动力电池PACK热失控仿真与Amesim电池热仿真探讨

导读：电池热失控状态下，最常见的现象是电池温度升高、电池产气、防爆阀开阀喷发、电池起火、拉弧、开裂等现象，这些现象中，尤其以电池起火拉弧等最为危险，当然电池产热产气也是后续起火拉弧的前奏。

考虑到电池热失控的不确定性以及实验的高成本，因此通过仿真方法能够有效的降低热失控的实验测试次数，最快最优的得到热防护的方案。

常用的防护方案，当然是使用气凝胶等高效阻燃隔热的材料，放置在电池之间，用于阻断热失控状态下的热传递。其次是在电池的顶部使用一些云母材料，用于隔断电池喷发对周边的影响。

但是基于气凝胶等材料的高成本、企业的降本需求以及PACK性能要求，防护材料的使用量不能无限制上升，因此通过仿真方法能够有效的确定最佳的组合防护方案。

一、热失控仿真该做什么？

电池热失控仿真需要做的内容非常多，诸如：

（1）分析电池之间的间隙、确认隔热材料的厚度。通过电池间的隔热材料厚度确定电池热失控的时间间隔，当时间间隔足够长时，就能够避免后续电池不失控。

图1 电池热失控温度曲线

图 2电池温度与产热曲线

（2）电池的产气喷发等，分析电池喷发过程中电池包内压力变化过程，分析排气的通畅能力，防爆阀的排气能力，以及防爆阀的位置选型、排气量选型设计等。

（3）电池喷发过程中的拉弧效应，分析电池喷发过程中，因气体内部携带的高温液体和熔融金属等带电导致的电芯和金属件之间、电芯和电芯之间的拉弧短路。

图 3：拉弧示意图

（4）电池产气以及气体转移过程中对周边电池的影响分析等。

二、热失控仿真该怎么做？

热失控的仿真重点在于需要明确仿真模拟的对象是什么、需要仿真确认什么内容，才能通过这些信息对模型进行简化处理，从而得到相应的模型。这是较为简单可行的方案。

仿真分析较为常规的是模拟物理现象，但是基于物理现象的复杂性以及仿真的可实现性以及设备的运行能力等，往往是无法100%的复现物理现象的。因此仿真过程中会出现一些简化的部分，重点凸出对仿真分析内容在原理上的简化，以及问题本质原因的分析。

例如，在做电芯拉弧的仿真分析中，首先需要明确的是，拉弧的机理是什么？拉弧是正电荷和负电荷之间相互导通的一种方式，中间的导通介质是空气等；电芯喷发的物质中，能否带电荷的是金属熔融物和液滴等。所以在喷发过程中，转移的相其实一般就是四种，液体、金属熔融物、固体金属、气体。其次还包括：

（4）也是最关键的部分，评价标准怎么建立。

三、热失控电芯的参数如何获取？

电芯热失控参数的获取方法一般都是通过ARC实验标定来获取，但是基于PACK的电芯热失控实验，与标准的ARC实验不同，主要区别在于：PACK实验中电芯从实验开始到电芯失控的时间间隔很短，二ARC实验很长，这个差异会造成电芯后续产热、产气等数据上的差异。

通过ARC实验可以得到电池的产气、产热速率和产热量、质量损失等数据，通过一定的数据处理和拟合等，可以用于后续的仿真计算中。这种方法对实验的数据依处理的赖度比较大，需要电芯实验数据和PACK实验数据的高度耦合。

图 4：电芯温升速率

图 5：电芯热失控温度

 

图 6：集总参数法

四、热失控公开课

曾几何时，北京南四环一个电化学储能电站发生爆炸。

据报道，这次事故主要的问题是电池。这个电化学储能电站建设有25MWh的磷酸铁锂电池储能。安全性虽然相对更高，但依然会存在热失控的现象（产品因素、环境因素、安装因素，也有些电池本身是二手的，也就是动力电池退役后再次使用的）。当磷酸铁锂电池热失控时，电解液中会析出很多易燃易燃爆的气体，比如一氧化碳、氢气、乙烯、甲烷、乙烷、碳酸甲乙酯、碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯等，这些气体与空气混合形成了爆炸性混合物，遇火源即会发生剧烈爆炸。