磷酸铁锂离子电池模组热失控气体扩散仿真

为研究磷酸铁锂离子电池在泄压阀打开之后,释放的气体在模组中扩散行为,本文基于实际100％SOC磷酸铁锂离子电池模组尺寸建立1:1几何模型,模拟电池模组内部电池发生热失控、泄压阀打开及释放气体的扩散行为;通过FDS软件对其进行仿真研究,分析磷酸铁锂离子电池在热失控时释放H2、CO、CH4和CO2气体的扩散规律.研究结果表...     

基于液冷电池模组的结构优化与热蔓延抑制

本工作通过数值仿真研究了一种新型液冷壳体结构的电池模组热性能,并通过实验测量验证液冷壳体结构的散热和热蔓延抑制特性。模组由4×5颗圆柱电池和液冷壳体组成,壳体内部设计流道提供液冷散热。仿真模型通过建立电池模组的等效电路子模型(ECM)模拟电池产热,研究壳体内部流道排布对热性能影响,以电池模组最高温度、最大温差和进出口压降作为性能评价指标,并引入期望函数以获得优化的壳体流道排布。基于优化的流道组合制备了一进两出的液冷壳体,组装三元18650真实电池模组进行热性能实验研究。研究发现：一进两出结构的热性能优于一进一出结构,3 C放电速率和1 m/s入口流速下与基准案例相比,最优情形1(短边侧一进两出流道排布)的最高温度增加了0.3%,但温差减少了8.87%,压差减少了66.5%。真实电池模组实验中充放电倍率越大,电池温度越高,汇流排焦耳效应影响越大。降低冷却液温度会导致放电时间变短、电池模组能量效率下降。最后采用高功率电池产热模型模拟热失控,实验发现在热失控功率600 W下相邻电池温度在57.4℃,不会发生热失控与热蔓延,即新型液冷壳体兼具散热、均温和热蔓延抑制作用。     

锂离子电池模组热失控传播的结构因素影响分析

为优化锂离子电池模组的结构设计,通过热失控数值分析,结合COMSOL MULTIPHYSICS软件搭建了圆柱电池模组的三维热失控传播模型,研究不同排列结构和电池间隙下的热失控传播特性。结果表明：插排结构能有效降低热失控传播速率;增加模组中电池间隙,电池的热失控触发时间后移;在模组热失控后期,扩散速率加快。     

锂离子电池热失控仿真研究进展

锂离子电池作为常见的储能和动力装置在生产生活中得到了广泛应用,但其在滥用条件下会引发热失控,对其安全性的研究很有必要.热失控仿真因其独有的优势,成为研究锂离子电池热失控的重要手段.本文通过对近期文献的研究,从热失控仿真、热蔓延仿真以及热失控仿真的应用三个方面对热失控仿真的研究现状进行了总结.着重介绍了不同诱因(热滥用、机械滥用和电滥用)导致热失控的产热机理和仿真方法,电池组内热蔓延仿真的研究现状和如何抑制热蔓延以及对热失控预测方法的研究.当前的热失控模型已经具有较好的精确度,可以模拟出电池发生热失控时主要的放热副反应,但电池内部十分复杂,混合了化学反应和物理变化,相关参数难以测量和计算,因此锂离子电池热失控仿真还需进一步研究.     

基于正交试验的锂离子电池热失控仿真北大核心CSCD

锂离子电池热失控是由多种因素耦合而导致的结果,得到影响锂离子电池热失控影响因素的重要性程度对于提高电池安全性具有极大意义。对此,针对针刺导致的锂离子电池热失控,利用COMSOL软件仿真分析了不同针刺位置、速度、直径、SOC(state of charge)对锂离子电池单体针刺热失控影响,得到对单体电池热失控影响的重要因素。基于单体针刺热失控仿真结果,以4个锂离子电池单体组成的模组为研究对象,利用单因素仿真试验分析不同钢针直径R、电池SOC以及针刺电池个数N对电池模组热扩散影响;基于此,本文分析了针刺电池个数N、钢针直径R及电池SOC耦合作用热失控的正交试验。结果表明:相对于针刺位置、针刺速度对电池单体热失控影响,电池SOC和针刺直径R对电池单体热失控影响较为显著,且针刺直径R越小,单体电池热失控越剧烈;电池SOC越大,热失控时电池温度分布越不均匀;针刺直径R越大,模组热扩散需要时间越长;当SOC在100%~85%范围内时,模组内各电池单体的热失控最高温度变化较为明显;针刺电池个数N越大,模组热失控越剧烈,但位于模组中间位置的电池热失控最高温度有所降低。针刺电池个数N、SOC、针刺直径R对电池模组热失控温度和扩散时间的影响程度主次顺序为:N>R>SOC*R>SOC*N>N*R>SOC,其中,针刺电池个数N对电池模组热扩散影响最显著,且不同因素间的交互作用不容忽视。本工作为提高电池的安全性及电池设计提供了参考依据。     

基于COMSOL的锂离子电池热失控仿真与防控

动力电池是新能源汽车关键部件,为进一步探究其热失控机理及影响因素,总结热失控发展过程,利用COMSOL软件构建锂离子电池单体模型,结合仿真实验结果详细分析其影响因素,并提出一款利用隔热罩、隔热盖板、隔热底座和可滑动扩容盒延缓热失控效果的可延缓热失控的汽车电池包。研究结果表明：热失控过程大致分为加热阶段、喷射和燃烧阶段、熄灭阶段,受4种副反应产热影响;在超过445.08K的高温环境下,长时间工作的锂离子电池易发生热失控,失控热源关键在正极活性材料与电解液分解反应;当电池实际温度超过500 K时,温度若无法及时控制将导致火灾事故发生;同时,对流传热系数越高,电池温度变化越快;初始温度越高,热失控可能性越大。     

锂离子电池热安全防控技术的研究进展

在众多储能技术中,锂离子电池以其能量密度大、能量转换效率高、循环寿命长、应用范围广、对环境友好等优势,成为当前最具应用前景的电力系统电池储能技术之一。但现有锂离子电池体系无法从本质上保证其安全性,在使用过程中具有发生热失控乃至燃烧、爆炸等安全事故的风险。本文就锂离子电池的热失控机理、电池本体的安全设计、安全预警、电池组热失控起火的阻燃装置以及消防安全的研究进展进行了综述。     

锂离子电池热失控产气特性及其可燃极限

锂离子电池热失控安全相关问题一直是困扰电动汽车发展的痛点.本文以SOC为50％、100％的某款三元18650锂离子电池为研究对象,通过试验及仿真研究了热失控过程的释放气体可燃极限、火焰传播特性.首先在加速量热仪内进行加热热失控触发实验,记录该过程中电池温度、压力变化,收集热失控过程中产生的混合气体并使用气相色谱仪分析混...     

Numerical investigation of thermal runaway propagation in a Li-ion battery module using the heat pipe cooling system

It is a promising cooling strategy to use the heat pipe for the Li-ion battery module, which can maintain the temperature of the battery module properly and prevent high temperature, triggering the thermal runaway among adjacent batteries. In this study, the thermal runaway model is simulated through the internal short circuit, which couples with Volume of Fluid (VOF) model of the heat pipe cooling and solves in ANSYS FLUENT to realize the heat and mass transfer between batteries and heat pipes. A user-defined function (UDF) code including mass source and energy source is used to calculate the heat and mass transfer in VOF model during the thermal runaway process. Numerical simulations are adopted to probe thermal runaway processes of a single battery under different operation conditions and the thermal runaway propagation from a battery to adjacent batteries. It is concluded that the heat pipe cooling system cannot prevent the thermal runaway of a single battery, but it can prevent the thermal runaway propagation from a battery to adjacent batteries.     

Recent progress on thermal runaway propagation of lithium-ion battery

简述了电动汽车锂离子动力电池热失控蔓延机理、建模与抑制技术的最新研究进展。为了满足汽车高能量的要求,需要动力电池进行串并联成组来提供动力。电池组成组安全问题成为电动汽车大规模应用的重要技术问题。电池组中的某一个电池单体发生热失控后产生大量热,导致周围电池单体受热产生热失控。因而,电池组成组安全问题的重要关注点是电池组内的热失控蔓延问题。本文对锂离子电池热失控蔓延问题的国内外研究进展进行了综述,分析了对于不同种类锂离子动力电池影响其热失控蔓延特性的主要因素。总结了文献中的热失控蔓延建模方法,并指出了已有方法的不足。从电池系统热安全管理的角度,阐述并分析了热失控蔓延防控技术的研究成果与方向。最后对锂离子电池热失控蔓延研究进行了展望。     

Thermal runaway propagation mitigation of lithium ion battery by epoxy resin board

动力电池热失控扩展阻隔是抑制大规模电池火灾的重要途径。本文采用环氧树脂板（ERB）阻隔锂离子电池的热失控扩展，分析不同厚度ERB对串联及并联模组的热失控阻隔作用。结果表明，ERB可降低热失控电池模组的最高温度，减轻电池热失控剧烈程度，避免喷射火焰的产生；对于并联的电池模组，采用2 mmERB的锂电池模组的电池间热失控扩展平均时间间隔为198 s，为无ERB时的2.29倍，采用4 mm ERB时平均时间间隔延长至无ERB时的5.57倍；对于串联的电池模组，采用2 mm ERB时电池热失控扩展平均时间间隔延长至无ERB锂电池模组的2.09倍，采用4 mm ERB时可完全阻止热失控扩展；研究发现并联的电池模组相对于串联模组更容易扩展,其原因为并联模组单个电池热失控时会形成电回路并产生焦耳热。     

Numerical simulation of thermal runaway phenomena in silicon semiconductor devices

A mathematical model for heat production due to thermal excitation of conductive electrons and positive holes in a semiconductor pn junction is derived and discussed. The model is applied to simulate the thermal runaway phenomena in power electronics semiconductor devices. Our discussion focuses especially on the modeling of unexpected huge currents due to an excessive temperature increase. Calculated dynamics of temperature distributions of a silicon wafer while cooling performance decreases proved it is possible for a silicon wafer to be heated over its melting point in a few milliseconds. Our results indicate that if a local hot spot arises in a wafer, the thermal intrinsic excitation carries an increased diffusion current of minor carriers and a recombination current in the depletion layer of a pn junction. Also it appears to be important that cooling performance should be uniform on the wafer to avoid the growth of hot spots and thermal‐runaway itself. © 2002 Wiley Periodicals, Inc. Heat Trans Asian Res, 31(6): 438–455, 2002; Published online in Wiley InterScience ( www.interscience.wiley.com ). DOI 10.1002/htj.10044     

基于锂离子电池热失控模型的电热耦合滥用条件分析

由锂离子电池热失控引发的各类安全问题是目前电动汽车和大规模储能电站继续推广的一大瓶颈.电、热滥用是引发电池热失控的关键原因,研究锂离子电池的热失控现象对保证锂离子电池安全运行意义重大.基于锂离子电池热失控模型,系统研究了充电倍率、环境温度和散热条件等因素对锂离子电池热失控过程中电、热响应特性的影响.结果表明,相较于常温下的过充热失控过程,在过充-过热耦合作用下,电池热失控SOC会有所降低,当处于极端高温环境时,热失控在电池未充满阶段即可发生.在过热及低表面换热环境下,充电倍率对电池热失控SOC影响不大;在过热及自然对流环境下,随着充电倍率增加,电池热失控SOC提高,热失控时间提前.本研究为可靠的电池安全预警技术开发提供了支持.     

Research of leaked toxics from Li-ion battery electrical heat triggering thermal runaway

为探究锂离子电池电热触发热失控过程,本工作在研究和建立电热触发锂离子电池热失控方法的基础上,对不同荷电状态下18650锂离子电池进行电热触发热失控,分析了电热触发18650锂离子电池热失控现象,对热失控过程中泄露的气体进行采集与分析。研究结果表明,电热方法可以触发18650锂离子的热失控,该热失控过程中会产生有毒气体,同时伴随浓烟和高温,防护不当将对人体和环境造成伤害。     

Thermal characteristics of battery module with trapezoidal structure

Abstract

Two types of novel trapezoidal battery modules with taper angles of 60° and 90° are proposed. Flow and heat transfer characteristics of the battery modules are investigated numerically and compared with rectangular battery module. Results show that acceleration of fluid, cell arrangement, and gap spacing are three main factors influencing the velocity and temperature distribution in trapezoidal battery modules. Combination of water cooling and trapezoidal battery module with taper angle of 60° is an optimal choice, and the maximum cell temperature difference can be decreased as high as 27% as compared to that of traditional rectangular battery module.