摘要：锂离子电池的生热和热失控热性是影响电动汽车使用和安全性的重要条件。文章介绍了锂离子电池的生热及热失控机理，分析了其影响因素，给出了生热仿真分析步骤和方法。指出合理的仿真分析，可以优化电池热管理系统设计，缩短设计周期，节约设计成本。
关键词：锂离子电池；生热；热失控；仿真方法；电动汽车
引言
锂离子动力电池是电动汽车的重要车载能源，其生热及热失控特性直接影响整车的性能和安全，研究动力电池的生热及热失控特性有助于更加精准地设计电池热管理系统，使电动汽车锂离子电池在合理温度范围内工作，并在热失控发生前做出预警，对整车安全具有十分重大的意义。
1锂离子电池生热及热失控机理
1.1电池生热机理。锂离子动力电池单体电池外壳、极耳、正极、负极、隔膜、电解液等构成。充电/放电过程中，随着电池电化学反应的进行及锂离子的嵌入与脱出，电池内部发生着放热与吸热，产生热量主要由四部分组成：可逆反应热，欧姆内阻的焦耳热，极化热和副反应热，如以下公式：（1）Qt：锂离子电池生热量。Qr：可逆反应热，是指锂离子电池在充放电过程发生可逆电化学反应所产生的焓变热，取值可正可负。一般情况下，在电池充电过程取值为负，对应于吸热过程;而在电池放电过程取值为正，对应于放热过程。Qj：由于欧姆内阻产生的热量。电池内部各组成材料的电阻表现为对锂离子输运的阻碍作用。在此过程中，这部分热量都为正值，是不可逆反应热。Qp：极化热，当电池的电极表面发生极化现象，在有电流通过时，电池的平均端电压与开路电压不一致，由这部分压降所产生的热量就是极化热。极化热主要与电流，环境温度，电池类型等相关，而且在充放电末期的时候，将产生大量的极化热。Qs：副反应热。锂离子电池内部温度达到一定的值（80℃以上）后，由于热量不能及时地散发出去，电池材料会发生一系列的分解放热反应。
1.2电池热失控机理。电池在首次循环充放电过程会产生一层致密的固体电解液界面膜，即SEI膜。SEI膜是存在于负极材料与电解液之间，主要起到保护负极材料的作用，相当于钝化膜，避免负极与电解液发生化学反应。锂离子电池正常工作时，SEI膜处于亚稳定状态，其生成和分解都是可逆的。SEI膜对温度的要求非常严格，当温度超出其可逆分解的温度，SEI膜分解后不再生成，SEI膜越来越少，同时SEI膜分解释放的热量进一步加剧自身的分解。负极由于失去了SEI膜的保护，与电解液发生反应，释放热量，导致电池内部温度持续升高，如果此时电池包的热管理系统不能及时将温度降下来，电池由于温度的大幅升高，可能引发正极材料与电解液发生化学反应以及电解液的分解。更为严重的，隔膜也可能会由于温度升高发生收缩熔融破裂，造成内部短路，电池外部表现为鼓胀、漏液、产气、起火、爆炸等现象。当电池发生热失控时，内部化学反应产生热量Qs可由以下公式计算：（2）Qsei：SEI膜分解产生的热量；Qneg：负极与电解液发生反应产生的热量；Qpos：正极材料和电解液发生反应所产生热量；Qele：电解液分解所产生的热量。
2生热及热失控仿真分析流程
2.1建立电池一维电化学模型。锂离子电池电芯内部为正极集流体，多孔正极活性物质、隔膜、多孔负极活性物质、负极集流体5层材料依次叠起，再卷绕多次封装而成。由于电池电芯内部有很多个基本的重复单元，所以一维电化学生热模型选取了上述5层材料为电芯一个完整的反应单元，忽略其参与反应的面积尺寸，只计量厚度，简化为以为模型。模型建立之后，运用多物理场仿真软件COMSOLMultiphysics，输入尺寸参数和材料特性参数，比如材料厚度、固相电导率、固相/液相体积分数、固相/液相插层扩散系数、比热容、密度、导热率等。
2.2建立电池三维传热模型。电芯内部由多层材料组成的单元重叠而成，每个单元的多层材料都非常薄，紧密层叠排列在一起，为了降低模型复杂度，减少计算量，可以将整个电芯在充放电过程中看成匀质产热和传热的，其热源为一维模型计算得到的生热量Q。三维模型建立流程如下图。
2.3一维电化学模型和三维模型耦合。锂离子电池的温度场直接影响着内部化学反应速率、离子扩散速率等参数，所以由三维模型计算得出瞬态温度场取平均值后与一维电化学模型耦合，作为一维电化学模型温度变量的输入值。一方面，电池内部由微米级的薄层单元构成，可以假设5层构成的单元处于相同环境温度，温度值来源于三维模型求解得到的瞬态温度场平均值；另一方面，在正常充放电情况下，电池温度变化不大，整个单体处于较低温度，电化学反应受温度变化的影响较小，所以在描述电池电化学反应时，可以假设电池内部法相方向上各个重复单元也同样处于相同的温度下。同样，由一维模型计算得出的电池在充放电条件下内部电化学反应产热与三维模型耦合，作为三维模型的输入条件，得到三维电池模型的瞬态温度分布。简单来讲，根据电池内各组分的参数及组成比例，通过数学加权的方法可求算出电池的平均热导率、平均比热容及平均密度作为模拟过程中电池模型的物性常数，再通过电池发热求算公式，计算出各放电电流下电池内的单位体积发热功率。结合准确的电池单体能量方程、初始条件及温度条件，便可实现对电池单体内温度分布的模拟求解。
2.4条件设置与结果分析。（1）正常充放电工况正常工况模型用于仿真计算电池在充放电循环过程中和车载工况下的温度，电压和锂离子浓度变化。计算结果如果显示电池温度并非平滑上升/下降，而是曲折的，这是由于电池在该过程中电化学反应影响，导致电池的温度在充/放电过程会有一个小幅度的波动，但是整体表现为电池温度上升。（2）热失控工况在现实生活中，锂离子电池在一定温度或者外界刺激条件（例如针刺、挤压、高温等）下，会引发电池内部一系列放热副反应，如果热量不能及时地散发出去，电池材料会发生一系列的分解放热反应，也就热失控产热部分Qs。运用COMSOLMultiphysics软件可以设置环境温度或短路条件，模拟标准的电池热箱试验或者针刺试验。由计算结果中正极、负极、电解液、SEI膜离子浓度以及温度变化，可以分析得出热失控热量聚集过程，为配置冷却系统提供依据。
3结论
与实际情况相符的电池生热仿真可以提高电动汽车电池系统性能和寿命周期，对于提升电动汽车的安全性具有十分重要的意义。通过建立锂离子电池生热模型和仿真计算，可以测试不同配置的电池热管理系统，优化电池热管理系统设计，缩短设计周期，节约设计成本。
参考文献
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作者:辛明华 单位:中国汽车技术研究中心有限公司