胡志祥 黄 欢 邵 庆 李 骁 王晨鸣 文

概要：电动汽车3项新国标的出台，对电池热稳定性提出了更严格的要求，并将热扩散明确写入电池系统安全要求范畴。然而热扩散试验会对电池包造成不可逆的损失，研发成本明显上升。本文针对三元锂离子电池包，建立热仿真模型，并以加热触发方式，结合实际试验数据，对仿真模型进行验证。通过修改模型关键参数，可以模拟电池包实际运行状态，为热扩散试验提供理论参考，减少实际试验次数，降低企业研发成本，提升生产效率。

随着节能环保的观念深入人心，电动客车、电动出租车以及电动观光车已经广泛运用到人们的日常生活中。但由于充电桩和自身续航里程的限制，极大地抑制了电动汽车的发展。由于受电动汽车的大小和重量限制，若要提升电动汽车的行驶里程，最有效的途径就是提升锂离子动力电池的能量密度[1]。增大锂离子动力电池的能量密度，同时也增大了锂离子动力电池包在单位体积内的产热能力，在散热能力并未得到增强的情况下，锂离子动力电池产热能力的增强，势必会导致锂离子动力电池工作温度的上升，这对锂离子电池包的热稳定性提出了更高的挑战[2]。

据不完全统计，2019年至今，我国由于锂离子电池系统热稳定性失控，导致的电动车起火事故已不下于10起。其中，电池局部温度过高是导致电池发生热扩散的主要原因。因此，加热触发条件的热失控试验，是保障电池稳定运行的重要指标[3]。在最新出台的电动汽车三项新国标中，更是将电池系统热扩散作为车载能源安全性的重要考量标准。但在电池实际研发阶段，热扩散的试验会对电池系统造成不可逆的损害，导致成本急剧增加。

本文通过分析目前应用较为广泛的锂离子电池包，建立锂离子电池仿真模型，并结合热扩散最常见的加热触发方式，对模型的有效性和准确性进行验证，为锂电池热扩散试验提供理论参考，为企业电池包研发提供依据[4]。

1 锂电池热失控概念

锂离子动力电池的热扩散反应是指电池在使用过程中，由于产热量严重超过散热量，而导致电池温度急剧升高，最终引起电池失效的一种形式。在热失控反应初期，电池包内部材料在高温下开始分解，产生气体和热量，并加剧内部反应进行。当电池内部热量和气体压力累积到一定程度时，就会挤压电池包的封装，冲破安全阀甚至破坏电池的外壳，从而产生电池包热失控现象[5]。从宏观表现上分析，锂离子电池包热失控主要包括冒烟起火和爆炸2种形式。电池冒烟着火引发的安全事故通常比较缓慢，可以及早发现。但电池爆炸是一种较电池冒烟着火更为剧烈的且更加危险的安全灾害，在电池包爆炸前，驾驶员难以通过直观感受判断电池包运行状态，因此需要借助电池包预警系统监测电池包内部电芯温度变化，从而提前发出预警[6]。电池热扩散试验，就是保证电池包预警系统发出信号后，电池在5 min内不产生起火爆炸，从而给司机和乘客留下充足的逃生时间，保障生命安全。

2 热失控机理及加热触发条件下失控过程分析

2.1 热失控机理

在分析电池包热受控反应过程时，可以从微观机理和宏观表现2个角度进行探究。从微观机理分析，电池内部电池热失控的链式反应主要包括SEI膜热分解反应，负极和电解液反应，电解液自分解反应以及正极和电解液反应4个阶段，并在每个反应阶段对应不同的宏观表现[7]。

在电池温度升高的过程中，首先是电池内热稳定性最差的SEI膜开始热分解。当温度超过80℃后，SEI膜的分解反应速度就会大幅度提升，并远超过SEI膜形成反应的速度，而且在高温作用下，SEI膜的溶解与溶剂分子共嵌入的速度明显加快，导致锂离子在负极的脱嵌速度下降，使得锂离子动力电池性能下降。由于锂离子脱嵌速度阻力增大，速度减缓，在锂离子脱嵌过程中，会增加消耗的电能，增大放热量，导致温度升高，最终继续加剧SEI膜的分解反应。

高温环境下，由于SEI膜的热分解反应持续进行，使得包裹在电池负极表面的固体电解质界面膜物质量不断减少，负极开始逐渐暴露在电解质中。由于SEI膜在热分解过程中持续放出热量，电池内部温度继续升高，电池各组分材料化学性质变得更加活泼，碳负极与电解液在失去SEI膜的保护后，在高温下直接接触，化学反应加剧并同时产生大量热量。

伴随着SEI膜的分解和电池温度的不断上升，电解液出现自分解现象。在电解液热分解过程中，会大量放热，并伴随着一系列副反应发生，导致锂电池内部热量进一步累积，电池性能急剧下降，从而加速热失控事件的发生[8]。

热失控的最后阶段，正极的化合物温度上升，正极出现分解反应，正极材料物质的量会而逐渐减少，同时出现气化。随后，在高温影响下，氧气与电解液产生反应，促使电池内部温度进一步升高。而温度上升到一定程度后，会激发电池其他组分之间发生化学反应，从而导致热失控的产生。

2.2 加热触发条件下失控及扩散过程分析

加热触发是指通过在电池包内部人为放置加热片，从而模拟电池包在使用过程中，由于自身内部热量累积或外部热源靠近，导致电池包局部温度过高，从而产生热失控的一种触发形式。加热触发是电池包在实际使用过程中主要的热稳定性失控形式，也是事故初期较难察觉和辨别的危险信号。

当电池包发生局部过热时，电池内部电芯温度将超过安全阈值，导致电芯内部产生热化学反应，并逐步加剧电池内部热量积累，形成恶性循环，最终导致电芯发生热失控。单个电芯失控后，会急剧升温，对周边电芯产生影响，严重情况下，将导致周围电芯接连发生热失控，并最终扩散至整个电池包。

3 模型建立及仿真验证

3.1 机理模型建立

在加热触发的锂离子电池系统热扩散反应过程中，电池系统首先受外部热源影响，由于与外部温差较小，并存在较好的隔热措施，热量在电池包中累积，导致局部温度过高，从而引发单个电芯进入高温运行阶段。单个电芯在高温下运作，导致内部发生SEI膜分解及极化反应，最终致使内部短路，发生热失控。而后失控电芯温度急剧上升，逐渐影响周围电芯及模组，将热失控反应扩散至附近电芯，最终导致整个电池包热扩散反应发生。

3.2 热失控数学模型

通过分析热失控机理，可以将电池失控电芯分为负极、SEI膜、电解液、正极和热传导结构5个部分，并以控制外部热源和外部温度为输入量，监测电流、电压、温度和热量传导为输出量，建立数学模型。热量在锂离子电池内部的传递，以及各部分模型内部的反应和放热，构成了锂离子电池热失控模型的内部能量流动。

a. 热量的扩散/传递：

式(1)中：ρi为各电池材料的密度，g/cm3；cpi为各电池材料的比热容，J/(g·K)；T为温度，K；t为时间，s；Ki为导热系数，W/(m·K)；Q为所有电池材料的总反应放热量。

式(2)中：Hi为各电池材料的分解反应放热量，J/g；Ri为各电池材料的热反应速率，包含负极SEI膜的分解反应速率。

b. 负极/电解液的分解反应速率：

c. 正极的分解反应速率：

d. 电解液的分解反应速率：

上式中：Ai为各电池材料分解反应的指前因子，s-1；Eai为各电池材料分解反应的反应活化能，J/mol。

根据公式(1)～(7)及热力学传导公式，设置外部热源和外部温度为输入量，以负极、正极、SEI膜和电解液4个模块为电池总体结构，将热量的产生，扩散和传导设为中间变量，监测电池单体工作电压、工作电流以及电芯在极耳、前端、中部、底部4个部位的温度[9]。

3.3 仿真模型建立

通过分析电池包机理模型及数学模型，可知电池包在热扩散反应时是由单个电芯逐步扩散至整个电池包。因此，在建立仿真模型时，可将电池包简化为外部热源、失控电芯、周围电芯及控制附属系统4个板块。通过分析公式(1)～(7)及热力学传导公式，基于Matlab Simulink建立电池单体热力学模型，如图1所示。

包模型以输入热量和外部温度作为输入量，并添加PLC通讯单位代替BMS进行联合控制，然后通过OPC通讯，将各单体的电流、电压及温度等数据传递至BMS管理系统，建立半实物仿真模型，实现电池包模型的实时监控，模拟整个电池包在加热触发热失控状态下的运行模式[10]，具体模型如图2所示。

4 电池热失控模型试验验证

4.1 模型仿真试验

根据电池包实际使用情况，选取1 000 W功率加热块对电池包内特定电芯进行加热试验，依据新国标测试要求，对特定电芯距离加热模块最远的温度监测点W进行检测，温度变化曲线如图3所示。

由图3可以看出，电池的温度明显分为4个阶段：第1阶段A～B为温度平稳区，第2阶段B～C为温度缓慢上升区，第3阶段C～D为温度骤变区，第4阶段D～E为扩散区。

分析加热试验下仿真模型W点温度变化曲线，可以发现：

如图3所示，第1阶段的持续时间为0～31 min(0～185 s)，温度约为60℃，此时电池内部已经出现问题，局部热量增加，电池已经进入危险期，但此时温度变化不大，难以察觉。

第2阶段，温度从60℃缓慢上升到263℃左右。该阶段初期主要是负极表面界面保护膜(SEI膜)分解，放出热量使电池温度上升；进而促使隔膜收缩熔化，正负极材料、电解液、黏结剂相互直接接触并发生反应，放出大量的化学反应热，反应放热速率迅速增大，促使温度快速升高，同时产生大量气体，使电池内压急剧升高。第2阶段结束的瞬间，温度迅速上升进入第3阶段(5.76 s)，前期经过3 s(340-337)上升到最高温度561℃，导致电池发生起火、爆炸现象，之后进入第4阶段，电池热失控影响到周围电芯，周围电芯随后发生热失控，并最终导致热扩散。

4.2 仿真模型

图1 锂电池失控电芯模型

图2 锂电池包结构模型

图3 加热试验下仿真模型W点温度变化曲线

在加热条件下对电池系统进行热扩散试验，并将实际试验所得数据与仿真试验数据进行比对，检验仿真模型的有效性和数据的准确性，结果如图4所示。

通过数据对比，可以发现在实验过程中，虽然模拟试验与实际试验在热失控发生时间及监测点温度数据上存在一定偏差，但总体试验发展趋势和温度变化趋势大致相近，此项对比试验说明仿真模型虽然不能完全取代实际试验，但能提供有效的参考价值。企业人员可在电池系统研发前期，根据锂电池实际情况修改模型参数，通过仿真模型判断电池热失控发生时的总体变化趋势，然后通过调节锂电池材料及参数，得到理想的模拟试验效果后，再进行实际试验对电池系统进行验证，并最终修正材料及参数，实现研发目的。

图4 模拟试验与实际试验数据对比

5 总结

本文通过分析锂离子电池包热失控原理，结合锂离子电芯实际材料参数，建立了电池系统数学模型，并基于Simulink建立了锂离子电池仿真模型。再以加热为热扩散触发条件，对模型进行了热扩散仿真试验，通过与实际试验的试验过程、现象及数据对比，验证了锂离子电池热扩散仿真模型的有效性和准确性。虽然仿真试验数据与实际试验数据存在一定误差，但依然能为企业热扩散试验提供重要参考，从而极大地降低了企业在研发过程中的热扩散试验成本，提升研发效率。