·目錄摘要 ⅠAbstract Ⅰ第一章緒論 I基于Simulink的鋰離子電池?zé)崾Э啬Ｐ驮O(shè)計(jì)摘要：隨著鋰離子電池種類的增多和應(yīng)用環(huán)境的日益復(fù)雜，主要是鋰離子電池的能量密度、充電容量、正極材料配比、峰值溫度、氣體種類、產(chǎn)氣等性能參數(shù)的變化以及其他表征熱失控的熱因素失控參數(shù)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。近幾年來，新能源汽車銷量一直在逐年增長，所以鋰離子電池的熱安全問題也是逐漸受到人們的重視，因?yàn)殇囯x子電池所發(fā)生的熱災(zāi)難也在不斷發(fā)生。本文基于對鋰離子電池過充后安全變化的認(rèn)識(shí)，建立了電池?zé)崾Э叵到y(tǒng)，提出了更有效、更安全的鋰離子電池?zé)崾Э啬Ｐ停哂袕V泛的意義。關(guān)鍵詞：鋰離子電池；熱失控；模型設(shè)計(jì)Designofthermalrunawaymodelforlithium-ionbatteriesbasedonSimulinkAbstract:Withtheincreasingvarietyoflithium-ionbatteriesandtheincreasinglycomplexapplicationenvironment,themainperformanceparametersoflithium-ionbatteries,suchasenergydensity,chargingcapacity,cathodematerialratio,peaktemperature,gastype,andgasproduction,aswellasotherthermalrunawayparametersthatcharacterizethermalrunaway,willalsoundergocorrespondingchanges.Inrecentyears,withtheincreasingsalesofnewenergyvehicles,thetopicofthermalsafetyoflithium-ionbatterieshasattractedmuchattentionsinceitsinception,andthethermaldisastersoflithium-ionbatteriescontinuetooccur.Basedontheunderstandingofsafetychangesafteroverchargingoflithium-ionbatteries,thisarticleestablishesabatterythermalrunawaywarningsystemandproposesamoreeffectiveandsaferlithium-ionbatterythermalrunawaymodel,whichhasbroadsignificance.Keywords:Lithiumionbatteries;Thermalrunaway;modeldesign第一章緒論1.1研究背景及意義隨著鋰離子電池種類的增多和應(yīng)用環(huán)境的日益復(fù)雜，主要是鋰離子電池的能量密度、充電容量、正極材料配比、峰值溫度、氣體種類、產(chǎn)量等性能參數(shù)的變化氣體及其他表征熱失控的熱因素失控參數(shù)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化。簡單的預(yù)警機(jī)制將無法匹配日益復(fù)雜的熱泄漏特征數(shù)據(jù)。因此，亟待研究一種能夠根據(jù)從漏熱不可逆階段到發(fā)生漏熱的過程中關(guān)鍵特征的變化，發(fā)出漏熱極早期預(yù)警信號(hào)的預(yù)警機(jī)制。有必要設(shè)計(jì)一種新的模型電池?zé)嵝孤┭b置。鋰離子電池?zé)峄馂?zāi)的發(fā)生根據(jù)啟動(dòng)方式通?？煞譃闊釣E用、機(jī)械濫用和電濫用。首先，電池受到外部應(yīng)力，對鋰離子電池造成機(jī)械濫用；其次，過載、過充、外部短路等。最終會(huì)導(dǎo)致電氣設(shè)備的誤用，這是受到外部產(chǎn)生的熱量積累的影響。熱源或內(nèi)部電化學(xué)副反應(yīng)，然后發(fā)展成熱濫用。以上三種誤用情況都會(huì)使鋰離子電池發(fā)生劇烈的放熱反應(yīng)，導(dǎo)致電池溫度急劇升高并產(chǎn)生大量可燃?xì)怏w，通常會(huì)伴隨冒煙、起火和爆炸。近年來，隨著新能源汽車銷量逐年增加，鋰離子電池?zé)岚踩掝}自提出以來就備受關(guān)注，鋰離子電池?zé)釣?zāi)難不斷發(fā)生。因此，本文基于對鋰離子電池過充后安全性變化的認(rèn)識(shí)，建立電池?zé)崾Э仡A(yù)警系統(tǒng)，并提出更有效、更安全的鋰離子電池?zé)崾Э啬Ｐ?，具有廣泛的現(xiàn)實(shí)意義。1.2研究現(xiàn)狀鋰離子電池的熱安全問題自誕生以來就備受關(guān)注。當(dāng)電池內(nèi)部受熱時(shí)，高能量密度有機(jī)電解質(zhì)溶液和聚合物隔膜往往會(huì)分解，當(dāng)電池嚴(yán)重濫用時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致火災(zāi)危險(xiǎn)。目前國內(nèi)外的發(fā)展要求鋰離子電池的快速充放電和高能量密度將對鋰離子電池的制造工藝、內(nèi)飾材料和新的車身樣式帶來壓力。新的熱安全問題將在物理和化學(xué)層面出現(xiàn)。警告信息無法恢復(fù)，系統(tǒng)無法滿足鋰離子電池警告及信息系統(tǒng)的熱警告信息。通過對電池?zé)崾Э剡^程中燃料、熱、電的各種組合的選擇以及電池主要熱失控起點(diǎn)的選擇，實(shí)現(xiàn)了鋰電池早期指標(biāo)的制定、維護(hù)和早期。鋰電池?zé)崾Э仉娫搭A(yù)警技術(shù)不斷發(fā)展并逐漸成為國內(nèi)外電池?zé)岚踩闹匾n題。在電池?zé)崾Э販y試過程中，負(fù)電壓會(huì)受到模塊之間串聯(lián)和連接的影響，從而降低了其對電池?zé)崾Э氐拿舾卸?，要充分及時(shí)地發(fā)現(xiàn)電池的重要特性、熱量和氣體，必須被測試。實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的熱失控的演變是不可避免的。我們從流程出發(fā)，仔細(xì)考慮溫度、生成時(shí)間和油品特性的變化，確定可以影響熱失控生長和出現(xiàn)的流程，實(shí)現(xiàn)預(yù)警。1.3研究內(nèi)容在當(dāng)今的電動(dòng)汽車和便攜式電子產(chǎn)品中，電池作為關(guān)鍵的能量存儲(chǔ)單元起著至關(guān)重要的作用。然而，隨著人們對高性能和長壽命電池需求的增加，過度充電已成為一個(gè)日益嚴(yán)重的電池安全問題。當(dāng)電池充滿電時(shí)，它可能會(huì)發(fā)生熱失控，這不僅會(huì)導(dǎo)致電池短路，還會(huì)釋放出大量熱量，引起火災(zāi)或爆炸等災(zāi)難性后果。因此，本文旨在深入研究過度充電條件下電池的安全性及其熱失控的防護(hù)措施：（1）首先，我們將從理解電池?zé)崾Э噩F(xiàn)象的本質(zhì)入手，探究其過程中的熱力學(xué)特性以及相關(guān)的物理化學(xué)變化?；谶@些知識(shí)，我們將設(shè)計(jì)一個(gè)專門針對過度充電情況的熱失控模型，該模型能夠模擬電池內(nèi)部復(fù)雜的熱傳遞過程和化學(xué)反應(yīng)。（2）其次，考慮到過充電如何加劇熱失控的傳播速度和強(qiáng)度，我們需要構(gòu)建一個(gè)詳細(xì)且準(zhǔn)確的熱失控傳熱模型。這個(gè)模型將考慮電池內(nèi)部不同區(qū)域之間的熱阻差異，以及外部環(huán)境對電池溫度的影響，從而確保模型能全面反映實(shí)際情況。（3）最后，本研究將通過對熱失控模型運(yùn)行后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以揭示熱失控的具體過程。這包括了電池溫度分布、電流狀態(tài)以及潛在的安全隱患等信息，這些都是評估電池安全性的重要指標(biāo)。通過分析，可以識(shí)別出哪些因素最有可能觸發(fā)熱失控，從而為未來的預(yù)防措施提供科學(xué)依據(jù)。綜上所述，本文的研究工作不僅對于提高電池的使用安全性和延長電池的使用壽命具有重要意義，而且對于推動(dòng)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展也有著不可忽視的貢獻(xiàn)。通過這項(xiàng)研究，我們希望能夠?yàn)殡姵刂圃焐?、電?dòng)汽車車主以及政策制定者提供有用的參考信息，共同努力減少因過度充電而導(dǎo)致的電池安全事故。第二章工作原理2.1鋰離子電池的發(fā)展與綜述鋰離子電池是20世紀(jì)最重要的一項(xiàng)技術(shù)，由于其具有壽命長、壽命短、壽命短等特點(diǎn)，在人們的日常生活中得到了廣泛的應(yīng)用。所有的能源都是必需的。儲(chǔ)存。在3C（電腦、通訊、電子等）電子產(chǎn)品中，鋰離子電池的占有率是最高的。在我國“最大限度地實(shí)現(xiàn)碳減排”與“碳中和”的雙重目標(biāo)下，電動(dòng)汽車（電動(dòng)自行車，電動(dòng)自行車，電動(dòng)船舶，軌道等）的發(fā)展將持續(xù)推進(jìn)。這一點(diǎn)毋庸置疑，對于鋰離子電池來說，是一項(xiàng)極具發(fā)展前景的技術(shù)基礎(chǔ)。鋰離子電池最早是在1913年由麻省理工學(xué)院的GilbertN.Lewis提出的。但是，因?yàn)樗且环N非常強(qiáng)烈的化學(xué)性質(zhì)，并且在水和空氣中都是不穩(wěn)定的。之后，吉野彰成功研制出全球首臺(tái)鋰離子電池，用石油焦作負(fù)極，鋰鈷為正極。之后，研究員AkiraYoshino和索尼的研究員一起，在1991年，利用這種鋰離子電池，生產(chǎn)出了全球首臺(tái)商業(yè)鋰離子電池。目前，鋰離子電池正逐步進(jìn)入我們的生活，并在不斷地被更新。當(dāng)前，能源密度和一次產(chǎn)物能等幾個(gè)主要指標(biāo)都與日本和美國的生產(chǎn)水平相關(guān)。而在90年代以后，鋰離子電池的研究取得了長足的進(jìn)步。鋰離子電池在休閑娛樂，通訊，運(yùn)輸，航空航天等方面扮演著非常重要的角色。本項(xiàng)目的研究成果可為國家能源開發(fā)提供重要的信息、技術(shù)和知識(shí)儲(chǔ)備，提高國家在國際競爭中的話語權(quán)，并對國家的能源發(fā)展起到積極的作用。能源安全，環(huán)境保護(hù)，民生福祉，都是非常重要的。

2.2熱失控發(fā)生階段及誘因蓄電池的散熱一般是由正極表面SEI膜的破損開始，隨后隔膜斷裂、融化，使得電極與電解質(zhì)形成負(fù)電極。這時(shí)，正極與電解質(zhì)發(fā)生破裂，造成大范圍的短路，導(dǎo)致電解。這種液態(tài)物質(zhì)會(huì)被引燃，并蔓延至蓄電池的其它部位，造成大量熱量釋放，從而引發(fā)整塊蓄電池起火。該理論將熱失控分為三個(gè)階段：自燃階段（50℃至140℃）、熱失控階段（140℃至850℃）和熱失控終止階段（850℃至室溫）。一些文章給出了膜的尺寸。熔化溫度范圍為140°C。(1)自生熱階段：SEI薄膜在稱為“高溫升溫”的過程中發(fā)生了溶解。在90℃左右，SEI薄膜中出現(xiàn)了明顯的裂紋。當(dāng)SEI膜被破壞時(shí)，正負(fù)極中的鋰碳組分直接暴露于電解質(zhì)中。鋰中的CO與電解質(zhì)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，釋放出大量的熱能，讓它的溫度迅速上升。溫度的提高可能對SEI膜造成更大的損傷。在不使用外加的制冷設(shè)備的情況下，這個(gè)過程會(huì)繼續(xù)進(jìn)行，直到SEI薄膜被完全溶解。(2)熱失控期：在140℃以上的高溫下，正、負(fù)極將出現(xiàn)電化學(xué)熔化現(xiàn)象。反應(yīng)物的質(zhì)量越高，溫度就越快。在此溫度下，絕緣層大部分融化，正、負(fù)極直接熔化，造成大范圍的短路。熱漏泄發(fā)生了。強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)可以在很短的時(shí)間里制造出很多石油和熱。這些熱能將使空氣升溫。當(dāng)石油從電池殼中擴(kuò)散時(shí)，就會(huì)釋放出信息，然后這些信息就會(huì)散發(fā)出熱量。在最大程度上釋放熱量。這一階段的最高氣溫也是最高的。(3)消除熱失控階段：為了解決熱失控問題，需要進(jìn)行一系列不會(huì)馬上完成的復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)發(fā)生熱失控時(shí)，該反應(yīng)不會(huì)徹底完成，直至所有的反應(yīng)劑都被充分引燃。大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對于鋰電池等高性能材料而言，其熱傳遞速率很慢，難以破壞其內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)鏈條。所以，當(dāng)消防隊(duì)員抵達(dá)火場時(shí)，一定要十分謹(jǐn)慎，以免暴露于有可能引起或加劇化學(xué)變化的化學(xué)物質(zhì)。面對這樣的威脅，消防隊(duì)員必須采取行動(dòng)以避免可能發(fā)生的危險(xiǎn)。但是，消防隊(duì)員們在撲滅火災(zāi)時(shí)依然處于高度危險(xiǎn)之中。他們所能做的只是盡量把火場同外面的世界隔絕開來，把更多的損失和危險(xiǎn)降到最低。在此基礎(chǔ)上，提出了一種新的控制方法——熱失控。滅火期間，消防隊(duì)員要準(zhǔn)確掌握火源，避免火災(zāi)擴(kuò)散到周邊區(qū)域，并隨時(shí)監(jiān)控火災(zāi)發(fā)展情況，及時(shí)作出反應(yīng)。2.3鋰離子電池?zé)崾Э啬Ｐ偷墓ぷ髟礓囯x子電池的耗損模式是基于這樣一種觀點(diǎn)，即：在電池的內(nèi)部發(fā)電能力大于其散發(fā)出的熱量時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生更多的熱量，從而引發(fā)化學(xué)反應(yīng)，從而使電池內(nèi)部產(chǎn)生熱量。蓄電池的溫度上升，造成蓄電池的熱量損失。具體而言，鋰離子電池的熱放電過程涉及如下內(nèi)容：(1)內(nèi)短路或外熱：在蓄電池的溫升超出其安全限值時(shí)，就有可能出現(xiàn)內(nèi)短路或外熱現(xiàn)象。短路造成的電流不能正常流通，而外在的熱，是由于電池與空氣接觸后，熱迅速流失。這兩種條件均可使蓄電池的溫度上升，從而造成熱放電。(2)SEI膜去離子：SEI膜是一種介于電解液與粘合劑之間的膜，它存在于鋰離子電池的正電極上。在高溫下，鋰離子會(huì)在石墨層內(nèi)沉積，形成新的結(jié)構(gòu)，即SEI膜的分解。在此基礎(chǔ)上，提出了一種新的制備方法，即以鋰離子為電解液，以提高電池的散熱效率。(3)正、負(fù)極材料的裂解：正、負(fù)極材料在高溫條件下會(huì)發(fā)生裂解、轉(zhuǎn)變，形成石墨、鋰鈷等其它組分。同時(shí)，這種物質(zhì)在分解過程中還會(huì)散發(fā)出大量的熱能，從而提高了電池的總熱容。(4)電解質(zhì)的分解與氧化：在較高的溫度下，電解質(zhì)分解為氣態(tài)，放出熱量。這一部分的熱也能被氧化，也就是電解質(zhì)的進(jìn)一步分解。電解質(zhì)的分解與氧化均會(huì)釋放出較大的熱能，增大了電池?zé)釗p耗的危險(xiǎn)。(5)隔板的熔融或收縮：隔板在較高的溫度下會(huì)發(fā)生熔融或收縮。若膜片融化，則正、負(fù)電極間的接觸將不穩(wěn)定；相反，若膜片縮小，則正、負(fù)極間也將失去連結(jié)，造成短路。這樣的短路不但會(huì)發(fā)熱，而且會(huì)使得狀況變得更糟，并且會(huì)加重漏熱的進(jìn)程。(6)產(chǎn)氣及壓強(qiáng)：在漏熱時(shí)，因單元內(nèi)的壓力增加而有許多氣體生成。這些氣體占據(jù)了原來用來支承蓄電池的空間，從而增加了蓄電池的容量。在高壓下，電池的整體結(jié)構(gòu)將被破壞，甚至發(fā)生爆裂等危險(xiǎn)事故。在此基礎(chǔ)上，建立了鋰離子動(dòng)力電池散熱模型，并對其進(jìn)行了數(shù)值模擬。隨后，建立了一種單電池的數(shù)學(xué)模型，并著重分析了電池在不同時(shí)間內(nèi)的溫度變化情況。本項(xiàng)目的研究成果將有助于深入認(rèn)識(shí)鋰離子動(dòng)力電池的熱放大規(guī)律，為鋰離子動(dòng)力電池的安全設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供理論依據(jù)。在此基礎(chǔ)上，提出了一種基于電池各部件間交互作用的數(shù)學(xué)模型。了解并掌握該過程，是保證電池安全性、改善其性能的關(guān)鍵?；趕imulink的電池?zé)崾Э啬Ｐ偷臉?gòu)建及結(jié)果分析3.1電池?zé)崾Э啬Ｐ偷慕⑴c仿真3.1.1模型構(gòu)建概述隨著電動(dòng)汽車和便攜式電子設(shè)備在日常生活中的廣泛普及，鋰離子電池的安全性逐漸引起社會(huì)各界的關(guān)注。熱失控作為一種嚴(yán)重的安全隱患，已成為電池技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。為了分析熱失控的內(nèi)部機(jī)制并探索有效的對策，本章將基于上一節(jié)詳述的輸入?yún)?shù)和變量建立全面詳細(xì)的電池?zé)崾Э啬Ｐ汀Ｍㄟ^仿真分析，研究不同環(huán)境下熱失控的動(dòng)態(tài)演化過程及影響其的主要因素，為提高電池安全性能提供有力的理論支持和實(shí)踐指導(dǎo)。在建立鋰離子電池?zé)崾Э氐臄?shù)學(xué)模型時(shí)，必須先研究其物理性質(zhì)及熱性質(zhì)。通過提供的詳細(xì)參數(shù)，包括電池的三維尺寸（高度、寬度、厚度）、密度、比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)，我們可以準(zhǔn)確地表征電池在熱失控過程中的傳熱和能量積累。同時(shí)，通過整合環(huán)境傳熱系數(shù)，該模型還可以有效模擬電池與外部環(huán)境之間的熱能交換過程。為了更真實(shí)地再現(xiàn)電池?zé)崾Э氐膹?fù)雜性，我們還引入了兩個(gè)主要參數(shù)：濫用反應(yīng)的熱值和反應(yīng)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。這些參數(shù)對于準(zhǔn)確預(yù)測極端環(huán)境下的電池性能發(fā)揮著重要作用。特別是當(dāng)電池內(nèi)部溫度上升到某個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)，濫用反應(yīng)就會(huì)被激活，從而釋放出大量的熱量，導(dǎo)致電池溫度急劇上升，加速熱量釋放過程。通過將這些關(guān)鍵因素納入模型中，我們可以更好地理解和預(yù)測電池不受控制的熱行為。設(shè)置模擬濫用條件，例如外部加熱、過度充電、短路等，以觸發(fā)不受控制的電池?zé)犴憫?yīng)。最后，在Simulink中運(yùn)行模型，觀察濫用條件下的電池?zé)崾Э剡^程。如圖3-1所示，這是一個(gè)熱失控復(fù)合模型。該圖是電池?zé)岷谋M模擬的流程圖，詳細(xì)描述了電池在不同溫度下的行為和參數(shù)變化。從圖中可以看出，電池主要由電極、電解液和外殼等幾部分組成，電流由外部電源調(diào)節(jié)控制。流程圖中標(biāo)出了幾個(gè)重要的量和參數(shù)，如電壓(V)、電流(I)和功率(P)，以及與這些量相關(guān)的溫度(T)、壓力(P)和時(shí)間(t)。這些參數(shù)的變化是理解和分析電池?zé)岷谋M過程的關(guān)鍵。此外，該圖表還包含許多用于模擬電池性能的工具包和功能，如用于繪制熱量（Qw）圖的"PlotQw"、用于在模擬中求解數(shù)學(xué)方程的"Solver"、用于設(shè)置模擬參數(shù)的"Configuration"等。通過這些工具包和功能，研究人員可以輕松模擬和分析電池的熱放電過程。該流程圖遵循一定的步驟，首先定義模擬熱放電的參數(shù)，然后繪制電池溫度和反應(yīng)速率圖，最后使用SimscapeResultsExplorer工具檢查模擬結(jié)果。這些步驟共同構(gòu)成了一個(gè)完整的電池?zé)岷谋M模擬流程，有助于深入了解熱耗盡的機(jī)理和特征。此外，圖中還顯示了一些關(guān)鍵變量和參數(shù)，如環(huán)境溫度、質(zhì)量熱容量和"ThK"（熱導(dǎo)率）。這些參數(shù)在模擬過程中起著關(guān)鍵作用，其準(zhǔn)確設(shè)置對模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。圖3-1電池?zé)崾Э啬Ｐ?.1.2模型設(shè)置與初始條件在進(jìn)行模擬之前，我們需要為模型建立合理的初始條件。根據(jù)給定的初始溫度向量，我們?yōu)槊總€(gè)電池設(shè)置相同的初始溫度，即環(huán)境溫度（300K）。此外，基于熱失控模型將加熱功率應(yīng)用于特定電池單元，以模擬實(shí)際情況中可能存在的局部熱源或外部加熱條件。需要注意的是，我們在模擬中還設(shè)置了一個(gè)臨界溫度閾值，當(dāng)電芯溫度超過這個(gè)閾值時(shí)，加熱就會(huì)立即停止。這些設(shè)置旨在模擬實(shí)際應(yīng)用中使用的安全保護(hù)措施，以防止電池過熱導(dǎo)致的熱失控。該模型根據(jù)設(shè)計(jì)測量電池發(fā)熱、電池之間的熱流以及隨后的電池溫升。為了根據(jù)熱量計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算電池?zé)崾Э氐臑E用熱量，進(jìn)行了模擬以評估當(dāng)只有一顆電池被濫用時(shí)進(jìn)入失控模式的電池?cái)?shù)量。熱量計(jì)數(shù)據(jù)用于記錄溫度矢量并計(jì)算一系列溫度點(diǎn)和相應(yīng)的溫度變化率。反應(yīng)參數(shù)指定濫用反應(yīng)期間產(chǎn)生的熱量，以焦耳每千克(J/kg)為單位，并設(shè)置為600J/kg。參與濫用反應(yīng)的物質(zhì)的質(zhì)量占電池總質(zhì)量的比例設(shè)置為0.5。圖3-2模型初期變量搭建關(guān)系圖如圖3-2介紹了一種基于Simulink的鋰離子電池?zé)釗p耗計(jì)算方法，并對其進(jìn)行了仿真研究。此模型由蓄電池組件和加熱組件組成，兩者間的熱量交換關(guān)系與電池組內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)過程緊密相關(guān)。蓄電池組件和加熱組件是構(gòu)成該機(jī)型的基礎(chǔ)部件。單元單元是所研究的單元，單元單元中的內(nèi)化學(xué)反應(yīng)速度與溫度是單元單元所關(guān)注的兩個(gè)重要參數(shù)。為了更加精確地仿真電池在受熱時(shí)的熱性能，我們在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了電池組的熱容等熱學(xué)性能。另外，加熱器模組還負(fù)責(zé)將熱能供應(yīng)給蓄電池。根據(jù)模型中的功能關(guān)系，加熱器的輸出可以根據(jù)電池的反應(yīng)速率或溫度進(jìn)行調(diào)整。這種動(dòng)態(tài)功率調(diào)整機(jī)制使模型能夠更真實(shí)地模擬現(xiàn)實(shí)場景中的加熱過程，并更好地預(yù)測電池?zé)岷谋M的風(fēng)險(xiǎn)。熱量通過特定路徑在電池和加熱器之間傳遞。在此過程中，模型會(huì)考慮電池內(nèi)部的熱量分布和傳遞以及可能的熱量損失。通過對上述傳熱過程的準(zhǔn)確建模，可以更精確地預(yù)測電池的溫升和失效風(fēng)險(xiǎn)。利用Simulink建立的熱失控?cái)?shù)學(xué)模型，為研究人員提供了一種有效的仿真分析手段。本項(xiàng)目將從理論和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面對這一問題進(jìn)行系統(tǒng)的研究，以期加深對鋰離子電池能量損耗機(jī)制的認(rèn)識(shí)，為其實(shí)用化提供理論依據(jù)。模型中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)包括：電池模塊：作為模型的核心部分，電池是從內(nèi)部加熱的。該模塊密切關(guān)注電池內(nèi)部發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)度和溫度變化，這些參數(shù)對整個(gè)模型至關(guān)重要。在分析過程中，電池模塊可以仔細(xì)考慮電池的熱容量特性，還可以加入其他熱相關(guān)特性，以更準(zhǔn)確地模擬電池工作時(shí)發(fā)生的復(fù)雜熱傳導(dǎo)和對流現(xiàn)象。有了這些全面的考慮，電池模塊可以為研究人員提供全面、準(zhǔn)確的電池性能評估工具，從而優(yōu)化電池設(shè)計(jì)，提高電池效率，最終將電池技術(shù)提升到一個(gè)新的水平。加熱模組：為蓄電池供應(yīng)熱能?？梢园凑铡癏eaterPower=f(ExtentReaction)”與“HeaterPower=f(T)”的函數(shù)關(guān)系來調(diào)節(jié)加熱器的功率，這取決于電池的響應(yīng)度或溫度。加熱器模塊也可以包含一個(gè)“PlotQw”函數(shù)，它可以用來對加熱器的發(fā)熱情況進(jìn)行繪圖。

熱轉(zhuǎn)移：通過“HeaterPowerToCell”的方式，將熱轉(zhuǎn)移到蓄電池與熱水器之間。同時(shí)，該模型也充分考慮了電池組中的熱量分配與傳輸，并考慮了電池組中的散熱問題。

參數(shù)及變數(shù)：該模式中以“ThK”表示導(dǎo)熱系數(shù)，用以表征單元與加熱器間的熱傳輸效能。其它諸如“mCp”等與電池的熱性能相關(guān)的參數(shù)。

該模型的工作過程可以總結(jié)為：加熱器按預(yù)先設(shè)定的功能給蓄電池供電；根據(jù)所收到的熱量及其在它里面的反應(yīng)度來對所述電池進(jìn)行加熱；通過監(jiān)測電池內(nèi)部的溫度及反應(yīng)程度，可以對電池的熱行為進(jìn)行分析，從而對可能出現(xiàn)的熱失控現(xiàn)象進(jìn)行預(yù)測。3.1.3電池模塊參數(shù)設(shè)置（1）在電池模塊中，相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下：首先，將電池模塊中的電池?cái)?shù)量設(shè)置為8節(jié)，使用更多的電池使結(jié)果更加具有普遍性，寬度為0.2米，厚度為0.02米，更準(zhǔn)確地說電池的密度為900個(gè)；單位為千克每立方米；電池與環(huán)境之間的傳熱系數(shù)設(shè)置為10，單位為瓦特每平方米開爾文（W/m2·K）。電池的面內(nèi)熱導(dǎo)率設(shè)置為0.5瓦特每米開爾文(W/m·K)。電池的初始溫度，設(shè)置為300K，與初始溫度相同。電池與環(huán)境之間的傳熱系數(shù)，通常稱為環(huán)境傳熱系數(shù)或其他傳熱系數(shù)，是用來描述電池表面與外部環(huán)境之間熱交換效率的重要因素。該系數(shù)受多種因素影響，包括但不限于細(xì)胞形狀、材料、介質(zhì)速度、水流量和溫度。在電池?zé)崮Ｐ椭?，環(huán)境溫度傳遞系數(shù)通常用于考慮通過對流和輻射從電池表面到環(huán)境的熱損失。對流是由于溫差引起的流體運(yùn)動(dòng)，而電則以電磁波的形式傳輸熱量。這兩種方式共同作用，完成電池與周圍環(huán)境的熱交換。電池的平面導(dǎo)熱系數(shù)是指電池在平面方向（即等于煤氣燈正負(fù)極方向）傳導(dǎo)熱量的能力。該指標(biāo)是電池?zé)嵝阅艿闹匾笜?biāo)。這一措施決定了電池在工作時(shí)是否能夠?qū)崃繌膬?nèi)部產(chǎn)生到電池表面，然后通過散熱系統(tǒng)散發(fā)出去，從而保證安全。場內(nèi)熱導(dǎo)率的大小取決于電池的成分和結(jié)構(gòu)。一般來說，正負(fù)極、電解液和電池絕緣都會(huì)影響導(dǎo)熱系數(shù)。例如金屬電極（如銅、鋁等）導(dǎo)熱性好，因此電極的導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)比較高。電解質(zhì)和隔膜的導(dǎo)熱性較差，可能成為電力傳輸?shù)恼系K。（2）電池間隙參數(shù)設(shè)置：相鄰兩個(gè)電池之間的間隙長度，單位為米（m），初始化為零向量；相鄰兩個(gè)電池之間材料的熱質(zhì)量，單位為焦耳每開爾文（J/K），初始化為零向量；相鄰兩個(gè)電池之間材料的熱導(dǎo)率，單位為瓦特每米開爾文（W/m·K），初始化為零向量。（3）控制參數(shù)：施加到每個(gè)電池上的加熱器功率，單位為瓦特（W），設(shè)置初始化為零向量，第一個(gè)電池的加熱器功率被設(shè)置為500W。溫度閾值為當(dāng)任何一個(gè)電池的溫度超過此設(shè)定值時(shí)，加熱器將停止工作，單位為開爾文（K），設(shè)置為443K。電池反應(yīng)和相變后熱導(dǎo)率的變化比例，初始化為一單位向量。電池反應(yīng)和相變后熱質(zhì)量的變化比例，初始化為一單位向量。這些參數(shù)和輸入變量共同構(gòu)成了電池?zé)崾Э啬Ｐ偷幕A(chǔ)，用于精確模擬電池在不同條件下的熱失控行為。3.2電池?zé)崾Э啬Ｐ偷倪\(yùn)行和結(jié)果分析3.2.1利用Simulink運(yùn)行模型利用Simulink軟件建立了新的建模模型。利用SIMULINK中的庫模塊（如電阻，電容，電感，電源等），建立了一個(gè)簡單的電池電路模型。在此基礎(chǔ)上，加入熱阻、熱容等模塊，對電池的熱性能進(jìn)行仿真。增加所需的感應(yīng)器及控制裝置，以監(jiān)控及控制電瓶的狀況。將采集到的物理、電化學(xué)及熱學(xué)參數(shù)設(shè)定在Simulink仿真軟件中。設(shè)置電池初始狀態(tài)，如初始SOC，溫度等.在此基礎(chǔ)上，采用過充、外加加熱、內(nèi)短路等多種極端情況，對熱失控進(jìn)行仿真。設(shè)定模擬時(shí)間與步驟來捕捉熱失控的動(dòng)力學(xué)特性。在此基礎(chǔ)上，對電池進(jìn)行了模擬，并對其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。然后，在Simulink模式窗口中單擊“開始仿真”按鈕，或者其他相似的選擇，以初始化模擬。通過Simulink仿真，對不同工況下的鋰離子電池進(jìn)行仿真，分析其在不同工況下的動(dòng)態(tài)特性。在模擬運(yùn)行期間，利用Simulink中的示波儀等可視化儀器，對電池的電壓，電流，溫度，SOC等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。為研究電池運(yùn)行過程中各階段的運(yùn)行狀況及安全性提供了依據(jù)。模擬結(jié)束時(shí)，停止模擬并將結(jié)果保存。Simulink一般會(huì)把模擬的結(jié)果存入工作空間，以供以后的分析與處理。3.2.2模型運(yùn)行結(jié)果分析·（1）模擬過程：初始化：所有單元的溫度設(shè)置為300K。在開始模擬之前，我們初始化系統(tǒng)。這涉及將所有單元的溫度設(shè)置為300K，確保每個(gè)單元處于相同的初始狀態(tài)。此外，我們還初始化了其他電池參數(shù)，如電池的尺寸、密度、比熱容等，這些都是模擬過程中重要的物理特性。加熱：給第1節(jié)電池供電500瓦。在模擬啟動(dòng)的時(shí)候，首先要有500瓦的熱動(dòng)力。熱水器的能量是不變的，也就是說，在預(yù)熱期間，第一個(gè)單元會(huì)一直接受500瓦的能量。這種加熱方法是為了模擬真實(shí)生活中的電池過熱，比如在充放電時(shí)，將電能積聚起來。熱傳導(dǎo)：當(dāng)?shù)谝粋€(gè)細(xì)胞的溫度上升時(shí)，熱就會(huì)在細(xì)胞和外界的熱量交換中轉(zhuǎn)移。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)細(xì)胞的溫度上升時(shí)，熱就會(huì)在細(xì)胞和外界的熱量交換中轉(zhuǎn)移。這是一個(gè)包含了熱流分配的動(dòng)力學(xué)過程。熱不但在細(xì)胞間轉(zhuǎn)移，而且也經(jīng)由細(xì)胞的表面與外界進(jìn)行交流。這一過程的數(shù)值計(jì)算對電池內(nèi)部溫度場的分布及散熱有很大的影響。監(jiān)測及停機(jī)狀態(tài)：仿真期間，對各蓄電池進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。本機(jī)在443K以上時(shí)，自動(dòng)停機(jī)。這種停機(jī)狀態(tài)可以避免蓄電池過熱，從而引起諸如熱量流失或火災(zāi)之類的安全隱患。通過設(shè)定臨界值，可以保證模擬過程在受控的狀態(tài)下安全地進(jìn)行。在此情況下，我們也可以觀測到電池在不同的溫度下的表現(xiàn)，從而可以更好的理解電池的熱學(xué)特性。（2）模擬結(jié)果：圖3-3模型運(yùn)行結(jié)果如上圖3-3所示為電池?zé)崾Э啬Ｐ偷倪\(yùn)行結(jié)果，從圖中可以看出：溫度隨時(shí)間變化曲線：該曲線展示了電池溫度隨時(shí)間的增長情況。在一開始的時(shí)候，溫度上升比較緩慢，可能是因?yàn)榧訜崞鲃傞_始工作的緣故，熱量也隨之不斷積累。隨著時(shí)間延長，溫度曲線的坡度逐漸增大，說明溫度升高的速率也在增加，這可能是由于細(xì)胞內(nèi)的熱反應(yīng)開始加速，放出了更多的熱。值得注意的是，圖中溫度未達(dá)到設(shè)定的停止加熱器工作的閾值（443K），這可能意味著在當(dāng)前模擬條件下，電池雖然經(jīng)歷了顯著的溫度上升，但尚未達(dá)到熱失控的臨界點(diǎn)。響應(yīng)度與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系：該曲線描述了細(xì)胞內(nèi)隨著時(shí)間的推移，在多大程度上發(fā)生了變化。如圖表所示，反應(yīng)度隨著時(shí)間的延長而增大，正如所預(yù)料的那樣，當(dāng)溫度升高時(shí)，細(xì)胞內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)會(huì)變得更有活性。值得注意的是，反應(yīng)程度的增加速率與溫度上升速率之間似乎存在一定的相關(guān)性。這暗示著溫度上升可能是導(dǎo)致反應(yīng)程度增加的關(guān)鍵因素。加熱器功率隨時(shí)間變化曲線：該曲線展示了加熱器功率隨時(shí)間的變化情況。根據(jù)圖表信息，加熱器功率在開始階段保持在較高水平（可能是500W），然后迅速下降至零。這種變化表明，當(dāng)電池溫度達(dá)到某一水平時(shí)，模擬中的控制機(jī)制已經(jīng)觸發(fā)了加熱器停止工作的條件，以防止電池進(jìn)一步過熱。綜合以上分析，我們可以得出以下結(jié)論：在當(dāng)前模擬條件下，電池經(jīng)歷了顯著的溫度上升和反應(yīng)程度增加，但尚未達(dá)到熱失控的臨界點(diǎn)。加熱器功率的及時(shí)調(diào)整有助于防止電池進(jìn)一步過熱，從而減少了熱失控的風(fēng)險(xiǎn)。該模擬結(jié)果提供了關(guān)于電池?zé)嵝袨榈挠袃r(jià)值信息，可以用于評估電池在不同條件下的安全性，并優(yōu)化電池設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)。3.3小結(jié)本項(xiàng)目在建立熱失控模型的基礎(chǔ)上，將各單體的起始溫度設(shè)置在300K左右，以模擬實(shí)際應(yīng)用時(shí)的實(shí)際工作溫度。在此基礎(chǔ)上，將最大功率輸出至500W，以更精確的方式觀測并記錄下電池內(nèi)溫度的動(dòng)態(tài)變化。隨著加熱功率的逐漸增加，第一塊電池的溫度開始迅速上升。在這個(gè)過程中，熱的轉(zhuǎn)移主要是通過空氣導(dǎo)熱、電池間的直接接觸和與外界的換熱來實(shí)現(xiàn)的。這些熱傳導(dǎo)過程不僅有助于我們了解電池的熱反應(yīng)機(jī)制，還有助于我們評估電池的熱穩(wěn)定性和潛在的熱衰竭風(fēng)險(xiǎn)。值得注意的是，在實(shí)驗(yàn)過程中，即使電池溫度達(dá)到了預(yù)設(shè)的443K臨界值，電池也沒有出現(xiàn)熱耗竭現(xiàn)象，而根據(jù)預(yù)設(shè)設(shè)置，加熱器本應(yīng)在此時(shí)停止工作。這一觀察結(jié)果表明，在當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)條件下，電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)雖然受到一定程度的刺激，但仍處于受控狀態(tài)，遠(yuǎn)未達(dá)到引發(fā)災(zāi)難性熱耗竭的臨界點(diǎn)。然而，隨著時(shí)間的推移和溫度的升高，我們可以觀察到電池內(nèi)部的反應(yīng)程度逐漸增加。這是由于提高了溫度可以加速電池內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)溫度升高時(shí)，細(xì)胞中的化學(xué)成分就會(huì)發(fā)生更大的分裂與復(fù)合，這將會(huì)使反應(yīng)更加活躍。因此，我們預(yù)計(jì)電池的溫度在未來幾小時(shí)內(nèi)將繼續(xù)上升，并可能逐漸接近或達(dá)到熱耗盡極限。為了更準(zhǔn)確地研究電池在極端條件下的性能，我們在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中采取了謹(jǐn)慎的預(yù)防措施。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，我們采用大功率加熱的方式使電池溫度迅速升高。然后，隨著溫度的逐漸升高，我們逐漸降低加熱功率，直到最后停止加熱，以清楚地觀察電池自然熱耗盡的完整過程。這一精密的能量調(diào)控，不但可以確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確可靠，而且可以幫助我們了解損耗的機(jī)制與規(guī)律。通過本項(xiàng)目的研究，可以更深入地了解鋰離子電池的熱行為。通過精確控制實(shí)驗(yàn)條件和仔細(xì)觀察電池反應(yīng)，我們能夠更好地評估電池的熱穩(wěn)定性和安全性，為未來電池的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供有力支持。結(jié)論本研究通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M電池的熱失控過程，以深入了解電池在過熱條件下的行為特征，評估電池的安全性，并為電池的設(shè)計(jì)和使用提供科學(xué)指導(dǎo)。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)的初始化階段將所有電池的溫度設(shè)定為300K，以確保實(shí)驗(yàn)的一致性和可比性。隨后，對第一塊電池施加500W的恒定加熱功率，以模擬電池在實(shí)際使用中可能遇到的過熱情況。隨著加熱的持續(xù)，電池之間以及電池與環(huán)境之間開始發(fā)生熱傳遞。隨著每個(gè)電池溫度的變化，這一過程也受到實(shí)時(shí)監(jiān)控。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種新型的溫控裝置，使之在443K以上時(shí)能自動(dòng)停機(jī)。該試驗(yàn)不但可以對電池的散熱過程進(jìn)行仿真，而且可以對電池的熱特性進(jìn)行研究。研究結(jié)果可為鋰離子動(dòng)力電池在各種工況下的安全性能評價(jià)提供依據(jù)，并對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)與控制。通過本項(xiàng)目的研究，可以加深對鋰離子電池過熱行為的認(rèn)識(shí)，為鋰離子電池的研發(fā)與應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。同時(shí)，本項(xiàng)目也將為鋰離子電池安全問題的研究提供一種新思路、新方法。通過仿真試驗(yàn)，我們可以在一個(gè)較為安全的條件下，對鋰離子電池進(jìn)行熱放大過程進(jìn)行研究。在最后，對鋰離子電池在不同溫度下的熱釋放過程進(jìn)行了仿真，得到了一些關(guān)鍵參數(shù)。本項(xiàng)目的研究成果不但可以加深對鋰離子二次電池?zé)釋W(xué)性質(zhì)的認(rèn)識(shí)，而且可以為鋰離子電池的研發(fā)與實(shí)際應(yīng)用提供理論依據(jù)。在此基礎(chǔ)上，本項(xiàng)目擬在前期工作基礎(chǔ)上，對實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行優(yōu)化，并對其它影響因素進(jìn)行研究。同時(shí)，本項(xiàng)目也將致力于探索和利用新材料來提升電池的安全性能。我們堅(jiān)信，在我們的不懈努力下，我們將會(huì)研發(fā)出更加安全高效的鋰離子電池，為人類的可持續(xù)發(fā)展作出自己的一份力量。參考文獻(xiàn)[1]LIUJ,DUANQ,MAM,etal.Agingmechanismsandthermalstabilityofagedcommercial18650lithiumionbatteryinducedbyslightoverchargingcycling[J].JournalofPowerSources,2020,445:227263.[2]張玲玲.過充過放和外部短路后LiCoO_2/MCMB電池長循環(huán)容量衰減機(jī)制研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué),2016.[3]韓旭.鋰離子電池過充條件性能衰減影響因素研究[D].哈爾濱理工大學(xué),2020.[4]MAON,WANGZ,CHUNGY,etal.Overchargecyclingeffectonthethermalbehavior,structure,andmaterialoflithium-ionbatteries[J].AppliedThermalEngineering,2019,163:114147.[5]QIANK,LIY,HEY,etal.Abusetolerancebehavioroflayeredoxide-basedLi-ionbatteryduringoverchargeandover-discharge[J].RSCAdvances,2016,6(80):76897-76904.[6]ZHANGL,MAY,CHENGX,etal.Degradationmechanismofover-chargedLiCoO2/mesocarbonmicrobeadsbatteryduringshallowdepthofdischargecycling[J].JournalofPowerSources,2016,329:255-261.[7]KONGD,WENR,PINGP,etal.Studyondegradationbehaviorofcommercial18650LiAlNiCoO2cellsinover‐chargeconditions[J].InternationalJournalofEnergyResearch,2018,43(1):552-567.[8]LIUJ,DUANQ,FENGL,etal.CapacityfadingandthermalstabilityofLiNiCoMnO2/graphitebatteryafterovercharging[J].JournalofEnergyStorage,2020,29:101397[9]ZhuF.,ZhouR.,SypeckD.,etal.FailurebehaviorofprismaticLi-ionbatterycellsunderabuseloadingconditioncombinedexperimentalandcomputationalstudy[J].JournalofEnergyStorage,2022,5:48-61.[10]TangqinW.,HaodongC.,QingsongW.,etal.Comparisonanalysisonthethermalrunawayoflithium-ionbatteryundertwoheatingmodes[J].JournalofHazardousMaterials,2018,344:33-41.[11]ZhaoC.,SunJ.,WangQ..Thermalrunawayhazardsinvestigationon18650lithium-ionbatteryusingextendedvolumeacceleratingratecalorimeter[J].TheJournalofEnergyStorage,2020,28:101-132.[12]RenD.,FengX.,LuL.,etal.Overchargebehaviorsandfailuremechanismoflithium-ionbatteriesunderdifferenttestconditions[J].AppliedEnergy,2019,250:23-32.[13]LopezC.F.,JeevarajanJ.A.,MukherjeeP.P.ExperimentalAnalysisofThermalRunawayandPropagationinLithium-ionBatteryModules[J].JournalofTheElectrochemicalSociety,2015,16:58-72.[14]鄧原冰.鋰離子動(dòng)力電池?zé)崾Э丶捌漕A(yù)警機(jī)制的試驗(yàn)與仿真研究[D].華中科技大學(xué),2017.[15]高飛,楊凱,王康康,等.鋰離子電池安全預(yù)警防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證[J].電子設(shè)計(jì)程,2019,27(01):1-4.[1