基于AMESim的高功率密度LFP-C锂离子电池热失控仿真

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文章目录

基于AMESim的高功率密度LFP-C锂离子电池热失控仿真
前言
一、建模方法
二、结果分析
总结

前言

提示：本文为AMESim help文档的翻译版本，因作者水平有限，如有不正确之处欢迎批评指正

锂离子电池是电动、混合动力和插电式混合动力汽车(EV、HEV和PHEV)中应用最广泛的储能系统之一。锂离子电池的一个关键挑战是将其控制在安全范围内，否则可能会发生热失控等事故。采用LFP正极材料的电池通常被认为是安全的。然而据观察，过热条件下仍有可能发生热失控(Abada 2016)。

一、建模方法

LFP-C体系的单体在电池量热实验仪（Battery Test Calorimeter，BTC）中测试，该装置用来在伪绝热环境中测试单体的热稳定性。单体在设备中按照“加热——等待——搜索”的步骤执行实验，开始电池被逐渐加热到产生一个固定的温度阶跃（例如5℃），之后等待并搜索是否有一个自生热的反应发生，如果有自生热反应发生则设备等待直到自生热率降到一个给定的阈值，一旦达到这个阈值继续恢复之前的逐渐加热状态。该设备工作过程的功率如图1所示，温度和电压数据在这一实验过程中都被采集。

注意：其实这里的BTC仪器就是绝热加速量热仪（Accelerating Rate Calorimeter，ARC），详细的实验方法可以阅读清华大学冯旭宁博士论文。

本文的LFP-C热失控模型的建立和验证使用了Abada在2016年发表的论文。图2展示了模型的基本结构示意图，单体（ESSBATCA01）与一个输入实验热流率数据的模块相连。

根据初始测量电压，将初始SOC设置为95%，根据测量的温度设置电池的初始温度为37.56℃。

二、结果分析

图3给出了实验数据与仿真结果的电压和温度对比，采用LFP-C电池的热失控模型能够正确地描述电池的热行为和电行为。30000秒之后，在110℃附近检测到第一个放热反应；单体的自生热反应持续到60000秒130℃时；之后一个更大的自生热反应在65000秒时检测到，单体温度从140℃升高到170℃；在90000秒（180℃）时，电压快速衰减到0V并导致了一个11℃的小温升，从90000秒到95000秒温度很快从190℃升高到270℃。

如图4所示，利用本文的热失控模型还能通过分析测试过程中不同反应物组分的变化评估热失控过程中不同现象的成因。在30000-60000秒的第一个温升过程中起作用的主要是亚稳态SEI膜分解和负极分解反应；之后正极分解反应发生在60000-90000秒；最后的温升来源于电解液分解。

热失控模型还能仿真产气过程。图5展示了64500秒时的温度变化，产气现象源于热失控过程的压力增大。图6展示了单体内部压力的仿真结果和实验过程产气的来源，由于气体的形成电池的压力增加，直到64500秒时气体泄出释放压力，在实验最后共有70mmol的气体产生，接近于Golubkov et al. 2014的结果（1.1Ah单体产气50mmol）。

总结

参考文献：
S. Abada, Compréhension et modélisation de l’emballement thermique de batteries Li-ion neuves et vieillies, PhD thesis, Université Pierre et Marie Curie, 2016.
A. W. Golubkov, D. Fuchs, J. Wagner, H. Wiltsche, C. Stangl, G. Fauler, G. Voitic, A. Thaler and V. Hacker, Thermal-runaway experiments on consumer Li-ion batteries with metal-oxide and olivin-type cathodes, RSC Adv, 2014, 4, 3633-3642.