STAR-CCM新能源汽车动力电池热失控仿真讲解（附视频教程）
导读：随着大量新能源汽车进入交通体系，新能源汽车安全事故也随之增加，其中以锂离子电池为动力源的纯电动汽车着火事故更是触目惊心。这严重威胁到人们的生命财产安全，极大地打击了人们对新能源汽车行业的信心，锂离子电池热失控成为亟待解决的重要问题。
一、锂离子电池热失控发生原因
锂离子电池热失控是产热量远远大于散热量而导致电池温度急剧升高引起电池着火失效的一种现象。热失控由热滥用、电滥用和机械滥用诱发，3种滥用诱发方式之间存在一定的内在联系。机械滥用导致电池变形，而电池变形导致内短路，进而导致电滥用。电滥用伴随焦耳热以及化学反应热的产生，造成电池的热滥用。而热滥用造成温度升高，引发锂离子电池内部一系列副反应，最终导致热失控发生。
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在电池系统中，锂离子电池密集排布，单一电池发生热失控后，则会引发整个电池组内发生连锁反应和热失控传播，造成严重热安全事故。因此，针对锂离子电池成组使用过程中面临的安全问题，亟需开展锂离子电池热失控传播行为及其热阻隔技术的研究，从而为电池系统火灾防控提供理论基础和技术支撑。
单一电芯的热失控过程可以归纳为电芯内部化学能向热能的迅速转变，当电芯内部化学能转化为热能的速率远远超过热能逸散至环境中的速率时，电芯内部温度迅速上升，则引发电芯最终走向热失控，并伴随射流、火灾、爆炸等现象的出现。已有研究发现电池体系材料、电池容量和荷电状态(SOC)是影响电池热失控行为的关键因素。电池组内热失控的传播通常首先由热失控电池向毗邻电池进行热传导、热辐射及热对流等多种形式的热传递，当毗邻电池吸收过多热量，满足其热失控条件时，则出现热失控传播行为。由此可知，在电池间建立一道热阻隔屏障，阻止热失控电池散发的热量向毗邻电池传递，是抑制热失控传播的有效手段。
当外界处于高温状态时，锂离子电池在热传递作用下，电池内部的温度不断升高，开始出现各种反应，造成不利影响，即使外界温度正常，电池温度也会快速升高，如果超过临界点，就会出现热失控效应。锂离子电池有多个种类，因此电池内部在产生副反应时，临界温度存在差异，但是无论任何种类的锂离子电池在出现反应的过程中都会产生气体。
为实现电池间的热失控阻隔，通常采用在电池间设置空气间隙或填充阻燃材料的方法，以此阻止热量从上游热失控电池向下游的传递。比如Lopez 等研究了电池间距和连接方式等电池模块设计参数对热失控传播的影响，实验结果表明电池间距增加后，电池温度和电压损失均下降，为尽量减小热失控传播和电池模块损坏的可能性，电池间的最小间距应不小于2 mm。但仅通过设置空气间隙阻隔热失控传播将造成电池组能量密度低的缺陷，且无法阻隔电池热失控期间的射流火。
二、STAR-CCM+电池热失控仿真
在STAR-CCM+中提供了电池热失控模型，以进行新能源汽车电池热失控仿真。
热失控模型主要计算电池组的热释放及其热的传播。电池在热力或机械故障、短路或超充/过放时会出现热失控现象，导致电池单体过热。在高温下，电池单体材料可能开始发生自发热反应分解，导致自加热行为。当电池单体的自加热速率超过了向周围环境散热的速率时，电池温度呈指数增长，电池结构可能破裂，并释放剩余的热能和电化学能量到周围环境中。
分解的自发热反应以高速大量产生热量和气体，导致电池单体内部温度和压力几乎瞬间增加。大多数电池都内置了安全排气机制。在热失控时，电池的固体部分会释放热量。
STAR-CCM提供了热失控热释放模型，用于预测电池单体在热失控过程中固体部分所释放的热量。该模型需要实验数据输入，即电池单体的自加热速率与电池单体温度的关系。这些数据通常通过进行加速速率量热计（ARC）测试来获得。在STAR-CCM 中，这些数据以表格的形式导入。
电池由32个模组组成，每个模拟由12个电芯组成，在相邻两个模组之间设置了隔热板，试图阻止相邻两个模组之间的传热。模拟对一个模组进行加热，模组中的第一个电芯单体旁通过施加600瓦的热源而过热。当电池单体的温度超过156°C时，触发热失控，并激活热失控热释放模型。在仿真过程中，热失控通过对流和传导传播到电池组中的其他电池单体。
三、动力电池热失控仿真流程如下
1、对电池包几何进行处理，区分每个模组的电芯，对模组泄压口进行边界划分，提供烟气喷射口。
2、将电池包几何和计算区域进行对应，由于电池包零部件非常多，可建立一个区域对应多个电芯，将框架进行合并。
3、建立网格，为减小网格数，节省计算量，可采用较大的尺寸对电芯建立薄壳网格，对空气域建立多面体网格。
4、建立每个电芯的温度，热失控是由于电芯温度达到了失控温度导致的，在计算中利用电芯温度来控制体积热源，当电芯到达失控温度，激活体积热源，体积热源的强度与电芯温度相关，并同时激活烟气喷射，喷射的烟气温度和流量根据试验确定，建立烟气流量，温度随电芯温度的表，通过对表进行插值得到喷射的流量和温度。
5、计算调试，设置时间步长，停止条件等。
6、结果分析，根据每个电芯的温度变化分析，其失控情况，根据不同模组电芯温度分析一个模组失控是否影响其他模组，从而评估模组之间的隔热措施是否有效，建立烟气体积渲染图，观察烟气的流动情况。
第一个模组失控，引发第二个模组失控，烟雾在电池包里扩散，并通过通风口排除，电池热失控仿真结果表明，现有模组之间的隔热未能阻止失控模组往正常模组的传热，模组之间的隔热需要进行改进设计。
该模型已收录到我的STAR-CCM+电池热失控仿真课程
四、STAR-CCM+电池热失控仿真教程
为了帮助大家理解并帮助STAR-CCM+电池热失控仿真能力，近日我录制了《STAR-CCM 新能源汽车动力电池热失控仿真13讲》视频课程，该课程旨在教授用户学习STAR-CCM 计算流程、掌握电池包热流耦合分析、能帮助用户掌握电池包的热失控方法；和解决在电池包仿真过程中遇到的一些难点问题。以下是我的课程安排：
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