CFD专栏丨电池热失控仿真

电池的热失控(thermal runaway)，指的由各种诱因引发的链式反应现象，热失控散发出的大量热量和有害气体会引起电池着火和爆炸。

电池热失控通常是从电芯内的SEI膜（Solid Electrolyte Interface是覆盖电极材料表面的膜，具有一定的导电性和锂离子交换性）分解开始，继而隔膜分解熔化，导致负极与电解液发生反应，随之正极和电解质都会发生分解，从而引发大规模的内短路，造成了电解液燃烧，进而蔓延到其他电芯，造成了严重的热失控，让整个电池组产生自燃。

热失控的触发原因分为：电滥用（短路，过充/过放），热滥用（高温）和机械滥用（穿刺、挤压）。

热失控的温度划分

SimLab Battery Thermal Runaway提供了电滥用和热滥用两种分析场景

机械滥用场景采用ABD（Altair Battery Design）的解决方案

电池局部产生高温

• 将复杂的化学反应用Arrhenius方程建模(反应速率随温度而变的指数定律)。

• 和流体求解器AcuSolve耦合求解热-电方程

• 考虑电芯内部短路引起隔膜的分解

• 单电芯启动热失控并蔓延

电芯热失控→蔓延

AcuSolve 耦合模拟热失控

• 研究材料特性并设计隔热罩，以减少极端的热量释放和热失控传播

• 研究不同的电芯化学成分及其热稳定性。从下图可见LFP磷酸铁锂电芯更稳定

三种电芯材料的热失控温度曲线

电芯局部高温触发

热失控的蔓延

• Cathode chemistry：指定了电池的类型，如磷酸铁锂LFP，LCO钴酸锂和三元NMC

• Formulation：Lumped热贡献被建模为电池单元的集总参数。Nodal计算电池单元中每个节点的热失控热贡献

• Equivalent circuit model heat generation ：正常使用工况下采用ECM等效电路模型考虑热源

• Electrolyte decomposition：考虑电解液分解产生的额外产热

• Internal short circuit (ISC)：考虑电芯内部短路方程 ISC temperature：指定内部短路发生的温度 Anode/Cathode/Electrolyte Mass: 阳极/阴极/电解质的质量

• Solid electrolyte interface (SEI) Mass：SEI膜质量

• 化学材料库，用于定义如磷酸铁锂LFP，LCO钴酸锂和三元NMC的热动力学参数

• 输入实验量热数据，例如加速速率量热法或差示扫描量热法

• 每个反应的三个热动力学输入：活化能，频率因数，反应焓

• 内部短路作为额外的放热源，由温度启动

电芯的热力学属性

2个电芯的短路+热扩散温度曲线

AcuSolve仿真和实验温度对标

内部结构

拆解图

电池包CFD仿真模型

电池包的热失控仿真

改变触发条件（热源功率持续15秒）的仿真结果