CN104008243A - 动力电池模块热失控扩展过程传热量的定量分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种定量分析动力电池模块热失控扩展过程中传热量的方法，包括：对于一第一动力电池单体进行在绝热环境中的加热热失控实验；对于所述加热热失控实验结果建立一第一数学模型；对于一第二动力电池单体进行热失控触发实验；对于所述热失控触发实验的实验结果建立一第二数学模型；根据所述第一数学模型以及第二数学模型，建立动力电池模块热失控扩展的第三数学模型；进行热失控扩展实验，利用热失控扩展的实验结果验证第三数学模型；利用第三数学模型进行仿真计算，获得热失控扩展过程中各部分的传热量。

Description

动力电池模块热失控扩展过程传热量的定量分析方法

技术领域

本发明属于电池领域，涉及一种动力电池模块热失控扩展过程传热量的定量分析方法。 

背景技术

在能源危机与环境污染的双重压力下，汽车动力***电动化成为了汽车发展的重要标志之一。当前，新能源车动力电池***多采用具有较高能量密度的动力电池，如锂离子动力电池。然而，偶发的安全事故使得锂离子动力电池***受到质疑。 

动力电池***事故一般是由动力电池发生热失控造成的。动力电池热失控是指由于动力电池内部材料在一定温度下，将化学能瞬间转化为热能的过程。动力电池***通常包含多节串并联连接的单体动力电池，部分电池单体发生热失控之后，剧烈释放出的热能将会波及周围的电池，导致周围电池继续因受到高温加热而发生热失控。这种周围电池受到已有热失控影响继而发生热失控的过程，称为热失控的扩展过程。热失控的扩展是非常危险的，这意味着动力电池***局部发生热失控后，整个***都将因为热失控的扩展而发生热失控。防止动力电池***内的热失控扩展的发生，将热失控限制在局部，将能够大大提高动力电池***的安全性能，保证人民群众的生命财产安全。 

然而，目前，只是通过试错的方法抑制动力电池模块的热失控扩展，对于首节触发释放出的热失控能量，次节扩展释放出的热失控能量，以及热失控扩展的传热过程均无法通过科学的定量分析方法，进行高效地分析。 

发明内容

有鉴于此，确有必要提供一种可以定量分析动力电池模块热失控扩展过程中传热量的方法。 

本发明提供一种定量分析动力电池模块热失控扩展过程中传热量的方法，其包括以下步骤： 

S1：在绝热环境下对一第一动力电池单体进行加热热失控实验，并记录所述第一动力电池单体在不同时刻的温度T(t)；

S2：建立所述第一动力电池单体在加热热失控实验过程中的一第一数学模型T(t)_I，利用T(t)标定该第一数学模型T(t)_I，所述第一数学模型T(t)_I为所述第一动力电池单体在加热热失控条件下在不同时刻t的温度；

S3：提供一第二动力电池单体，该第二动力电池单体与所述第一动力电池单体相同，对所述第二动力电池单体进行热失控触发实验，并记录该第二动力电池单体在不同时刻的温度T '(t)；

S4：建立所述第二动力电池单体在热失控触发实验过程中的一第二数学模型T(t)_II，并利用T '(t)标定该第二数学模型T(t)_II，所述第二数学模型T(t)_II为所述第二动力电池单体在热失控触发实验过程中在不同时刻t的温度；

S5：对一动力电池模块进行加热热失控扩展实验，该动力电池模块包括至少两节电池单体，该至少两节电池单体与所述第一动力电池单体以及第二动力电池单体相同，且该动力电池模块中的热失控触发形式与所述第二动力电池单体的热失控触发形式相同，记录所述动力电池模块不同时刻的温度T ''(t)；

S6：通过所述第一数学模型T(t)_I以及所述第二数学模型T(t)_II获得所述动力电池模块在加热热失控扩展实验过程中的一第三数学模型T(t)_III，利用T ''(t)标定该第三数学模型T(t)_III，所述第三数学模型T(t)_III为所述动力电池模块在加热热失控扩展实验过程中在不同时刻t的温度；以及

S7：利用所述第三数学模型T(t)_III进行仿真计算，获得所述动力电池模块在热失控扩展过程中各部分传热量的值。

本发明提供的定量分析动力电池模块热失控扩展过程传热量的方法，通过建立动力电池模块热失控扩展过程的数学模型，并利用该数学模型进行仿真计算，可以定量地分析动力电池模块热失控扩展过程中的各部分传热量，从而为抑制热失控扩展的隔热散热设计提供有效的解决方案。 

附图说明

图1为本发明实施例中第一数学模型的计算结果与实验结果对比图。 

图2为本发明实施例中第二数学模型的计算结果与实验结果对比图。 

图3为本发明实施例中提供的动力电池模块的结构示意图。 

图4为本发明实施例中通过第三数学模型得到的电池单体的计算结果与实验结果对比图。 

图5为本发明实施例中通过第三数学模型得到的电池极柱的计算结果与实验结果对比图。 

图6为本发明实施例中热失控扩展从第1节电池单体向第2节电池单体发生时的传热能流示意图。 

图7为本发明实施例中热失控扩展从第2节电池单体向第3节电池单体发生时的传热能流示意图。 

图8为本发明实施例中热失控扩展从第3节电池单体向第4节电池单体发生时的传热能流示意图。 

图9为本发明实施例中热失控扩展从第4节电池单体向第5节电池单体发生时的传热能流示意图。 

图10为本发明实施例中热失控扩展从第5节电池单体向第6节电池单体发生时的传热能流示意图。 

主要元件符号说明 

动力电池模块	100
		电池单体	10
正极柱	11
		负极柱	12
金属连接片	20
		金属夹具	30
隔热层	40
		刺针	50

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明作进一步详细的说明。 

本发明实施例提供一种定量分析动力电池模块热失控扩展过程中传热量的方法，其包括以下步骤： 

S1：在绝热环境下对一第一动力电池单体进行加热热失控实验，并记录所述第一动力电池单体在不同时刻的温度T(t)；

S2：建立所述第一动力电池单体在加热热失控实验过程中的一第一数学模型T(t)_I，利用T(t)标定该第一数学模型T(t)_I，所述第一数学模型T(t)_I为所述第一动力电池单体在加热热失控条件下在不同时刻t的温度；

S3：提供一第二动力电池单体，该第二动力电池单体与所述第一动力电池单体相同，对所述第二动力电池单体进行热失控触发实验，并记录该第二动力电池单体在不同时刻的温度T '(t)；

S4：建立所述第二动力电池单体在热失控触发实验过程中的一第二数学模型T(t)_II，并利用T '(t)标定该第二数学模型T(t)_II，所述第二数学模型T(t)_II为所述第二动力电池单体在热失控触发实验过程中在不同时刻t的温度；

S5：对一动力电池模块进行加热热失控扩展实验，该动力电池模块包括至少两节电池单体，该至少两节电池单体与所述第一动力电池单体以及第二动力电池单体相同，且该动力电池模块中的热失控触发形式与所述第二动力电池单体的热失控触发形式相同，记录所述动力电池模块不同时刻的温度T ''(t)；

S6：通过所述第一数学模型T(t)_I以及所述第二数学模型T(t)_II获得所述动力电池模块在加热热失控扩展实验过程中的一第三数学模型T(t)_III，利用T ''(t)标定该第三数学模型T(t)_III，所述第三数学模型T(t)_III为所述动力电池模块在加热热失控扩展实验过程中在不同时刻t的温度；以及

S7：利用所述第三数学模型T(t)_III进行仿真计算，获得所述动力电池模块在热失控扩展过程中各部分传热量的值。

步骤S1中，所述第一动力电池单体可以为一锂离子动力电池单体。在绝热环境下对所述第一动力电池单体进行热失控测试，有利于准确获得第一动力电池单体在热失控过程中释放和吸收的热量。本实施例中采用绝热加速量热仪对所述第一动力电池单体进行热失控测试，所述第一动力电池单体为一三元锂离子动力电池。 

所述第一动力电池单体在加热热失控实验过程中的第一数学模型T(t)_I可以利用化学反应动力学方程以及欧姆定律获得。 

对于所述第一动力电池单体，所述第一数学模型T(t)_I的建立可以步骤包括以下步骤： 

S21：获得所述第一动力电池单体内部化学反应产生的生热功率的总和Q_I(t)的计算式；

S22：根据Q_I(t)建立所述第一动力电池单体的 的计算式；

S23：根据建立所述第一动力电池单体的T(t)_I的计算式。

步骤S21中，所述Q_I(t)的表达式为： 

(1)。

其中，代表所述第一动力电池单体内部材料化学反应生热功率，代表第一动力电池单体内短路释放的电功率。 

所述Q_r(t)的表达式为： 

(2)。

其中，Q_SEI代表SEI膜分解反应的产热功率；Q_anode代表负极与电解液反应的产热功率；Q_separator代表隔膜分解的吸热功率；Q_cathode正极分解的产热功率；Q_electrolyte电解液分解的产热功率；Q_PVDF代表粘接剂分解反应的产热功率。所述Q_SEI、Q_anode、Q_separator、Q_cathode、Q_electrolyte以及Q_PVDF都可以用Arrhenius公式的形式来进行描述。例如Q_SEI的计算公式为： 

(3)。

其中，代表SEI膜分解反应所能释放的总能量，单位是J，可以根据现有文献选取；代表SEI膜的归一化的浓度，即反应开始时，反应终止时，，是在仿真过程中随着时间变化而变化的一个变量；代表SEI膜反应的频率因子，单位是s^-1；是化学反应的活化能，单位是J/mol，可以根据现有文献选取；R是理想气体常量，R=8.314 J/ (mol·K)；是电池单体在时间为t的温度。可以理解，，，，及的表达式通过将所述Q_SEI表达式的下标进行相应的修改得到。 

根据化学反应动力学方程以及能量守恒定律，所述第一动力电池单体的计算式为： 

（4）。

对于所述第一动力电池单体，在t时刻电池内部温度T_i(t)小于等于电池内部隔膜的熔化温度T_onset时，该第一动力电池单体内部仅发生微短路，对应的反应产热功率为。在的表达式中，为微弱短路的速率因子，b为短路的指数项。在t时刻电池内部温度T_i(t)大于所述电池内部隔膜的熔化温度T_onset时，第一动力电池单体内部会发生大规模内短路，对应的产热功率为，其中代表短路释放的总能量，代表平均反应时间，其决定了反应的速度，代表已经发生的微弱短路的能量。 

将所述Q_r(t)和Q_e(t)的计算式带入Q_I(t)=+即可得到Q_I(t)的计算式。 

步骤S22中，根据能量守恒定律，所述第一动力电池单体在热失控过程中满足公式： 

(5)。

其中，M是第一动力电池单体的质量，单位是kg；C_p是第一动力电池单体的比热容，单位是J/(kg·K)。将Q_I(t)的计算式带入公式(5)即可得到的计算式。 

步骤S23中，所述第一动力电池单体在加热热失控条件下在不同时刻t的温度，即第一数学模型T(t)_I满足公式： 

(6)。

其中，T(0)_I为一已知量。根据的计算式以及公式(6)即可得到第一数学模型T(t)_I的计算式。 

所述利用T(t)标定所述第一数学模型T(t)_I的步骤包括：对于Q_r(t)，根据现有文献选定一组和，和，和，和，和，以及A_a,PVDF和的值；对于Q_e(t)，根据实际经验选定一组，b，和的值。利用所述第一数学模型T(t)_I进行仿真计算得到所述第一动力电池单体在不同时刻的温度，如果通过所述仿真计算得到的温度与步骤S1中的实验结果T(t)相差较大，则在一定范围内调整和，和，和，和，和，A_a,PVDF和以及，b，和的值，每调整一次采用所述第一数学模型T(t)_I进行一次仿真计算，直到仿真计算结果与实验结果相近为止。 

本实施例中，标定后的和，和，和，和，和，A_a,PVDF和以及，b，和的值请参见表1。由于本实施例中采用三元锂离子动力电池，三元材料的正极具有两个不同的化学反应，所以表1对应的优选数值中A_cathode,，E_a,cathode,以及H_cathode的值有两组，分别为A_cathode,1，E_a,cathode,1，H_cathode,1，A_cathode,2，E_a,cathode,2，H_cathode,2。 

表1 

可以理解，对于所述第一动力电池单体，可以进一步包括对所述第一数学模型T(t)_I进行合理简化。在进行第一数学模型T(t)_I简化的过程中，应保证第一数学模型T(t)_I仿真计算结果与实验结果相近，即保证第一数学模型T(t)_I仿真计算的精度。由于在所述第一动力电池单体中，在t时刻电池内部温度T_i(t)小于等于电池内部隔膜的熔化温度T_onset时，该第一动力电池单体内部仅发生微短路，该微短路产生的能量较小，可以忽略不计。所以在加热热失控的第一数学模型T(t)_I中，步骤S21可进一步包括将Q_e(t)简化为：

(7)。

请参阅图1，本实施例中，利用第一数学模型T(t)_I，对所述第一动力电池单体进行仿真计算的结果与实验结果T(t)对比，具有较好的精度。 

步骤S3中，对于所述第二动力电池单体进行热失控触发实验，所述触发的形式不限，只要可以保证该热失控触发能够使所述第二动力电池单体释放出足够多的热量，从而使得相邻电池单体有足够的温度升高并发生热失控即可。优选的，所述热失控触发形式为针刺触发、过充触发或加热触发。当所述热失控触发形式采用针刺时，所述刺针直径优选为5～8mm，穿刺速度优选为10～30mm/s。本实施例中，通过针刺对所述第二动力电池单体进行热失控触发实验，刺针50的直径为8mm，穿刺速度为10mm/s。 

步骤S4中，所述第二数学模型T(t)_II的建立进一步包括以下步骤： 

S41：建立所述第二动力电池单体在热失控触发过程中产热功率的计算式；

S42：根据得出的计算式；

S43：根据得出T(t)_II的计算式。

步骤S41中，所述的计算公式为： 

(8)。

其中，为热触发实验时第二动力电池单体热化学反应释放的反应热功率；为内部短路被瞬间释放出来的热功率；为所述第二动力电池单体散热的功率。由于所述第二动力电池单体与所述第一动力电池单体完全相同，所以，公式（8）中Q_r(t)的计算式与与所述第一动力电池单体的Q_r(t)计算式相同，即公式（8）中Q_r(t)可以根据步骤S21中公式(2)和（3）进行计算。本实施例中，对于所述第二动力电池单体，标定后的和，和，和，和，和，A_a,PVDF和以及，b，和的值与所述第一动力电池单体中的相同，请参见表1。 

根据化学反应动力学方程的变种形式得出，所述的计算公式为： 

(9)。

其中，代表第二动力电池单体发生热失控触发的短路过程中，由于短路释放的电能总和，对于一特定电池单体，为一已知量；代表在时间为t时已经释放了的电能；v代表反应速率呈指数形式。 

所述的计算公式为： 

(10)。

其中，代表第二动力电池单体对环境的换热系数，单位是W/(m² _˙K)；代表第二动力电池单体的表面散热面积，单位是m²；代表第二动力电池单体的仿真模型温度，单位是K；代表周围环境的温度，单位是K。 

步骤S42中，根据能量守恒定律，所述第二动力电池单体在热失控触发过程中满足公式： 

(11)。

其中，M为所述第二动力电池单体的质量，单位是kg；C_p为所述第二动力电池单体的比热容，单位是J/(kg．K)。将的计算式带入公式(11)即可得到的计算式。 

步骤S43中，所述第二动力电池单体在热失控触发条件下在不同时刻t的温度，即第二数学模型T(t)_II满足公式： 

(12)。

其中，T(0)_II为所述第二动力电池单体热失控触发之前的温度，为一已知量。根据步骤S42中的计算式以及公式(12)即可得到第二数学模型T(t)_II的计算式。 

所述利用T '(t)标定所述第二数学模型T(t)_II的步骤包括：根据经验值选定一组、v、h_II，利用第二数学模型T(t)_II进行仿真计算得到第二动力电池单体在不同时刻的温度，如果通过所述第二数学模型T(t)_II仿真计算得到的温度与步骤S3中的实验结果T '(t)相差较大，则在一定范围内调整、v以及h_II的值，每调整一次、v以及h_II的值利用第二数学模型T(t)_II进行一次仿真计算，直到仿真计算的结果与实验结果T '(t)相近为止。本实施例中，标定后的=385000J，v=0.001、h_II=2 W/(m² _˙K)。 

请参阅图2，由图中可以看出，第二动力电池单体通过第二数学模型T(t)_II计算的结果与实验结果T '(t)相比，具有较好的精度。 

可以理解，可以进一步包括对所述第二数学模型T(t)_II进行合理简化。由于在所述第二数学模型T(t)_II中，包括一些在热失控扩展模型计算中影响较小的次要因素。对于这些影响较小的次要因素进行近似或加以忽略，从而可以提高热失控扩展模型的仿真计算速度。在进行第二数学模型T(t)_II简化的过程中，应保证第二数学模型T(t)_II仿真计算结果与实验结果相近，即保证第二数学模型T(t)_II仿真计算的精度。由于所述的计算式中存在指数形式，计算速度较慢，所以，在保证仿真计算精度的情况下，可以将方程：简化成线性方程： 

(13)。

步骤S6中，所述动力电池模块中的至少两节电池单体可以以串联的方式或并联的方式连接。请参阅图3，本实施例中，所述动力电池模块100是一方壳的25Ah的三元锂离子动力电池，所述三元锂离子动力电池包括六节电池单体10、多个金属连接片20、多个金属夹具30以及多个隔热层40。每个电池单体10包括一个正极柱11以及一个负极柱12。所述金属连接片20用于将六节电池单体10串联在一起；所述金属夹具30用于夹持所述电池单体10；所述隔热层40用于隔离所述电池单体10与金属夹具30。 

采用集总参数法，将各节电池单体，各节电池单体的极柱均视为具有单一质量，单一热容和单一温度的节点。各个节点具有其自身的质量M_i，热容C_pi以及温度T_i。 

将所述动力电池模块中进行热失控触发实验的电池单体定义为首节触发电池，将所述动力电池模块中首节触发电池之外的其它电池单体定义为次节扩展电池。所述第三数学模型T_i(t) _III的获得可以进一步包括以下步骤： 

S61：分别建立首节触发电池、次节扩展电池、电池极柱以及夹具在加热热失控扩展条件下的能量变化率Q_i计算式；

S62：根据Q_i分别建立首节触发电池、次节扩展电池、电池极柱以及夹具在加热热失控扩展条件下的的计算式；

S63：根据分别建立首节触发电池、次节扩展电池、电池极柱以及夹具在加热热失控扩展条件下的T_i(t)_III的计算式。

步骤S61中，根据能量守恒定律，在加热热失控扩展条件下，首节触发电池、次节扩展电池、电池极柱以及夹具的能量变化率Q_i的计算式均可以表示为： 

(14)。

其中，Q_san(t)表示散热功率；Q_sheng(t)代表生热功率。对于首节触发电池，；对于次节扩展电池，，；由于极柱和夹具均是纯金属材料，不会发生化学反应，所以对于极柱和夹具，，。其中，Q_ij代表节点i向节点j进行传热的散热功率；代表节点i向周围环境进行散热的散热功率。 

对于所述动力电池模块100，Q_i的计算式具体为： 

（15）。

采用热阻法建立各节点之间的传热模型，根据傅里叶导热公式，节点i向节点j进行传热的散热功率Q_ij的计算式为： 

(16)。

其中，代表节点i与节点j之间的有效传热面积，单位是m²；代表节点i与节点j之间传热的热阻，单位是(m²﹒K)/W； _III代表t时刻节点i的仿真模型温度， _III代表t时刻节点j的仿真模型温度。 

根据傅里叶导热公式，节点i向周围环境进行散热的散热功率的计算式为： 

(17)

其中，所述代表节点i对环境散热的等效面积，单位是m²；对环境散热的等效热阻，单位是(m²﹒K)/W；t时刻节点i的仿真模型温度，代表t时刻环境温度。

公式（15）中，所述次节扩展电池的短路能量的表达式为： 

(18)。

其中，是通过插值计算得出的温度，该满足公式： 

(19)。

其中，是计算过程中的权重因子，。优选地，=0.23；为第i-1节电池单体的模型计算温度，为第i节电池单体的模型计算温度，i=2，3，4，5或6。 

步骤S62中，根据能量守恒定律 

(20)。

可以分别得到所述首节触发电池、次节扩展电池以及电池极柱和夹具在加热热失控扩展条件下的计算式。 

步骤S63中，在加热热失控扩展条件下，所述首节触发电池、次节扩展电池以及电池极柱和夹具的T_i(t)_III满足公式： 

(21)。

其中，T(0)_III为一已知量。将带入公式(21)即可分别得到首节触发电池、次节扩展电池以及电池极柱和夹具在加热热失控扩展条件下的第三数学模型T(t)_III。 

所述利用T ''(t)对所述第三数学模型T(t)_III进行标定可以包括：根据现有文献选定一组与的值，利用所述第三数学模型T(t)_III进行仿真计算得到动力电池模块各节点在不同时刻的温度，如果与步骤S5中的实验结果T ''(t)相差较大，则在一定范围内调整与的值，每调整一次采用所述第三数学模型T(t)_III进行一次仿真计算，直到仿真计算结果与实验结果相近为止。 

将所述动力电池模块中的首节触发电池定义为第一节电池单体，与第一节电池单体相邻的电池单体为第二节电池单体，与第二节电池单体相邻的电池单体为第三节电池单体，以此类推。本实施例中，标定后的与的值的一组优选结果请参阅表2。 

表2 

请参阅图4-5，由图中可以看出，本实施例利用第三数学模型计算得到的首节触发电池及其正、负电极柱以及次节扩展电池及其正、负电极柱在热失控扩展过程中在不同时刻的温度与实验结果相比误差较小，说明所述第三数学模型T(t)_III具有较好的精度。

步骤S7中，计算热失控扩展过程中各节点之间的传热量ΔH_ij的计算式为： 

(22)。

其中，i对应着热量传出的节点，j对应着热量传入的节点，k代表第k节电池单体发生了热失控开始，到第k+1节电池单体热失控开始为止。 

请看附图6，为本实施例中通过仿真计算得到的第一节电池单体与第二节电池单体的能流图。从图中可以看出，在热失控扩展过程中，第一节电池单体热失控释放出总能量的16.2%通过电池外壳传递到了第二节电池单体，2.2%通过电池极柱传递到了第二节电池单体。第一节电池单体对周围环境的散热量约占热失控释放总能量的6.5%。说明第一节电池单体热失控释放总能量的18.4%即可以造成第二节电池单体的热失控，这部分能量不到第一节电池单体热失控释放总能量的1/5。 

请看附图7，为本实施例中通过仿真计算得到的第二节电池单体与第三节电池单体的能流图。从图中可以看出，在热失控扩展过程中，第二节电池单体热失控释放出总能量的8.0%通过电池外壳传递到了第三节电池单体，0.69%通过电池极柱传递到了第三节电池单体。第二节电池单体对环境散热量约占热失控总能量的3.3%。说明第二节电池单体热失控释放总能量的8.69%即可以造成了第三节电池单体的热失控，这部分能量不到第二节电池单体热失控总能量的1/10。 

请看附图8，为本实施例中通过仿真计算得到的所述第三节电池单体与所述第四节电池单体的能流图。从图中可以看出，在热失控扩展过程中，第三节电池单体热失控释放出总能量的7.2%通过电池外壳传递到了第四节电池单体，0.55%通过电池极柱传递到了第四节电池单体。第二节电池单体对环境散热量约占热失控总能量的3.3%。说明第二节电池单体热失控释放总能量的7.75%即可以造成了第四节电池单体的热失控，这部分能量不到第三节电池单体热失控总能量的1/10。 

请看附图9，为本实施例中通过仿真计算得到的所述第四节电池单体与第五节电池单体的能流图。从图中可以看出，在热失控扩展过程中，第四节电池单体热失控释放出总能量的7.0%通过电池外壳传递到了第五节电池单体，0.50%通过电池极柱传递到了第五节电池单体。第四节电池单体对环境散热量约占热失控总能量的3.0%。说明第四节电池单体热失控释放总能量的7.50%即可以造成了第五节电池单体的热失控，这部分能量不到第四节电池单体热失控总能量的1/10。 

请看附图10，为本实施例中通过仿真计算得到的第五节电池单体与第六节电池单体的能流图。从图中可以看出，在热失控扩展过程中，第五节电池单体热失控释放出总能量的6.7%通过电池外壳传递到了第六节电池单体，0.51%通过电池极柱传递到了第六节电池单体。第五节电池单体对环境散热量约占热失控总能量的2.8%。说明第五节电池单体热失控释放总能量的7.21%即可以造成了第六节电池单体的热失控，这部分能量不到第五节电池单体热失控总能量的1/10。 

本发明提供的定量分析动力电池模块热失控扩展过程传热量的方法，通过建立动力电池模块热失控扩展过程的数学模型，并利用该数学模型进行仿真计算，可以定量地分析动力电池模块热失控扩展过程中的各部分传热量，从而为抑制热失控扩展的隔热散热设计提供有效的解决方案；该方法利用数学模型仿真计算，能够大大缩短研发实验，节约研发开支；另外，由于动力电池***通常由多个动力电池模块组成，本发明的方法也可以为抑制动力电池***内热失控扩展的提供设计方案。 

另外，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其他变化，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。 

Claims (10)

1.一种动力电池模块热失控扩展过程传热量的定量分析方法，其包括以下步骤：

S1：在绝热环境下对一第一动力电池单体进行加热热失控实验，并记录所述第一动力电池单体在不同时刻的温度T(t)；

S2：建立所述第一动力电池单体在加热热失控实验过程中的一第一数学模型T(t)_I，利用T(t)标定该第一数学模型T(t)_I，所述第一数学模型T(t)_I为所述第一动力电池单体在加热热失控条件下在不同时刻t的温度；

S3：提供一第二动力电池单体，该第二动力电池单体与所述第一动力电池单体相同，对所述第二动力电池单体进行热失控触发实验，并记录该第二动力电池单体在不同时刻的温度T '(t)；

S4：建立所述第二动力电池单体在热失控触发实验过程中的一第二数学模型T(t)_II，并利用T '(t)标定该第二数学模型T(t)_II，所述第二数学模型T(t)_II为所述第二动力电池单体在热失控触发实验过程中在不同时刻t的温度；

S5：对一动力电池模块进行加热热失控扩展实验，该动力电池模块包括至少两节电池单体，该至少两节电池单体与所述第一动力电池单体以及第二动力电池单体相同，且该动力电池模块中的热失控触发形式与所述第二动力电池单体的热失控触发形式相同，记录所述动力电池模块不同时刻的温度T ''(t)；

S6：通过所述第一数学模型T(t)_I以及所述第二数学模型T(t)_II获得所述动力电池模块在加热热失控扩展实验过程中的一第三数学模型T(t)_III，利用T ''(t)标定该第三数学模型T(t)_III，所述第三数学模型T(t)_III为所述动力电池模块在加热热失控扩展实验过程中在不同时刻t的温度；以及

S7：利用所述第三数学模型T(t)_III进行仿真计算，获得所述动力电池模块在热失控扩展过程中各部分传热量的值。

2.根据权利要求1所述的动力电池模块热失控扩展过程传热量的定量分析方法，其特征在于，所述第一数学模型T(t)_I的建立进一步包括以下步骤：

S21：获得第一动力电池单体内部化学反应产生的生热功率的总和Q_I(t)的计算式，所述                                               ，代表所述第一动力电池单体内部材料化学反应生热功率，代表所述第一动力电池单体内短路释放的电功率；

S22：根据Q_I(t)建立首节触发电池单体的的计算式；以及

S23：根据建立首节触发电池单体的T(t)_I的计算式。

3.根据权利要求2所述的动力电池模块热失控扩展过程传热量的定量分析方法，其特征在于，所述Q_r(t)的计算式为：

，

其中，Q_SEI代表SEI膜分解反应的产热量；Q_anode代表负极与电解液反应的产热量；Q_separator代表隔膜分解的吸热量；Q_cathode正极分解的产热量；Q_electrolyte电解液分解的产热量；Q_PVDF代表粘接剂分解反应的产热量，所述Q_SEI的计算式为：

，

其中，代表SEI膜分解反应所能释放的总能量，单位是J；代表SEI膜的归一化的浓度；代表SEI膜反应的频率因子，单位是s^-1；是化学反应的活化能，单位是J/mol；R是理想气体常量；是电池单体在时间为t的温度，所述，，，及的计算式通过将所述Q_SEI计算式的下标分别修改为anode，separator，cathode，electrolyte或PVDF得到。

4.根据权利要求2所述的动力电池模块热失控扩展过程传热量的定量分析方法，其特征在于，所述的计算式为：

，

其中，为微弱短路的速率因子，b为短路的指数项，代表短路释放的总能量，代表平均反应时间，代表已经发生的微弱短路的能量。

5.根据权利要求4所述的动力电池模块热失控扩展过程传热量的定量分析方法，其特征在于，所述公式进一步简化为。

6.根据权利要求1所述的动力电池模块热失控扩展过程传热量的定量分析方法，其特征在于，所述第二数学模型T(t) _II的建立可以步骤包括以下步骤：

S41：建立所述第二动力电池单体在热失控触发过程中产热功率的计算式，所述，为热触发实验时第二动力电池单体热化学反应释放的反应热功率，为内部短路被瞬间释放出来的热功率，为所述第二动力电池单体散热的功率；

S42：根据得出的计算式；以及

S43：根据得出T(t)II的计算式。

7.根据权利要求6所述的动力电池模块热失控扩展过程传热量的定量分析方法，其特征在于，所述的计算式与所述第一动力电池单体中计算式相同；所述，其中，代表第二动力电池单体发生热失控触发的短路过程中，由于短路释放的电能总和，代表在时间为t时已经释放了的电能，v代表反应速率呈指数形式。

8.根据权利要求7所述的动力电池模块热失控扩展过程传热量的定量分析方法，其特征在于，所述可进一步简化为。

9.根据权利要求1所述的动力电池模块热失控扩展过程传热量的定量分析方法，其特征在于，所述，其中，代表第二动力电池单体对环境的换热系数，单位是W/(m² _˙K)，代表第二动力电池单体的表面散热面积，单位是m²，代表第二动力电池单体的仿真模型温度，单位是K，代表周围环境的温度，单位是K。

10.根据权利要求1所述的动力电池模块热失控扩展过程传热量的定量分析方法，其特征在于，将所述动力电池模块中进行热失控触发实验的电池单体定义为首节触发电池，将所述动力电池模块中首节触发电池之外的其它电池单体定义为次节扩展电池，所述动力电池模块进一步包括多个金属连接片、多个金属夹具以及多个隔热层，所述第三数学模型T(t)_III的建立可以包括以下步骤：

S61：分别建立首节触发电池、次节扩展电池、电池极柱以及夹具在加热热失控扩展条件下的能量变化率Q_i(t)计算式，所述，

其中，Q_ij代表节点i向节点j进行传热的散热功率；代表节点i向周围环境进行散热的散热功率；

S62：根据Q_i分别建立首节触发电池、次节扩展电池、电池极柱以及夹具在加热热失控扩展条件下的的计算式；以及

S63：根据分别建立首节触发电池、次节扩展电池、电池极柱以及夹具在加热热失控扩展条件下的T_i(t)_III的计算式。