熱濫用的案例
基于comsol的軟包鋰電池熱濫用失控蔓延分析
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 專家解讀新能源車自燃的罪魁禍首：鋰電池熱失控
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 Ansys應用于新能源汽車充電樁行業工程仿真解決方案
- 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 
淺析“碳中和”戰略中鋰電池熱失控機理、COMSOL仿真和對策
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。
展開 從單電芯的擠壓、針刺測試到整車碰撞仿真的熱失控分析
具體工作流程
選取單個電芯開展熱濫用或機械濫用仿真來描述內部短路的發生，短路導致電芯溫度增加，隨后氣體釋放導致膨脹或漏氣，接著引發裝置著火，甚至在電芯之間傳播蔓延，這是仿真的工作原理。
上圖展示了一款近期仍在研究中的典型的車用級軟包電池，它們在100%電荷狀態下進行測試。
首先需要獲得Randles電路參數，通過容量放電測試和HPPC測試得到。通過測試電芯可以收集Randles電路參數，以了解電芯在常規用途下的工作方式。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。首先可以采用*MAT_063可壓碎泡沫材料構建力學模型，上圖展示了使用四種不同的壓頭所產生的結果，對力-位移進行仿真與實驗的對比。
由實驗可知，使用該本構模型得到的結果與試驗結果高度吻合，該電芯材料本構模型在這種情況下可以信賴。
通過實驗可知，短路時電壓有明顯的變化，找出要重現實驗中的電壓下降所需的短路阻抗和判斷短路發生的參數。如通過某些依賴于應變或溫度的條件去觸發電路短路，產生內部短路后，溫度會明顯上升。上圖右下案例中前2.5s左右的黑色曲線表示的是由焦耳熱引起的溫度升高，它只與進入內部短路的環路電流有關，然后必須添加熱失控或放熱反應模型，以匹配后續的溫度，也就是圖中的紅色短橫線（實驗值）。
熱濫用的測試實驗過程，由于不會產生任何機械變形，也不需要解決任何機械問題。
展開 純電動汽車電池熱管理技術研究
研究鋰電池一般按照幾個模型進行分析，分別是電化學-熱耦合模型、熱濫用模型和電-熱耦合模型，而鋰電池的熱特性分析通常使用熱濫用模型。這些研究分析模型都對應著不同的分析范圍，不同的研究要求和研究條件就要選用不同的分析模型，這些模型的分析結果也不太相同，主要表現在分析結果的精度和可靠度上?；旌蟿恿ζ嚍樘岣吣茉蠢寐剩梢勒者\行的策略來設計對應的能量回收，如果電池處于一個大電流充電的狀態下，很可能會發生過充現象。這時，風扇如果能帶走大部分熱量或者這種狀態持續的時間不長，電池包中的電池溫度不高，那么過充只有電解液的分解，這個時候電池還是安全的。可是，電池的散熱性如果不好的話，那么金屬氧化物的正極就會發生脫鋰現象，化學活性變強，電池溫度繼續升高，如果持續的時間過長，就會使電池發生熱失控。
2 動力電池熱管理系統設計要求
動力電池熱管理系統設計時，首先需考慮電池包適宜工作范圍，廣泛應用的鋰離子電池正常工作溫度范圍為充電情況下0-55℃，放電情況下-20℃-60℃，最佳充放電溫度范圍為20℃-35℃，電池處于最佳溫度充放電時可使電池性能最優及循環壽命最大化，且能有效的避免電池熱失控問題。確定動力電池系統最佳溫度范圍后，現階段純電動汽車大多采用液冷結構，根據整車需求進行熱管理系統匹配選型，同時參照動力電池系統工作需求，制定系統工作閾值，其中環境溫度的影響可根據實際電池的散熱需求調節，制定電池熱管理系統最佳控制模式。
展開 高效管理大型電池系統
面向電池優化的多物理場仿真
目前最流行的電池是鋰離子技術電池，不過研究人員也一直在探索能效更高、防熱和阻燃能力更強的材料。
在探索材料系統時，科研人員必須重新研究每個材料系統的基本性能。由于材料都具有獨特的熱、結構、電磁與電化學性能，因此需要采用ANSYS多物理場解決方案徹底模擬電池系統。OEM電池制造商及其供應商都使用ANSYS Fluent以解決電池設計、熱管理和熱失控等問題；采用ANSYS Mechanical處理加熱與冷卻的溫差產生的結構應力與應變；采用ANSYS Twin Builder進行電池組運行的系統級建模。這種完整的解決方案可以幫助工程師解釋電池設計、生產和運行過程中的各種物理變化。
Fluent可以基于多尺度多維度(MSMD)方法提供3D計算流體動力學分析。這種方法適合用于從材料尺寸（10-9米）、電極對尺寸（10-4米）到成品電池組尺寸（10-1米）的CFD仿真，涵蓋10個尺度量級。Fluent包含三種不同的電化學模型，可用于優化電池系統的發電能力。
此外，Fluent還可用于分析電池與模塊之間的熱流動，以確定方形蓄電池組或者圓柱形蓄電池組在各種強制冷卻條件下的溫度。我們發現控制鋰離子電池的溫度至關重要，有助于防止其因過熱而發生火災。
電池在運行過程中各部件的溫度發生變化，材料由于不同的熱膨脹系數會產生膨脹或收縮。材料的膨脹與收縮會導致電池組件產生壓縮或拉伸應力，若其誘導應變超出給定材料的臨界水平有可能發生變形或失效。通過結合使用Mechanical與Fluent，工程師可開展雙向多物理場仿真，以追蹤溫度對結構的影響，從而確保電池組件能夠承受產生的熱應力。
在極端情況下，如：電動汽車發生碰撞時，應當考慮電池的熱濫用。首先是發生結構失效，這會降低電池受影響區域的接觸電阻。
展開 基于comsol的磁場對鋰電池的影響仿真
; <a href="https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1801662" target="_blank" title="基于comsol的電芯電化學充放電膨脹分析">基于comsol的電芯電化學充放電膨脹分析</a><br></strong></p><p><strong> <a href="https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1794975" target="_blank" title="基于comsol的軟包鋰電池熱濫用失控蔓延分析">基于comsol的軟包鋰電池熱濫用失控蔓延分析</a><br></strong></p><p><strong> <a href="https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1304825" target="_self" title="基于Comsol 鋰電池電化學擬合的一種方法" textvalue="基于Comsol 鋰電池電化學擬合的一種方法">基于Comsol 鋰電池電化學擬合的一種方法</a><br></strong></p><p><strong> &
展開 快速可靠，高度保真 | 《ANSYS汽車行業CAE經典應用案例》現已開放領取
熱管理
2.1.3. 氣動噪聲
2.1.4. 水管理/污水管理、涉水結構損傷
2.1.5. 碰撞安全
2.2. 底盤
2.2.1. 剎車嘯叫
2.2.2. 油箱高速碰撞
2.3. 車內
2.3.1. 乘員艙舒適性
2.3.2. 兒童安全座椅防護
2.3.3. 座椅加熱EMI/EMC
2.3.4. HUD虛擬設計與優化
2.3.5. 視覺與人際工學
2.4. 車外
2.4.1. 智能頭燈虛擬測試
2.4.2. 車燈除霜/除霧
2.4.3. 鈑金沖壓
2.4.4. 裝配系統數字化工程
2.5. 動力總成-燃油
2.5.1. 渦輪增壓器轉子動力學
2.5.2. NVH與虛擬聲音設計
2.6. 動力總成-電驅動
2.6.1. 驅動電機多學科優化
2.6.2. 電驅動系統NVH
2.6.3. 高壓線纜EMI/EMC
2.6.4. 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. 攝像頭虛擬設計
2.8.2. 攝像頭硬件再環
2.8.3. 毫米波雷達
2.8.4. 夜間/霧天激光雷達性能
2.8.5. 邊緣場景自動識別
2.8.6. 功能安全
2.8.7. 預期功能安全（SOTIF）
2.9. 制造
2.9.1. 車輛防銹
2.9.2. 電極涂層質量提升
2.9.3. 電泳
2.9.4. 型材模具擠壓成型
二、本期資料如何獲?。?/span>
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鋰離子電池從理論上來講可以認為是一個濃差電池，正極和負極之間交替處于富鋰和貧鋰狀態，利用正負極之間的電勢差驅動鋰離子電池在正負極之間移動，從而達到儲存電能和釋放電能的目的。但是在Li+嵌入和脫出正負極材料的過程中，會導致活性物質發生體積膨脹，從而在鋰離子電池內部產生應力，特別是在嵌鋰不均勻時，不同嵌鋰狀態的活性物質會產生不同的應變，因此導致顆粒內部產生極大的應力，導致顆粒產生裂紋和容量衰降。
由于鋰離子電池是一個封閉的體系，我們難以對正負極材料嵌鋰過程中的反應進行直接的觀測，因此建模也就成了了解鋰離子電池內部反應機理最為有效的方式。
展開 
電動汽車電池測試參數
但是，在寒冷的夜晚和炎熱的白天里，溫度也會每天發生波動，這可能會導致需要考慮頻繁的熱應力。如果將車輛放在陽光下而不使用，則設計人員可能需要考慮是否需要從未斷開的自動冷卻系統。
電氣
在正常條件下，設計人員將能夠確定從電池到電動機的電流消耗，從而確定電纜尺寸和保險絲設置。但是，需要考慮許多可能對電池造成嚴重影響的其他電氣因素。其一，在充電和放電期間電池電壓的變化率會導致過熱。另一個要考慮的因素是電網故障期間主電源的電壓尖峰，這可能會嚴重損壞電池系統。
符合性測試的類型
監管機構規定了許多針對電動汽車的標準。在ISO出版了40標準，涵蓋安全從單個元件一路攀升至V2X協議的水平。UL（Underwriter Laboratories）是另一個監管機構，針對電池測試提出了編纂規則，其中包括涉及電動汽車電池安全性的UL 2580，并提出了有關這些電池必須如何承受各種濫用行為的要求。
盡管有許多標準和監管機構，但為電池安全而設計的測試都集中在確保EV電池能夠承受可能引起安全問題的各種環境和條件。
這些條件包括：
標準熱測試–在各種溫度下存儲等
熱濫用–承受突然的高溫等
熱冷卻損失–承受冷卻不足
機械振動–承受車輛振動
機械沖擊–承受突然的沖擊
機械撞擊和擠壓–測量電池在碰撞中如何應對擠壓
機械穿透–承受穿透（例如，短電池）
電氣短路–處理短路
電氣過充–過度充電不會損壞電池或導致故障
電動放電–確定快速放電是否會因氣體積聚等導致損壞。
EMC敏感性–承受EM干擾源
高壓保護–防止突然的高壓
電氣關閉完整性–確保關閉隔離器正常運行
電氣不平衡充電–確保在不平衡充電期間電池安全
環境–在海拔，濕度，濕度和火災中生存
浸水–確保浸水期間電池安全
結論
制定標準以確保設計不僅使用通用的兼容硬件和軟件解決方案，而且確保它們滿足最低的安全級別。
展開 基于comsol的18650鋰電池電化學仿真 ￥3500
COMSOL</strong></a><strong> APP分析鋰電池熱失控蔓延防控措施</strong></p><p><strong> </strong><a href="https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1801662" rel="noopener noreferrer" target="_blank"><strong>基于comsol的電芯電化學充放電膨脹分析</strong></a></p><p><strong> </strong><a href="https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1794975" rel="noopener noreferrer" target="_blank"><strong>基于comsol的軟包鋰電池熱濫用失控蔓延分析</strong></a></p><p><strong> </strong
展開 儲能電池系統熱失控安全監測傳感器解決方案
通過對儲能事故分析發現，造成事故的主要因素有以下幾點：鋰離子電池熱失控。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？
熱失控電池產生的熱量高于它可以消散的熱量時，熱量進一步積累，可能導致火災，爆炸和氣體釋放。如果電池系統中，由于一個電芯產生熱失控而引發其他電芯熱失控，即為熱失控擴散。國家標準GB/T 36276—2018中給出的熱失控擴散定義如表2所示。
熱失控的引發原因？
熱失控現象的產生原因可以分為兩類：內因和外因。內因主要指在電池設計及制造過程中產生的原因；外因主要指在電池運輸、安裝及運行維護過程中由于人員、外部條件等導致的原因。分類概括如下▼
鋰電池熱失控反應特征非常劇烈-失控難控制
熱失控預警：儲能電池多維度安全監測預警技術受到國家層面高度重視！
針對熱失控預警技術，2022年08月29，工信部公開征求對《關于推動能源電子產業發展的指導意見（征求意見稿）》的意見（以下簡稱《指導意見》）給出了指導意見。
展開 Comsol 鋰電池電化學擬合的一種方法 ￥3000
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