CAT蓄电池磷酸铁锂电池热失控下扩展包力的数值研究
来源：
卡特蓄电池 发布时间：2026-03-27 10:40:06 点击： 次
图文摘要
本研究通过计算内部压力模拟热失控过程中扩展包的演变，从而预测热失控条件下的阀门开启时间。
引言
锂离子电池（LIBs）的大规模部署与持续发展得益于其安全性提升、成本效益及长循环寿命等优势，使其在电网调频与可再生能源并网等规模化应用中得以广泛应用[1][2]。然而安全问题仍是制约因素：在机械损伤、过充或热冲击等滥用条件下，可能引发热失控（TR）现象，表现为不可控的自持续放热链式反应，最终导致起火或爆炸[3][4][5]。为实现对热失控（TR）初期的及时干预并防止其升级，必须为锂离子电池（LIBs）建立稳健的早期预警系统，其中基于参数的预警方法是当前的主流策略[6][7][8]。例如，温度和燃料费（gas）指标被广泛采用，因为产热和产气是热失控的典型特征[9][10]。然而，温度检测不仅受环境温度影响，由于传热过程的存在，电池表面温度与内部温度之间还存在一定的滞后性[11]。燃料费指标具有高灵敏度，能直接反映内部反应，可在安全阀泄压数秒内完成检测[12][13][14]。电化学参数虽能指示早期内部异常，但需专用装备且受荷电状态（SOC）和健康状态（SOH）制约，导致其准确性受限[6]。相比之下，通过反映电池厚度变化与内部压力，膨胀力可作为早期热失控检测的有效指标[15][16]。
在标准充放电条件下，扩展包力可用于推断由SOC和SOH变化引起的厚度变化[17][18]。基于这一特性，Yu等人[19]利用该特征检测电池异常循环工况，通过扩展包力及其导数识别过充导致的轻微故障。针对严重过充引发的热失控，Xu等人[20]研究了扩展包力的演变规律，并将其临界点与热失控失效机理相关联，而Chen等学者则...[21]利用弛豫过程中因副反应持续产气导致扩展包力在充电终止后仍持续上升的特性，实现了比传统主动预警系统提前115秒的过充检测。该研究还通过扩展包力特征实现了热失控模式的区分。吕等[22]通过融合力-电压信号，实现了过充、过放及热滥用三种诱因所致热失控的精准辨识。此外，扩展包力在检测电池模组热失控传播方面也展现出潜力，如Lin等[23]通过模组级热失控实验所证实的。因此，扩展包力凭借其检测初期电池异常的能力，常被用作多级热失控预警的关键参数。Ouyang等[24]通过监测多维参数建立了三级热失控早期预警框架，其中扩展包力为第一级警报提供了关键阈值。黄等[25]对不同SOC电池进行了热滥用实验，通过结合应变和扩展包力参数，提出了一种针对TR的五级热失控分级预警方法，该方法能对泄压和TR事件发出警报。尽管这些基于阈值的分级预警方法有效划分了TR的发展阶段，但仍面临预警窗口不可预测的挑战。在某些情况下，同一级别的预警窗口可能出现数百甚至数千秒的差异[26]，这使得主动干预策略的选择变得复杂。
早期预警窗口的不可预测性源于热失控（TR）发展的不确定性。例如，在过热诱发的TR中，极高的加热速率和荷电状态（SOC）会加速TR进程[10][27][28]。对于电池这一封闭系统，由于内部温度和压力原位测量的限制，准确推断TR反应进程具有挑战性[29]。尽管膨胀力演变与内部压力高度相关并能反映反应进度，但这一机理关联仍需进一步阐明。数值建模被视为建立电池内部反应进程与外部参数演化之间关联的有效方法[30]。在普遍滥用场景下，已有实用的热-燃料费耦合模型可用于计算内部压力[31][32]。例如，Liu等[33]通过分析300 Ah磷酸铁锂(LFP)电池中电解液蒸发及电解液状态，建立了磷酸铁锂电池内部压力模型。此外，Sun等[34]计算了LFP电池过充时产生的内部压力，并将其作为边界条件建立了无约束条件下软包电池的自由膨胀模型。然而当电池受夹具约束时会产生膨胀力。Xu等[35]通过对LFP电池进行过充实验，在无预紧力的固定约束条件下，确定了内部压力与膨胀力之间的数值关系。在实际电池装配中，夹具会施加非特定值的预紧力。在实际电池组装过程中，适当的预紧力可确保电池稳定运行；然而，并不存在约束预紧力应用的预设值[36]。在预紧条件下，现有扩展包力模型通常仅关注由电池厚度变化产生的扩展包力[37][38][39]，而鲜少考虑内部压力升高所引发的扩展包力。因此，有必要开发一种明确纳入机械影响因素的扩展包力模型，从而为实际组装的电池提供可动作的预警信号。
鉴于此，为提高热失控预警系统的预测提前期与可靠性，本研究针对受限磷酸铁锂电池建立了定量化的压力-膨胀力映射关系。通过构建热-气-力耦合模型，模拟了从热失控触发到安全阀开启过程中膨胀力的演变规律。该模型阐明了内部压力与膨胀力之间的力学关联机制。将机械因素对模型的影响纳入考量，通过对比分析不同壳体材料间差异化的扩展包力演化规律，依次探讨了不同预紧力条件下的扩展包力演变过程。此外，采用不同加热速率模拟多种TR反应速度，并分析加速率对阀门开启时序的影响，从而为选取合适的预警阈值提供理论依据。基于研究发现及影响因素分析，本研究提出针对LFP电池热失控引发阀门开启的预警方法，依据常见装配预紧力配置建立自适应机械参数阈值，在此条件下预警窗口时序的可预测性显著提升。
