熱濫用
關注創建者：琳泓comsol 創建時間：2019-09-24
熱濫用的視頻教程
ANSYS Fluent 對電池模型的幾何與網格處理方法【微信公眾號：艾迪捷】
ANSYS Fluent 對電池模型的幾何與網格處理方法 適用人群：有電池熱管理方面應用需求的工程師。 ANSYS Fluent 對電池模型的幾何與網格處理方法（免費）【已結束】?直播時間：2020-08-25 14:00 ANSYS Fluent在電池單體，電池模組，電池包甚至電池系統中都有廣泛的應用，這些應用涉及電化學反應，多尺度多維度模型，短路和熱濫用，以及降階模型的應用。
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熱濫用的實例教程
近年發生的汽車動力電池事故，均是由于電池組中的某一個電池單體發生熱失控后產生大量熱，導致周圍電池單體受熱產生熱失控。這樣，電池組內的熱失控蔓延問題就是電池成組安全問題的主要關注點。</p><p> </p><p> 熱失控的發生劃分為三個階段，自生熱階段（50℃-140℃），熱失控階段（140℃-約850℃），熱失控終止階段（850℃-常溫），文獻提供的隔膜大規模融化溫度起始于140℃。</p><p> 如果周圍有其他電芯，則在此階段，通過把熱量向周圍傳播，熱失控可能向其他電芯蔓延。熱量可能通過連接的導電件傳導，也可能因為體積膨脹，原來保有間距的電芯，在此時已經彼此貼緊，電芯殼體之間直接傳導熱量。蔓延不能有效阻斷，將產生整個電池模組爆炸燃燒風險。</p><p> 此次采用Comsol的PDE模塊和固體傳熱，模擬了三顆、五顆軟包電芯熱失控蔓延實驗，將電芯參數和熱失控參數優化，使得探測溫度與實驗溫度相一致，為后續研究各類型隔熱材質和液冷做基礎。</p><p><br></p><p> 以下是基礎模型求解的溫度結果和實驗結果對比情況。</p><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/202104/44cb8ee2ca2d42c7b71e3b05b6064555.png"></p><p><br></p><p><br></p><p>其中基礎的熱失控PDE方程建模視頻可以參考這個鏈接，控制方程的基本原理一致。
展開 但毋庸置疑導致此類事件的“罪魁禍首”是電池模組短路，短路，尤其是內部短路，會使得電池急劇升溫，如果此時沒有其它控制溫度的措施，可能會引發熱失控的反應，最終導致熱失控，而在電池包標準中，按規定將正負極短接一段時間內，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汽車的發展至關重要。熱失控是電池安全研究中的一個關鍵問題。對熱失控機理進行了全面的總結，其中可能導致熱失控的濫用情況主要包括機械濫用、電氣濫用和熱濫用。典型機械濫用包括碰撞、擠壓和穿刺，會導致電池結構破壞性變形和位移；機械濫用往往會帶來內部短路。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可以模擬機械濫用過程中電池結構的變形和破壞，ANSYS FLUENT有專用的鋰電池熱失控模型，針對外部短路，內部短路以及最終熱失控反應都有極佳的建模仿真，可以幫助客戶提升鋰電池的安全性，充分運用仿真技術，加強電池模組的安全技術研發和測試驗證，規避電池模組故障，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用。欲了解更多鋰電池及燃料電池仿真設計解決方案，可報名參加7月23日在上海舉辦的 “ANSYS鋰電池及燃料電池研討會” 。
展開 基于comsol的18650鋰電池熱濫用失控分析 ￥2500
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</div><p><br></p><p><br></p><p>熱失控是鋰離子電池最嚴重的安全事故，儲存在鋰離子電池內部的電能和化學能在短時間內大量釋放，使得鋰離子電池內部的溫度甚至能夠達到900℃以上，同時熱失控中電解液、活性物質分解產生的大量氣體會導致電池內部的壓力急劇升高，甚至引起鋰離子電池的爆炸。為了保證在鋰離子電池的安全性，通常我們會在電池殼上設計一個防爆閥，在壓力過高時能夠及時被破壞，釋放電池內部的壓力，防止熱失控中電池發生爆炸。</p><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/201909/7d5c73bb95e8419ea86442e5ee7bd214.gif"></p><p> 對于18650電池而言，防爆閥設計在電池的上蓋之中，防爆閥還兼具了斷路器的功能，在電池內部壓力升高到一定程度時，防爆閥動作切斷電流回路，當電池內部的壓力進一步升高時，防爆閥結構被破壞，釋放電池內部的壓力，防止電池發生爆炸。之前我們主要是從原理上了解防爆閥的設計，由于18650電池上蓋的結構設計讓我們很難直接看到在熱失控的過程中防爆閥動作過程。</p><p> 倫敦城市學院的Donal P. Finegan（第一作者）和Paul R.
展開 - 模塊電熱耦合熱模型
使用Ansys Fluent中的子模型（例如電池等效電路 <ECM>），根據電池模塊中計算得到的熱源仿真溫度場，評估電池模塊的冷卻設計策略。
- 電池熱降階模型
需要為電池或模塊仿真許多不同的瞬態載荷條件。使用完整CFD模型可能會非常耗時，而ROM解決方案則比較有優勢；典型用例是在系統模型中使用這樣的ROM，例如與BMS結合使用；ROM可通過功能模型單元（FMU）導出第三方工具。
- 電池模塊熱濫用模型
仿真模塊中的熱濫用傳播
電池熱分析
- 電池共軛傳熱和電熱耦合
根據電池中已知或計算得到的熱源仿真溫度場，使用Ansys Fluent中的電池等效電路（ECM）進行熱計算，估單個電池的冷卻設計策略。
- 電池熱濫用模型
同時使用Fluent和Twin Builder在耐熱試驗條件下仿真畢奧數小的電池熱濫用，使用TwinBuilder作為模板檢查熱濫用參數集。
結構強度分析
充電樁使用環境的復雜，不同部位的外殼材料有相對應的選材要求，既要達到性能要求，也要經濟適用。
展開 電芯一致性較差：
① 不同廠商、批次、梯次、不同壽命的電芯混用，部分電芯受過撞擊、沖擊；
② 盲目擴大單體能量密度、成組容量，電芯間差異被放大；
③ 成組過程中，電流匯聚通路設計、制造等不良，造成電芯充放電性能差異；
④ 對電芯應用場景內熱、力分布估計不足，導致長期使用后組內電芯差異明顯。
⑤ 等等
電芯應用場景超過出廠規格書的許用范圍：
① 將電芯應用于大量難以預測、沖擊振動劇烈的場景中，甚至隨意拆卸；
② 氣候惡化，電芯被動暴露在極端高溫、寒冷環境中；
③ BMS不成熟、充電設備故障，導致電芯被動過充過放；
④ 追求降低成本，強行將電芯應用在不適合的場景下，或使用問題電芯；
⑤ 等等
這些亂象都將推高鋰電池起火爆炸的概率，并隨著時間推移概率最終走向了確定，引發公共安全問題。
儲能站
交通工具
手機
其他消費電子
業內，對于鋰電池引起的火災的直接原因一般歸為局部電芯熱失控，蔓延造成的。熱失控的主要特征在于“失控”。
對于熱失控的原因需要做個區別：
第一、單顆或少量鋰電池發生熱失控的原因一般為：機械濫用、熱濫用、電濫用；
第二、大量成組的鋰電池，發生熱失控更多是組內個別電池被動承受濫用，引發失控并蔓延。
二、鋰電池熱失控的機理和仿真
我們從實驗、機理和模型三方面對熱失控進行分析和探索。
1、實驗表現
1)熱濫用，一般采用外部輔助加熱來復現電芯熱濫用造成的熱失控。其中電壓一般先行急速下降，幾分鐘后電芯起火噴發。
電芯內部一般從外向內開始蔓延，電壓較溫度更快反應出問題
2)機械濫用，代表性的是針刺和擠壓。
在針刺圓柱電芯過程中，電壓的下降和溫度上升間隔較短。
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、機械濫用失效、壽命衰減等問題成為研發核心痛點，嚴苛法規與市場競爭更倒逼企業加速技術迭代。
此外，?電池在特定條件下（?如機械濫用、?電氣濫用或熱濫用）?可能發生內部短路，?這也是導致熱失控的常見原因之一。?
外部條件對電池安全性的影響：?溫度對電池的影響起著關鍵性作用。?電池既需要散熱也需要加熱，?以防止發生熱失控。?
這種PW/BN/UHMWPE PCM用于封裝三重鋰離子電池系統，與傳統的PW/BN PCM相比，它使電池能夠更可靠地抵抗熱和機械濫用。這種通過將高導熱性和機械強度的纖維織物設計成基體的材料方法，也適用于其他導熱纖維和應用，這將為未來合成具有高導熱性和優異機械強度的聚合物復合材料提供更多機會。
最具代表性的鏈式反應包括：外部電、熱、機械濫用→內部產熱→SEI膜分解→負極與電解液反應、產氣→隔膜熔化→內部短路→安全閥開啟→正極與電解液反應、產氣→電解液分解、產氣→電解液、氣體燃燒→起火爆炸！從局部短路到大面積短路，電池內部溫度快速提升，可高達800℃以上，引發電池起火爆炸。
一般認為，熱失控是在外部誘發條件如熱濫用、電濫用、機械濫用下造成的。儲能電站鋰離子電池發生熱失控時，電池間會發生熱失控蔓延，進一步引發大規模的電池燃燒，如圖1所示。
接下來研究熱濫用或機械濫用下會發生什么？如何引起內部短路？以及之后會帶來什么樣的后果？
上圖展示了機械濫用測試，選取一個電芯，并使用壓痕器以較慢的速度壓凹電芯，由此測量得到力與位移曲線。與此同時測量電芯不同位置的電壓以及溫度的升高，隨后發生熱失控。
根據測試結果開展仿真，設置仿真參數以再現實驗結果。
儲能電池單體因質量缺陷、機械損傷、受熱或外部短路等導致鋰離子電池內短路，引發電池熱失控起火，在熱濫用的作用下，整個電池模組和電池簇被點燃甚至發生爆炸。
什么是電池熱失控？
電化學電池以不可控制的方式通過自加熱升高其溫度的事故即為熱失控。
什么是熱失控擴散？
熱失控發生的誘因可分為機械濫用（碰撞、擠壓、穿透等）、電濫用（外短路、過充電、過放電等）和熱濫用（局部過熱等）。
電池熱失控反應。來源：巖拓新材料
熱失控擴展典型事故。
熱失控發生的誘因可分為機械濫用（碰撞、擠壓、穿透等）、電濫用（外短路、過充電、過放電等）和熱濫用（局部過熱等）。
電池熱失控反應。來源：巖拓新材料
熱失控擴展典型事故。
電池熱失控/熱濫用
2.6.5. 電池電熱耦合設計與優化
2.6.6. 電池BMS系統
2.6.7. 電驅動系統集成
2.7. 電子電氣
2.7.1. PCB板級可靠性
2.7.2. 電子設備散熱/冷卻
2.7.3. 電氣部件振動
2.7.4. 部件級EMI/EMC
2.7.5. 天線射頻干擾
2.7.6. 天線設計與天線布局
2.8. 自動駕駛
2.8.1.
