近期，新能源汽車發(fā)生的多起自燃事件使得公眾視線紛紛聚焦到如何保障新能源汽車安全這一話題。據(jù)公開信息顯示，在不到2個(gè)月的時(shí)間內(nèi)，蔚來汽車ES8已發(fā)生4起自燃事故。2019年上半年，新能源缺陷車型累計(jì)召回2.76萬輛，而6月27日因動(dòng)力電池故障召回的蔚來汽車，是真正涉及自燃事件展開的召回。

可謂是一波未平一波又起，諸多電動(dòng)汽車品牌頻繁發(fā)生電池起火事故，盡管對發(fā)生自燃事故起因的探究各方觀點(diǎn)不一，到底是模組內(nèi)個(gè)別線束走向不當(dāng)，引起在極端情況下受到擠壓和磨損造成短路；還是電池包與模組之間出現(xiàn)了“結(jié)構(gòu)干涉”，極端條件下出現(xiàn)采樣線束短路。但毋庸置疑導(dǎo)致此類事件的“罪魁禍?zhǔn)住笔请姵啬＝M短路，短路，尤其是內(nèi)部短路，會(huì)使得電池急劇升溫，如果此時(shí)沒有其它控制溫度的措施，可能會(huì)引發(fā)熱失控的反應(yīng)，最終導(dǎo)致熱失控，而在電池包標(biāo)準(zhǔn)中，按規(guī)定將正負(fù)極短接一段時(shí)間內(nèi)，要求電池包是不能熱失控的。

隨著鋰離子電池能量密度的不斷提高，提高其安全性對電動(dòng)汽車的發(fā)展至關(guān)重要。熱失控是電池安全研究中的一個(gè)關(guān)鍵問題。對熱失控機(jī)理進(jìn)行了全面的總結(jié)，其中可能導(dǎo)致熱失控的濫用情況主要包括機(jī)械濫用、電氣濫用和熱濫用。典型機(jī)械濫用包括碰撞、擠壓和穿刺，會(huì)導(dǎo)致電池結(jié)構(gòu)破壞性變形和位移；機(jī)械濫用往往會(huì)帶來內(nèi)部短路。典型的電氣濫用包括外部短路、過度充電和過度放電。針對以上的機(jī)械濫用、電氣濫用和熱濫用，ANSYS均有完整的解決方案。ANSYS LS-dyna及Mechanical可以模擬機(jī)械濫用過程中電池結(jié)構(gòu)的變形和破壞，ANSYS FLUENT有專用的鋰電池?zé)崾Э啬Ｐ停槍ν獠慷搪罚瑑?nèi)部短路以及最終熱失控反應(yīng)都有極佳的建模仿真，可以幫助客戶提升鋰電池的安全性，充分運(yùn)用仿真技術(shù)，加強(qiáng)電池模組的安全技術(shù)研發(fā)和測試驗(yàn)證，規(guī)避電池模組故障，保障在用車輛安全。

本文我們主要介紹ANSYS FLUENT在熱失控仿真中的應(yīng)用。欲了解更多鋰電池及燃料電池仿真設(shè)計(jì)解決方案，可報(bào)名參加7月23日在上海舉辦的 “ANSYS鋰電池及燃料電池研討會(huì)” 。

ANSYS FLUENT熱失控仿真方案

ANSYS FLUENT熱失控仿真方案具有以下特點(diǎn)：

1.  提供了兩種熱濫用模型

   a. 一方程模型

   b. 四方程模型

2.  提供了用于一方程的參數(shù)擬合工具

3. 提供了外部短路和內(nèi)部短路模擬方法

4. 可模擬熱失控的整個(gè)物理現(xiàn)象

上述提及的兩種熱濫用模型既可以和fluent MSMD電池模塊耦合使用，也可以單獨(dú)使用（run thermal abuse model only）。

理論基礎(chǔ)

1. 一方程模型

一方程是將熱濫用過程中總生成熱用一個(gè)集總反應(yīng)來模擬，如下

S為熱濫用熱量生成速率

一方程的反應(yīng)速率由以下方程描述，用反應(yīng)進(jìn)度來跟蹤：

上述α為反應(yīng)進(jìn)度，α=0表示反應(yīng)未開始，α=1表示已經(jīng)完全反應(yīng)；Ea為反應(yīng)活化能(J/mol)；T為溫度（K）；R為氣體常數(shù)；A為反應(yīng)頻率因子(1/s)；m,n為反應(yīng)級數(shù)；R為反應(yīng)速度(1/s)；H為反應(yīng)熱(J/kg)，W為反應(yīng)物密度(kg/m^3)

由方程（1-1）可求得反應(yīng)進(jìn)度α，代入到方程（1-3）即可得到使用一方程集總方法的熱量生成速率。

2.  四方程模型

與一方程模型將整個(gè)過程所有的生成熱用一個(gè)集總反應(yīng)模擬不同，四方程模型考慮了熱濫用過程中四個(gè)不同的放熱反應(yīng)機(jī)理。這四個(gè)反應(yīng)分別為：

• SEI（solid electrolyte interface）decomposition reaction/固體電解質(zhì)界面分解反應(yīng)

• Negative electrode -electrolyte reactions/負(fù)電極電解質(zhì)反應(yīng)

• Positive electrode-electrolyte reactions/正電極電解質(zhì)反應(yīng)

• Electrolyte decomposition reactions/電解質(zhì)分解反應(yīng)

按照NREL的研究，以上四種不同反應(yīng)的起始條件，主要是反應(yīng)開始溫度并不相同（如下表），而是隨著溫度不斷升高四個(gè)反應(yīng)依次發(fā)生，因此四方程模型較一方程模型可以提供較多的過程信息。

四方程模型總生成熱為四個(gè)放熱反應(yīng)生成熱的和：

上述S項(xiàng)下標(biāo)sei/ne/pe/ele分別代表以上四個(gè)反應(yīng)

其中SEI decomposition reaction的反應(yīng)描述如下：

其中A, Ea, Ru, T, H, W , m與之前定義相同；Csei為反應(yīng)物無量綱分?jǐn)?shù)變量，1代表未反應(yīng)，0代表完全反應(yīng)。

Negative electrode -electrolyte reactions的反應(yīng)描述如下：

其中A, Ea, Ru, T, H, W , m, Cne與之前定義相同；tsei為SEI層無量綱厚度。

Positive electrode-electrolyte reactions的反應(yīng)描述如下：

其中A, Ea, Ru, T, H, W , m, Cpe與之前定義相同

Electrolyte decomposition reactions的反應(yīng)描述如下：

其中A, Ea, Ru, T, H, W , m, Cele與之前定義相同

下圖給出了NREL（國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室）的結(jié)果與fluent結(jié)果對比圖，兩者吻合的非常好。

在此需要說明的是，上述模型中涉及的參數(shù)會(huì)因電池不同而不同，用戶需要根據(jù)試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)（如ARC數(shù)據(jù)）來進(jìn)行提取相應(yīng)數(shù)據(jù)。

3. 內(nèi)部短路和外部短路

短路，無論是外部短路還是內(nèi)部短路，會(huì)引發(fā)相應(yīng)位置產(chǎn)生局部高溫區(qū)，而局部高溫區(qū)又會(huì)激發(fā)電池?zé)釣E用化學(xué)分解反應(yīng)，從而產(chǎn)生更多熱量，這一過程持續(xù)增強(qiáng)會(huì)導(dǎo)致熱失控，最終導(dǎo)致電池毀壞。

FLUENT 對外部短路的處理方法是在MSMD模塊上設(shè)置負(fù)載為一個(gè)較小的歐姆值，對內(nèi)部短路的處理是將短路區(qū)域patch為較小的歐姆值。

典型案例

給大家分享一個(gè)由于機(jī)械濫用造成內(nèi)部短路，最終導(dǎo)致熱失控的案例。

1. 利用LS dyna獲得碰撞后形變信息

2. 設(shè)置MSMD模塊

3.     設(shè)置熱失控模型

4.     仿真結(jié)果

新能源電動(dòng)車頻發(fā)的自燃事故讓各大廠商更加重視鋰電池?zé)崾Э貑栴}的研究，也讓鋰電池安全升級成為消費(fèi)者對新能源電動(dòng)汽車最擔(dān)心的問題。電池?zé)崾Э卦斐芍卮笪：Φ木娨亚庙懀绾文軌蛟谛履茉雌嚧髣菟叺臍v史浪潮中，保障最終交付產(chǎn)品的性能和行駛安全，如何加強(qiáng)新能源汽車的能源管理，提高安全水平，成為整個(gè)產(chǎn)業(yè)亟待解決的問題，也是值得行業(yè)內(nèi)的深思和探究的。

為此，ANSYS中國將于7月23日在上海舉辦一場鋰電池及燃料電池仿真設(shè)計(jì)解決方案專題研討會(huì)，屆時(shí)就鋰電池和燃料電池的關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行探討和研究，本次研討會(huì)特邀ANSYS首席研發(fā)專家李少平博士和李革農(nóng)博士，為大家?guī)鞟NSYS FLUENT在鋰離子電池、燃料電池以及通用電化學(xué)方向的仿真技術(shù)應(yīng)用和前沿發(fā)展，ANSYS中國流體高級工程師井文明也會(huì)就鋰離子電池仿真中的熱失控及LTI ROM進(jìn)行現(xiàn)場演示，我們期待您的參與！

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