案例-基于Ansys Fluent的动力电池包热失控仿真
方法
采用Ansys Fluent建立某NCM纯电电池包热失控模型，使用UDF编写代码监控电芯平均温度和电池包防爆阀压力，模拟单电芯加热触发热失控后30分钟内热蔓延过程，得到相邻电芯热失控时间间隔，防爆阀开启时刻，电芯温度，电芯喷射气体流线等结果。
电池包的热失控变量多，实验昂贵且周期长。采用仿真手段能最大程度上规避设计冻结前的热失控风险，对后期热防护方案的选择和优化也有重要的指导意义。
电池热失控机理
电池发生热失控主要是由于内部产热远高于散热速率，电池内部热量的聚集引发连锁反应，导致电池起火和爆炸。清华大学欧阳明高院士团队对锂离子电池热失控机理进行了深入的研究。图示为电池热失控中的链式反应，产生的热量可使电池温度升高400°C~1000°C。
研究表明，锂电池三种热失控发生机理：负极析活性锂、内短路、正极释活性氧，可以解释超过99%的电池热失控事故原因，其中内短路占到事故的90%。电池滥用是导致热失控的重要原因，包括机械滥用，电滥用和热滥用，其中热滥用可直接导致电池热失控。相关统计表明，机械滥用和电滥是主要触发因素。
GB 38031-2020定义的热失控试验的触发方式有两种：针 刺和加热。触发对象选择电池包内靠近中心位置，或者被其他电池单体包围的电池单体。虽然针 刺和加热剧烈程度相当，但加热产生的大量热源要比针 刺严苛得多，本文试验采用加热触发。
电池包热失控仿真建模
采用Ansys Fluent建立某NCM三元纯电电池包热仿真模型，具体步骤如下：
（1）模型简化。为了控制整体网格数量，对触发及其相邻模组进行详细建模，其它模组仅保留外部轮廓。忽略电芯内部详细结构，对电芯安全阀、电池包防爆阀、电池包上盖和下箱体的局部特征进行简化，如图所示。
（2）网格划分。在Ansys meshing中采用多面体单元创建电池包网格，流固耦合界面划分5层边界层。该电池包体网格总数约为2500万，如图所示。
（3）热失控/热蔓延控制策略。采用UDF编程监控电芯平均温度以判断是否触发热失控，并开启电芯安全阀。监测电池包内压力判断是否开启电池包防爆阀。
（4）热接触和求解器。定义界面接触热阻， k-Ɛ湍流模型，仿真步长，完成1800秒仿真。
（5）后处理。输出电芯温度-时间曲线，得到电芯间热失控时间间隔，其他温度、压力、速度流线等数据。
模型输入参数如表1所示。其中电芯喷射气体的质量流量、温度和热量由模组供应商提供。重要的模组接触热阻包括：端板-电芯铝壳、电芯铝壳-电芯铝壳、电芯铝壳-空气凝胶也有供应商提供。
热失控仿真结果
电芯热蔓延时间通过电芯平均温度获得，如图6所示为一个模组包含的12个电芯平均温度。电芯温度达到热失控触发温度后急剧增加，然后降低并稳定。电芯2和电芯3的热蔓延时间远远大于电芯1和电芯2，这是每两个电芯间空气凝胶的隔热作用。由于热失控后相邻电芯温度提高，热蔓延时间较前面电芯短。12个电芯总体热蔓延时间达到1700s，满足GB 38031-2020规定的5分钟要求。
下图所示是电池包热失控仿真与实验对比。单模组热蔓延时间与实验对比的误差小于10%，说明该热失控模型有较好的预测性，可用于电池包热失控防护方案的设计。此外，由于单模组热失控实验在开放空间中进行，与电池包热失控的环境不同，后续需要细化实验环境。电池包防爆阀开启时刻为第一个电芯安全阀开启后1s以内，这与实验中观察到的现象一致，即包内温度急剧升高与防爆阀喷气几乎为同时刻。
单模组热蔓延时间
电池包防爆阀开启时刻
下图是第7个电芯触发热失控喷射气速度流线图，其最大速度为31.7m/s。气流集中在二层模组附近，并未扩散到前部模组，这是由于触发模组距离电池包防爆阀较近，气流易从防爆阀排出电池包。二层模组附近聚集的大量高温气体会加热周围模组，需要监测并判断是否触发热失控。
第7个电芯触发热失控喷射气速度流线及物理实验图
下图 所示为该模组12个电芯都触发热失控后上盖和模组的温度。上盖温度高达713°C，需要选用耐温性较好的防腐涂层。模组最高温度为564°C，可通过模组间高压铜巴和水冷板传递到其它模组，进而引发热失控。因此，需要优化铜巴的走向和截面，增加水冷板流量强化换热，以减小甚至杜绝水冷板对传热的负面影响。
12个电芯触发热失控后上盖和模组温度
结论
采用Ansys Fluent建立某NCM纯电电池包热失控模型，模拟一个电芯加热触发热失控的热蔓延过程。12个电芯总体热蔓延时间达到1700s，满足GB 38031-2020规定的5分钟要求。单模组热蔓延时间与实验对比的误差小于10%，说明该热失控模型有较好的预测性。电池包防爆阀开启时刻为第一个电芯安全阀开启后1s以内。单一模组全部电芯发生热失控后，上盖温度高达713°C，需要选用耐温性较好的防腐涂层。模组最高温度为564°C。
