IF 8.9 | UTA，USA | LIB电池大规模储运过程中热失控的传播研究

 1. 原文链接

DOI Link:

https://doi.org/10.1016/j.est.2023.108315

 2.通讯作者

• Googleshcolar

https://scholar.google.com/citations?user=u_d3LccAAAAJ&hl=en&oi=sra

• ScienceDirect: 

• UniversityWeb:

https://www.uta.edu/academics/faculty/profile?username=jaina

 3. 收录日期

Received: 21 March 2023

 4. 研究内容

1. 科学问题

• 电池在大规模储存或运输过程中热失控传播的数值模拟

2. 实验与模型方法

2.1 电池模拟样品

• 1. 结构概述：

• Fig. 1(a) 展示了两个18650锂离子电池托盘并排放置在大型存储设施中。

• 2. 托盘和电池布局：

• 每个托盘包含100个18650 NCA锂离子电池，按照10×10的阵列排列。

• 3. 模拟目标：

• 模拟的目标是理解一个托盘（称为触发托盘）在热滥用条件下的结果。

• 具体关注点是确定存储设施内的温度场，并预测热失控和火灾是否会传播到相邻的托盘。

Fig. 1. Schematic of two 0.184 m × 0.184 m × 0.069 m pallets containing 18650 Li-ion battery packs kept in a storage facility showing overall simulation geometry showing the trigger and adjacent pallet. (b) Computational mesh in the XZ plane close to the top of the pallets.

2.2 控制方程

1. 滥用模型和排气气体生成

1. 反应热模型：

触发托盘的初始温度为500℃，开始分解反应。随着时间的推移，相邻的托盘经历热滥用由于燃烧的排气从触发托盘释放热量。

3. 自由流的控制方程

• 模拟中使用大涡模拟（LES）湍流模型。该模型直接计算了流动中的大尺度运动，大大降低了模拟的计算成本。

• 流场中的质量守恒、流场中的物质守恒、自由流中的动量变化和能量守恒建模

3. 混合控制燃烧模型

1. 模拟设置：

• 模拟包含两个托盘，距离为0.8米。

• 每个托盘尺寸为0.184 m × 0.184 m × 0.069 m，含100个25% SoC的18650 NCA锂离子电池，排列为10 × 10阵列，无电池间隙。

• 电池阵列包裹有2 mm厚的聚乙烯薄膜，储存室尺寸为3 m × 3 m × 5 m。

• 触发托盘距离左边界0.6 m，距离前边界0.2 m；相邻托盘与前墙的距离相似，距离右边界1.93 m。

• 所有电池和托盘材料均质化，视为单一材料。

• 材料的密度和比热容分别为2280 kg/m³和715 J/(kg·K)。

• 托盘材料的热导率在X和Y方向为0.2 W/(m·K)，在Z方向为32 W/(m·K)。

• 通过不同最大单元大小和最大时间步长进行模拟，保持一个参数不变，减少另一个参数，直到计算温度场变化不显著为止。

• Fig. 2(a) 在固定最大时间步长为0.0015 m时，温度随时间的变化，最大单元大小变化对温度场的影响。

• Fig. 2(b) 在固定最大单元大小为0.01 s时，温度随时间的变化，最大时间步长变化对温度场的影响。

• 结果：当最大单元大小为1.5 mm或更小，最大时间步长为10 ms或更小时，温度场基本保持不变。

Fig. 2. Simulation results to establish mesh and time sensitivity: Temperature vs time plot at 0.5 m height from the trigger pallet at 25% SoC for (a) different element sizes and (b) for different maximum timestep bound in adaptive time stepping. Maximum timestep for (a) is 0.01 s and element size for (b) is 0.0015 m.

3. 研究结果

3.1 验证

• 模拟结果与实验结果：

• Fig. 3 显示了实验测量的表面温度与数值模拟预测的表面温度随时间的变化，二者在热失控发生时间、温度快速上升及峰值温度方面具有较好的一致性。

• 噪声主要来源：实验的测量和数据采集噪声以及模拟模型方程的非线性）。

3.2 温度分布

1. 温度场的模拟展示：

• Fig. 4：展示了在代表性的热失控传播场景中，不同时间点几何截面内的温度场彩色图。

• 模拟条件：触发托盘与相邻托盘之间距离为0.6 m，SoC为25%。使用单步滥用反应模型和LES燃烧模型，模拟几何的墙壁和天花板与大气相通，以模拟大型储存设施中氧气浓度远高于反应物浓度的真实火灾传播情况。

• Fig. 4(a)：显示触发托盘（左侧）几乎立即起火。

• 随时间推移，热量传递至相邻托盘，使其温度升高，最终导致相邻托盘也发生热失控。

• Fig. 4(b)：显示总热释放率（HRR）与烟灰密度彩色图，以展示基于热失控和托盘材料燃烧的火灾传播。

（1）Fig. 5(a)：在触发托盘上方不同位置随时间变化的温度曲线。

1. 最高温度出现在最靠近触发托盘的位置。

2. 热失控过程中快速释放热量，导致温度急剧上升，达到峰值后，温度随着反应物的逐渐消耗而缓慢下降。

3. 温度曲线在约t = 500 s处的轻微突起与相邻托盘的燃烧有关。

（2）Fig. 5(b)：在不同时间点触发托盘上方的温度分布。

1. t = 200 s处的曲线接近触发托盘火灾的峰值，因此温度最高。

2. 随着时间推移，温度场随着反应物的消耗逐渐冷却，每个时间点，温度随着距离触发托盘的垂直距离增加而逐渐降低。

Fig. 6(a)：在相邻托盘上方不同位置随时间变化的温度曲线。

• 初期无温度上升，随后温度大幅上升，最终逐渐下降。

• 初期对应触发托盘起火而火焰未蔓延至相邻托盘的时间段。一旦相邻托盘起火，温度迅速上升，直到相邻托盘的燃烧达到峰值。

• 之后，温度场逐渐下降。

• 与触发托盘相比更为复杂，因为受到触发托盘与相邻托盘火灾时间差的影响。

• 每条曲线先上升后下降，表示火焰位置。温度在火焰处最高，在火焰上方和下方较低。

• 随着时间推移，峰值（即火焰）位置降低，对应反应物消耗后火焰逐渐熄灭。

• 值相邻托盘的表面温度几乎保持恒定，温度的轻微非单调变化是由于表面温度先升高到一定时间点，然后在反应物开始消耗后逐渐下降所致。

Fig. 4. (a) Temperature and (b) fire propagation color plots for the case of 0.6 m distance between trigger and adjacent pallets resulting in fire propagation. Cells in the trigger pallet are taken to be at 25% SoC.

Fig. 5. Temperature plots above the trigger pallet: (a) Temperature as a function of time at different heights above the trigger pallet, and (b) temperature as a function of distance above the trigger pallet at multiple times. 

Fig. 6. Temperature plots above the adjacent pallet: (a) Temperature as a function of time at different heights above the adjacent pallet, and (b) temperature as a function of distance above the adjacent pallet at multiple times. 

3.3 SOC的影响

• 1. 单个托盘的热释放率随SoC变化：

Fig. 7：展示了不同SoC条件下单个托盘在热失控过程中热释放率随时间的变化。

• 结果显示：SoC越高，热释放率越大，主要由于高SoC下的能量含量更高。

• 这种更大的热释放率意味着热失控的起始速度更快，温度上升幅度更大。

• 2. 触发托盘温度分布随SoC变化：

Fig. 8(a)：在t = 400 s时，不同SoC下的温度彩色图。


• 100% SoC情况下的热失控更快速且更剧烈，并且出现了热失控向相邻托盘传播的现象。

Fig. 8(b)：展示了不同SoC下，触发托盘上方1.0 m处的温度随时间的变化。

• 显示出100% SoC的热失控速度更快，传播更加剧烈。

Fig. 7. Total heat release rate plot as a function of time for trigger pallet undergoing thermal runaway at different SoC.

Fig. 8. (a) Temperature propagation color plots for the case of 0.8 m distance between trigger and adjacent pallet at different states of charge at 400 s and (b) Temperature as a function of SoC at 1.0 m height above trigger pallet.

3.4 托盘间隙对热失控传播的影响

1. 托盘间隙的重要性：

• 在电池存储和运输中，为提高包装密度，通常会将电池托盘尽可能紧凑地堆放。但间隙过小可能会增加相邻托盘间的热传递，从而提高从触发托盘传播到相邻托盘的热失控风险。

• 与Fig. 4中的0.6 m基线间隙相比，较大的0.8 m间隙使火灾仅限于触发托盘，不会传播到相邻托盘。

• 这表明托盘间隙对存储设施中火灾的特性具有关键影响。

• Fig. 9：展示了在25% SoC条件下，触发托盘与相邻托盘之间间隙为0.8 m时的温度和火灾彩色图。

• 结果表明：当间隙较小时，热失控很快传播至相邻托盘，导致温度快速上升。

• 随着间隙增大，热失控的传播仍会发生，但传播的时间延迟增加。

• 达到临界间隙值后，系统的热失控传播特性发生显著变化，间隙超过临界值时，热失控不再传播，仅会引起相邻托盘轻微的温度升高，但不足以维持热失控。

• 为量化托盘间隙对热失控传播的影响，进行了多组不同间隙值的模拟，保持其他参数不变。

• Fig. 10：展示了相邻托盘表面温度随时间的变化曲线，不同曲线对应不同的托盘间隙值。

• 随着间隙增大，曲线逐渐下降，表明传播时间逐渐增加，直到达到临界间隙值。

• 超过临界值后，曲线陡然降至零，表明间隙大于临界值时热失控不再传播。

• Fig. 11：展示了热失控传播时间（tProp）随托盘间隙变化的曲线，y轴表示传播时间的倒数。

• 托盘间隙必须大于此临界间隙，以防止热失控的传播。如果存储设施的当前设计接近模拟预测的临界值，应适当增大间隙以提高安全性。

• 存在一个明显的临界间隙值对锂离子电池大规模存储和运输系统的设计具有重要意义。

• Fig. 9和Fig. 10中的临界间隙值是基于当前模拟中假设的电池化学、托盘尺寸和其他参数值的。若托盘的能量密度增大，临界间隙可能也会增大，因此需要更大的托盘间隙。

Fig. 9. Peak temperature at the top surface of the adjacent pallet as a function of time for different values of distance between trigger and adjacent pallets. Cells in the trigger pallet are taken to be at 25% SoC.

3.5 SoC对热失控传播的影响

1. 传播现象分析：

Fig. 12：展示了不同SoC条件下，相邻托盘表面温度随时间的变化曲线。


1. 结果表明：在100% SoC条件下，热失控和火灾从触发托盘传播到相邻托盘。

2. 而在50%和25% SoC条件下，尽管触发托盘经历了热失控，但火灾并未传播到相邻托盘。

2. 实际应用中的重要启示：

• 研究结果提供了一个重要的实际见解：设计大规模存储和/或运输中的电池SoC时，应考虑SoC对热失控传播的影响。

• 控制SoC可以在一定程度上减少热失控和火灾传播的风险，从而提高存储设施的安全性。

Fig. 12. Temperature at the surface of adjacent pallet as a function of time at three different SoCs for NCA cell chemistry.

3.6 热传递机制

1. 研究目标：

• 解辐射和对流热传递在触发托盘整体热释放率中的相对重要性。

• 随着温度升高，辐射热传递往往会变得更加占主导地位。

• 针对0.8 mm托盘间距、25% SoC的基准案例，计算了来自托盘电池的辐射和对流热传递成分。

Fig. 13：展示了辐射和对流热传递随时间的变化情况。

1. 结果显示，在触发托盘的热释放中，辐射热传递是主要机制，尤其是在热失控开始时托盘温度较高的时候。

2. 随着温度在冷却阶段下降，辐射和对流的热释放率均有所下降。

3. 其中，辐射热释放率的衰减速度更快，与预期一致。

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