Тепловой разгон аккумулятора и моделирование процесса в SIMULIA Abaqus
Литий-ионные аккумуляторы широко используются в сотовых телефонах, а также в электромобилях. Несмотря на то, что они очень удобны для повседневного использования, всегда есть проблема безопасности: тепловой разгон. Явление, возникающее при зарядке аккумулятора. Заключается в том, что увеличение температуры электролита приводит к росту зарядного тока, который может возрасти до значения, приближающегося к значению тока короткого замыкания.
В процессе работы аккумулятора происходит электролиз электролита с выделением водорода и кислорода. В штатно функционирующем аккумуляторе эти газы выводятся через специальные отверстия. Однако если эксплуатация велась с нарушениями, приведшими к недостатку электролита или повреждению сепараторов, кислород может начать окислять отрицательный электрод. В процессе окисления выделяется тепло и происходит разогрев электролита. Нагретый электролит имеет меньшее сопротивление, соответственно для данной банки будет использован больший ток зарядки, приводящий в свою очередь к увеличению количества выделяемого кислорода и водорода. Таким образом возникает положительная обратная связь и процесс самоускоряется.
Тепловой разгон может произойти при сочетании ряда факторов: недостатке электролита в элементах батареи; старении активной массы электродов; повышенном напряжении сети зарядки по сравнению с номинальным напряжением; повышении температуры окружающей среды и неблагоприятных условиях теплообмена батареи с окружающей средой. Тепловому разгону могут способствовать большие эксплуатационные нагрузки.
Как следствие теплового разгона, температура батареи повышается, что влечёт за собой вероятность дымовыделения, короткого замыкания и даже взрыва выделенного кислорода и водорода.
Возможность теплового разгона является одной из неприятных особенностей щёлочных аккумуляторов, влияющей на безопасность их применения на транспортных средствах и местах без достаточной вентиляции.
Важно предотвратить тепловой разгон в аккумуляторных батареях и возможность моделирования теплового разгона становится все более важной для прогнозирования потенциальной аварии.
Решение от инженеров Dassault Systemes SE
Команда Dassault Systèmes использовала SIMULIA Abaqus для моделирования теплового разгона с помощью пользовательской подпрограммы. Модель теплового разгона может быть смоделирована с помощью формулы типа Аррениуса, учитывающей SEI и разложение электролита. Главное преимущество пользовательской подпрограммы это успешное и точное прогнозирование теплового разгона аккумуляторной батареи.
На практике свойства материала аккумуляторной батареи для теплового разгона должны быть откалиброваны по результатам испытаний. Для одной цилиндрической ячейки рисунок показывает, как изменяется температура во время теплового разгона.
Abaqus может успешно моделировать тепловой разгон в 2-мерных моделях, а также в 3-мерных моделях. На рисунках ниже показано, как срабатывает тепловой разгон, когда время идет слева направо в 2-мерных и 3-мерных моделях.
Тепловой разгон аккумуляторной батареи электромобиля может быть очень опасным, но инженеры работают над разработкой методов, позволяющих сделать эти автомобили более безопасными для пассажиров, уменьшая последствия теплового разгона или, по крайней мере, замедляя его, чтобы пассажиры могли убежать до того, как произойдет пожар или взрыв. В целом было бы лучше, конечно, вообще не допускать теплового разгона. Моделирование с помощью может предсказать условия, которые приводят к тепловому разгону, что позволяет инженерам лучше проектировать аккумуляторные батареи, способные противостоять этому потенциально катастрофическому событию.
Ссылка на источник: 3ds.com