入到熱模型，透過不斷迭代計算實時獲取電池溫度，如下圖所示：

焦耳熱的計算採用如下公式：S1=I²R，其中R為內阻，需要將TAITherm電模型的內阻資料從正常充放電範圍擴充套件到過充電條件下的內阻值。

TAITherm副反應指令碼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，基於TAITherm軟體和上述模擬方案進行電池的過充電熱失控模擬，反應結果如下圖所示。由模擬結果可知，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，即熱失控導致的最高溫度更大。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，並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，透過在TAITherm軟體中設定指定的環境溫度可以模擬由於環境溫度過高引起的熱失控；透過設定電模型的充放電電流大小模擬由於快速充放電引發的熱失控；透過電池包模擬由於輻射與熱對流造成的單體電池之間的熱失控擴充套件，用於評估抑制熱失控發生與擴充套件的策略等，以後有機會繼續跟大家交流。

精華 | 基於TAITherm軟體的鋰離子電池熱失控模擬

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