2025大賽優(yōu)秀作品 | 電池系統(tǒng)熱失控多物理場建模及高溫氣體疏導措施研究

Ansys中國

2025年11月13日 11:45

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“Ansys 2025 全球仿真大會”仿真應(yīng)用大賽優(yōu)秀作品展示

本屆仿真應(yīng)用大賽最終評選出 30 篇 TOP 優(yōu)秀作品，分別榮獲一、二、三等獎及行業(yè)最佳實踐獎。近 200 位來自汽車、半導體、高科技、能源等行業(yè)的仿真精英參賽，他們以前沿思維與創(chuàng)新實踐，充分展現(xiàn)了仿真技術(shù)的無限潛能。我們將陸續(xù)為大家分享獲獎佳作，帶您一同領(lǐng)略仿真賦能創(chuàng)新的非凡力量，希望用戶能從中汲取靈感、啟迪思路。

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作品名稱：電池系統(tǒng)熱失控多物理場建模及高溫氣體疏導措施研究

作者：重慶大學 | 張高陽

關(guān)鍵詞：電池熱失控機理，熱失控產(chǎn)氣速率計算，氣體爆炸極限，電池系統(tǒng)泄壓閥

作者說

利用Ansys SpaceClaim可以快速對電池包STP模型進行前處理，該軟件的操作流程比較清晰適合初學者進行三維數(shù)模設(shè)計，并且其共享拓撲和抽取流體的功能也十分好用，與Fluent Meshing相配合能夠快速劃分流體網(wǎng)格。另外，F(xiàn)luent提供的UDF功能也給使用者提供了二次開發(fā)的接口，能夠自定義模型的物理反應(yīng)過程，從而解決工程中出現(xiàn)的新問題。

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目前，100Ah以上的三元鋰電池在電動汽車上得到了廣泛應(yīng)用，而大容量三元鋰離電池發(fā)生熱失控后可能會誘發(fā)更為嚴重的火災(zāi)事故。為此本案例針對117Ah三元鋰方形電池，在Fluent中使用UDF/UDS定義了SEI膜分解、負極與電解液反應(yīng)、正極分解反應(yīng)、電解質(zhì)分解等過程，并利用T2之后溫度與溫升速率的函數(shù)關(guān)系得到內(nèi)短路產(chǎn)熱的表達式。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合AEC實驗數(shù)據(jù)擬合得到產(chǎn)熱/產(chǎn)氣速率方程，構(gòu)建了CTP電池系統(tǒng)熱失控多物理場仿真模型，揭示了熱量的傳播與氣體擴散規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在Pack尾部布置3個50mm泄壓閥時，系統(tǒng)內(nèi)部的可燃氣體濃度能夠在17.3s內(nèi)降至爆炸下限（LEL）以下，從而降低爆炸風險。

挑戰(zhàn)/需求

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作者所在機構(gòu)希望通過仿真工具建立高精度的電池熱失控產(chǎn)熱和產(chǎn)氣模型，并在此基礎(chǔ)上模擬CTP電池系統(tǒng)中單顆電池熱失控引起的熱量傳播與氣體擴散過程，以此評估隔熱設(shè)計的合理性并優(yōu)化系統(tǒng)泄壓閥的布局與數(shù)量。研究重點分析不同泄壓閥方案對高溫氣體的疏導作用和降低系統(tǒng)爆炸極限的效果，最終實現(xiàn)以仿真技術(shù)驅(qū)動熱安全設(shè)計達到降本增效的目的。

使用工具

Ansys Fluent、SpaceClaim、Fluent Meshing

最終成果

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利用Ansys Fluent，作者在有限時間內(nèi)探究了CTP電池系統(tǒng)內(nèi)單顆電池熱失控后熱量的傳播和氣體的擴散過程，驗證了隔熱設(shè)計的合理性并評估了不同的泄壓閥設(shè)計方案，獲得了選擇最佳方案的可靠數(shù)據(jù)。仿真是此項研發(fā)中的重要工具，為作者節(jié)約了大量方案選擇時間，減少試驗次數(shù)，節(jié)省人力，降低風險。

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