100 Ah Lityum Demir Fosfat Batarya Modülünde Termal Kaçak Yayılımının Deneysel ve İndirgenmiş Dereceli Modelleme Araştırması

Özet

Çalışma, enerji depolama bataryalarında termal kaçak yayılımının (TRP) geleneksel sonlu elemanlar modellerinden çok daha hesaplama verimli bir yolla nasıl öngörülebileceğini soruyor. %100 SOC'de dört adet 100 Ah, 3,2 V nominal, 130 × 36 × 211,8 mm prizmatik LFP hücreli modül (5 mm mika levhalar ve bir ucunda ısıtma plakası) bir ucundan ısıtılarak kaçak tetiklendi ve yayılım termokupllar, gerilim ve kütle kaybıyla ölçüldü. Ardından ısı transferi problemi doğrusal zamanla değişmeyen sistemlerin indirgenmiş derece kuramıyla durum uzayı denklemine dönüştürülerek Krylov altuzayı için Arnoldi yöntemine dayalı indirgenmiş dereceli model (ROM) kuruldu.

Deney sonuçları: hücre 1 ısıtmanın 558. saniyesinde havalandı ve 762. saniyede kaçağa girdi. LFP hücreler yanmadı veya patlamadı ama her hücre sırayla kaçağa girdi ve kütlesinin yaklaşık %20'sini kaybetti. Tahliye fazları (havalandırma açılmasından kaçağa) hücre 1-4 için 204 s, 399 s, 156 s ve 309 s sürdü. Maksimum hücre yüzey sıcaklıkları 452,4-539,2 °C; kaçak arka yüze ön yüzden 77-118 s sonra ulaştı, bu yaklaşık 0,12 mm/s iç yayılım hızı demek.

ROM 8 dk 54 s'de çalışırken FEM 328 dk 49 s sürdü (yaklaşık 40 kat hızlı), kritik özellik hataları %10 içinde. Modelde kaçak tetikleme sıcaklığını 190'dan 200 °C'ye yükseltmek, toplam ısı salımını %100'den %90'a düşürmek, konvektif h değerini 15'ten 35 W·m^-2·K^-1'e çıkarmak veya hR = 100 W·m^-2·K^-1 arayüz ısıl direnci eklemek her biri tek başına yayılımı bastırdı. Bir hücrenin kaçak enerjisinin %70'ten fazlası hücrenin kendisini ısıtıyor, %20'den fazlası tahliye gazlarıyla çıkıyor, yaklaşık %2'si sonraki hücreye, %1'i önceki hücreye geçiyor ve yaklaşık %1'i konveksiyon ve radyasyonla kayboluyor.

Sınırlar: tek bir hücre tipi, yalnızca %100 SOC, dört hücreli tek modül ve tek ısıtma konfigürasyonu; modelin parametre ayar analizi gerçek paket tasarımları için doğrulanmış değil. Kaçak alevsiz ilerlediği için tahliye gazı yanıcılığı ve patlama bu çalışmanın kapsamı dışında.

Öne çıkan noktalar

1. Hücreler: 100 Ah LFP, 3,2 V nominal, 130 × 36 × 211,8 mm, tamamı %100 SOC'de; modülde 5 mm mika levhalar ve bir ucunda ısıtma plakası vardı.
2. Hücre 1 ısıtmanın 558. saniyesinde havalandı ve 762. saniyede kaçağa girdi; LFP hücreler yanmadı veya patlamadı ama her hücre sırayla kaçağa girdi ve kütlesinin yaklaşık %20'sini kaybetti.
3. Tahliye fazları (havalandırma açılmasından kaçağa) hücre 1-4 için 204 s, 399 s, 156 s ve 309 s sürdü.
4. Maksimum hücre yüzey sıcaklıkları 452,4-539,2 °C; kaçak arka yüze ön yüzden 77-118 s sonra ulaştı, iç yayılım hızı yaklaşık 0,12 mm/s.
5. ROM 8 dk 54 s'de, FEM 328 dk 49 s'de çalıştı (yaklaşık 40 kat hızlı), kritik özellik hataları %10 içinde.
6. Kaçak tetikleme sıcaklığını 190'dan 200 °C'ye çıkarmak, toplam ısı salımını %100'den %90'a düşürmek, konvektif h'yi 15'ten 35 W·m^-2·K^-1'e çıkarmak veya hR = 100 W·m^-2·K^-1 arayüz ısıl direnci eklemek yayılımı modelde bastırdı.
7. Bir hücrenin kaçak enerjisinin %70'ten fazlası hücrenin kendisini ısıtıyor, %20'den fazlası tahliye gazıyla çıkıyor, yaklaşık %2'si sonraki hücreye, %1'i önceki hücreye geçiyor, yaklaşık %1'i konveksiyon ve radyasyonla kayboluyor.

Tasarımda kullanımı

• LFP modül tasarımında hücreler arası ısıl direnci (arayüz yalıtımı) ve tahliye ısı salımını azaltan önlemleri yayılımı durdurmak için birlikte değerlendirin; modelde hR = 100 W·m^-2·K^-1 arayüz direnci tek başına yayılımı bastırdı.
• Yayılım parametre taramasını indirgenmiş dereceli modelle hızlı yapıp yalnızca seçilen tasarımı ayrıntılı FEM veya deneyle doğrulayın.
• LFP hücrelerin alevsiz ilerleyen kaçağında bile tüm modülün sırayla kaçağa girdiğini ve kütlenin %20'sinin kaybolduğunu, tahliye gazı yönetimi ve ısıl izolasyon tasarımına girdi olarak kullanın.

Kimler okumalı

Batarya modülü ve BESS güvenliği, termal kaçak yayılımı modellemesi yapan mühendisler ve araştırmacılar.

Belgenin bölümleri

1. 1. Giriş
2. 2. Metodoloji (2.1 Batarya numunesi, 2.2 Geometri, 2.3 İndirgenmiş dereceli TRP modeli: indirgenmiş dereceli ısıl model, TR modeli, sınır koşulu, modelleme prosedürleri; 2.4 Deney tasarımı: EV-ARC testi, modül TRP testi)
3. 3. Sonuçlar ve tartışma (3.1 Deney sonuçları, 3.2 Simülasyon sonuçları: model doğrulaması, karakteristik konum tahmini, model parametre ayar analizi, FEM'e göre simülasyon verimliliği; 3.3 Enerji akışı analizi: enerji akışı bileşimi, enerji akışı dağılım özelliği)
4. 4. Sonuçlar

İlgili standartlar

• UL 9540A
• NFPA 855
• IEC 62619

Belgeyi okuyun

Yayın bilgileri

Yazarlar

Han Li; Chengshan Xu; Yan Wang; Xilong Zhang; Yongliang Zhang; Mengqi Zhang; Peiben Wang; Huifa Shi; Languang Lu; Xuning Feng

Yayıncı

Batteries (MDPI AG)

Yıl

2025

Cilt

11

Sayı

3

Sayfalar

109

Belge dili

İngilizce

Kaynak türü

Bilimsel yayın

Erişim

Açık lisans — indirilebilir

DOI

10.3390/batteries11030109

Lisans

CC BY 4.0 — atıf vererek paylaşabilirsiniz

Lisans kanıtı

www.mdpi.com

Künye