熱失控分析的案例
電動汽車動力電池熱失控過程分析及預警機制設計
在所有的事故原因中，熱失控問題占有很大比例。本文通過對動力電池熱失控過程的分析，設計出一套熱失控預警系統。這樣至少保證在整車發生熱失控之前能夠通知到車內的乘客，避免造成人員傷亡，同時能夠盡量減少事故帶來的財產損失。
一、熱失控過程分析
鋰電池的熱失控主要是由于電池內部產熱速率遠大于散熱速率，在電池內部積累了大量的熱量，從而引發單體電池的著火或爆炸。單體電池的熱失控又會擴散到整個電池系統，導致整個電池系統甚至整車的起火或爆炸事故。
為研究動力電池系統熱失控發生的過程，我們外接熱源的方式對電池進行加熱從而引發熱失控。試驗表明，在單體電池發生熱失控時伴隨有電池電壓的變化、電池及環境溫度的變化、電池包內氣壓的變化及氣體成分的變化。我們將出現異常的的信號分為溫度、電壓、氣壓（或氣體成分）三個大類，分別進行分析。
針對溫度信號在熱失控過程中的分析：電池的溫度在熱失控發生前會有一個持續的較快速率的上升過程，如圖1數據所示（橫軸時間單位為秒，縱軸溫度單位為℃），在前720秒的時間內，溫度從室溫25℃持續升高到62℃。隨后發生單體電池的熱失控，溫度急劇上升到430℃。第一節電池能量釋放完之后溫度會下降，到第787秒第二節電池熱失控，同樣溫度短時間內急劇上升。如此發生連環性的熱失控反應，最后整個電池包都發生熱失控。
針對單體電池電壓信號在熱失控過程中的分析：電池的電壓在熱失控發生之前基本維持在平臺電壓保持不變。在熱失控發生的瞬間，實測在2秒內電壓會下降到1V以下。圖2（橫軸時間單位為S，縱軸電壓單位為V）中符合以上特征，第一個發生熱失控的電池在第720秒之前電壓恒定在4.13V，在第720后開始急劇下降，到第722秒幾乎降到0V，之后由于檢測電壓的電路受損燒毀均為無效值。
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
本文將介紹一種對電池碰撞安全進行仿真分析的工作流程。該流程基于LS-DYNA求解器，通過對力、熱、電、電化學等多物理場耦合，搭建起了一套電池安全仿真框架，可對電動汽車發生碰撞時的電池情況進行模擬分析。
背景介紹
對于電動汽車而言，了解車輛在碰撞過程中的電池狀況至關重要，這種情況雖少見，但確能夠引發火災甚至爆炸。為此，LS-DYNA開發了一種多物理場耦合模塊，能將電動汽車碰撞時電池受撞擊的情況考慮在內。
此前LS-DYNA已利用Randles等效電路開發出了一種能求解力-熱-電磁-電化學的多物理場求解器。
這種Randles等效電路是分布式Randles電路，目的是用內部短路局部替換Randles電路，并使電流流過，這些短路足以引發放熱反應或熱失控。
仿真模型的選擇取決于要仿真的物理尺度。
由于碰撞發生的時間通常在毫秒之間，熱失控可能發生在碰撞后的幾分鐘甚至幾小時后。為解決電池內存在的不同時間尺度問題，首先使用毫秒級時間步長進行結構仿真，當機械變形完成后，利用剛柔轉換功能將結構轉為剛體，并使用較大的時間步長進行電和熱的計算，該過程可根據需要計算數分鐘或數小時。
計算本身需要依靠大量試驗來表征某些參數，如電芯的機械屬性和熱屬性等，這些屬性很大程度上取決于所用電芯的類型、化學原理、形狀、尺寸、內部短路的起始時間、短路阻抗值等。
展開 淺析動力電池熱失控機理和仿真分析
3、系統級熱管理仿真
進行系統級電池冷卻分析，進行chiller和散熱器等部件選型
能夠考慮電流限制的影響
能夠建立從電池熱管理的子系統模型到整車的能量管理模型，從而全面的分析車輛系統和子系統/零部件的能 量流動和效率以及相關控制策略的設計優化
4、動力電池PACK仿真分析
由于篇幅的原因，新能源汽車熱失控仿真分析筆者不再贅述。但是筆者先前在技術鄰平臺發布原創精品課《新能源汽車PACK熱流體仿真進階20講》和《新能源動力電池熱管理設計入門到進階23講》已經更新完結，感興趣的朋友可以訂閱。
展開 設計仿真 | 直播預告-電池熱失控仿真與電力電子散熱仿真解決方案
隨著移動和運輸系統的電氣化程度不斷提高，電池設計和熱管理日益成為原始設備制造商和系統供應商高度優先考慮的領域，希望在其產品中提供一流的安全性。而電池的生熱和熱失控熱性是影響電動汽車使用和安全性的重要條件。
為了保證鋰電池的最佳性能、安全性和使用壽命，鋰電池必須在特定的溫度范圍內工作。因此，電池系統的熱管理至關重要。此外，在模擬中對實際電池單元進行真實物理建模的成本非常高。針對新能源電池行業面臨的挑戰，海克斯康工業軟件旗下Cradle CFD軟件可以進行高效的熱失控仿真分析，解決電池中的熱失控的仿真難題。
本次直播將帶來海克斯康電池熱失控仿真解決方案，包含熱失控仿真流程、新能源電控系統解決方案、新能源電控系統的優化方法以及儲能系統熱仿真解決方案，歡迎報名預約！
展開 
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 應用COMSOL APP分析鋰電池熱失控蔓延防控措施
其中有的是立即發生熱失控，如鋁和負極的接觸；而正極和負極接觸一般不會發生熱失控；<strong>鋁和銅接觸的危險程度也比較高，但是不一定馬上引發內短路</strong>。</p><p> 對于實際模組管理中，可以<strong>通過應用數值仿真輔助的一致性差異檢測，辨識出來早期的內短路個體電池</strong>，對潛在的熱失控做早期的隔離、熔斷和必要溫控措施。當然，除了早期防范外，系統設計也應當考慮到極端的熱失控燃爆對周圍電芯的影響，極力避免大量電芯被蔓延，引起重大事故。</p><p> 一般情況下，熱蔓延抑制設計包括隔熱設計和散熱設計、噴淋設計，隔熱設計是利用不同隔熱材料防止模塊熱蔓延，散熱設計是不同液冷流量對熱蔓延進行抑制，<strong>噴淋設計是在自動識別關鍵溫度和特征后啟動一定量的冷液噴淋，快速降低目標自發熱電芯溫度。</strong></p><p><br></p><p> 此次采用Comsol<strong>設計了一套關于少量電芯模組的熱失控仿真模型APP，</strong>采用緩慢內短路內發熱逐漸引發熱失控的方式。其中引入了智能噴淋功能，預測不同噴淋控制參數帶來的防控效果。</p><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/202112/9508625c54f348a09993aeae38a0e523.png"></p><p><br></p><p>此次設定在約110~120度時啟動持續噴淋，可以看到當達到閾值的噴淋降溫能力后，熱失控被壓制住。
展開 電池熱失控的仿真和優化
圖7 煙氣隔離蓋
02
系統措施
現在行業里面都在提零熱失控，也就是即使電芯熱失控，整包也能控制住。這個我們能采取的手段如下圖所示，手段都是相似的，就是在不同位置和不同條件下是否能做到完全的一致，完全能在可控范圍內。
泄壓：通過泄壓閥的設計，在熱失控的時候把高溫的其他排出去防止壓力的堆積
噴發物控制：方殼電芯有小一半的熱量是通過噴發物排出來的，所以在電池系統里面需要設計完善的排煙通道并且把噴發物和其他電芯進行隔離
降溫：在預警出現以后，開啟整車水泵對電池系統進行緊急的降溫的措施，盡量把熱失控的電芯的熱量通過原有的熱管理系統排出去
預警：采用壓力傳感器搭配溫度和電壓檢測的辦法，在一個電芯出現熱失控，整包的氣壓出現變化以后就進行喚醒，然后確認熱失控的情況。
展開 淺析“碳中和”戰略中鋰電池熱失控機理、COMSOL仿真和對策
教程鏈接：https://www.yqgqt.org.cn/college/video/c16490
基于上述基礎模型，擴展研究分別建立了32650單體熱濫用失控仿真模型、軟包模組的熱失控蔓延模型、軟包單層穿刺熱失控模型等等。
① 32650單體熱濫用失控仿真模型
熱失控溫度峰值時候，模型展示的溫度分布。右邊展示了仿真結果和實驗數據的對比。
在此模型基礎上，繼續研究了不同電芯初始容量對熱失控的影響。
電芯初始容量越高，熱失控的峰值溫度越高，對后續的蔓延有一定的影響。
② 軟包模組的熱失控蔓延模型
原文鏈接：https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1794975
實驗采用三顆三元軟包電池，從左到右編號 1,2,3 。
對1號電池單側加熱直到熱失控，電芯之間采用不同厚度的隔熱物質，模型定量的計算了電芯之間蔓延的時間，分析不同厚度、不同屬性的隔熱物質對蔓延時間的影響。
這個模型是未來進行熱失控阻斷的基礎模型，也可以使用在對機器學習的訓練上，幫助機器學習算法準確預測熱失控。
③ 軟包單層穿刺熱失控模型
原文鏈接：
https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1788316
鋼針插入電芯右側，引起短路導致電流匯聚并產生大量熱量
隨著溫度升高導致熱失控發生
comsol電化學仿真計算出來的電壓變化曲線，在刺穿不同電化學層時，體現出來的電壓臺階。
在3秒~5秒之間，穿刺的深入，電壓迅速降低到0V附近。軟包電芯針刺區域最高溫短時間內上升到接近300度。
展開 基于comsol的18650鋰電池熱濫用失控分析 ￥2500
image_process=/format,webp/quality,q_40/resize,w_760" data-initial-src="https://img.jishulink.com/upload/202103/770788e82a794efc8c6e5b04d3bef4bb.gif">
</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 不同老化路徑對鋰離子電池熱失控行為影響對比研究
在熱失控特性演變方面，電池正極材料的熱穩定性在全生命周期內無明顯變化，電池熱失控特性演變主要取決于負極材料+電解液反應體系的變化。其中，負極析鋰將導致電池熱失控溫升速率明顯增加，T1和T2大幅降低，熱失控特性急劇變差。負極SEI膜增厚本身對電池熱失控特性影響不大。然而，當SEI膜增厚消耗大量的可用鋰離子，引起負極嵌鋰量明顯下降時，電池負極材料的熱穩定性將會提升，相應地，電池的熱失控特性也會變好，具體表現為自產熱起始溫度T1升高，熱失控溫升速率降低。電解液消耗將導致電池熱失控釋放的總能量減少，最高溫度T3降低。
4.總結
作者研究了不同老化路徑對鋰離子電池熱失控行為的影響，發現老化過程中正極發生的副反應（包括正極顆粒破碎、CEI膜增厚以及過渡金屬溶解等）對電池熱失控特性演變無明顯影響，電池全生命周期熱失控特性演變主要取決于負極材料+電解液反應體系產熱特性的變化。具體地，電解液消耗會引起電池熱失控釋放的總能量減少，最高溫度T3降低。SEI膜增厚引起的負極嵌鋰量明顯下降將導致負極材料的熱穩定性提升，引起電池自產熱起始溫度T1升高，熱失控溫升速率降低。然而，負極析鋰將導致電池的絕熱熱失控性能急劇變差，具體表現為熱失控溫升速率明顯增加，T1和T2大幅降低。
—— 感謝閱讀 ——
展開 汽車電池熱管理熱失控原因及預防策略介紹（附視頻教程）
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展開 
如何看待熱失控防護措施的迭代？
天一和千葉寫過一篇研究報告《新能源車前瞻技術研究之一：新能源車自燃問題分析》，我想就里面一些內容也做一些精簡。
▲圖1.沃爾沃設計的電池系統
Part 1 熱失控防護技術迭代
中國是最強調熱失控防護技術的國家，核心還是中國的企業特別多，應用領域也很分散，所以這個領域其實國內是走在世界前列的（燒的多了，自然也就成為一個顯性問題需要大家來克服）。
我的理解：
第一代熱失控防護方案：
對圓柱來說最簡單，特斯拉的設計結構是最為典型的，方形的難度更大已突破，軟包的實現難度難度最高。三種電池技術，都是圍繞加強隔熱，加快散熱為主要技術手段。通過單體釋放能量、單位散熱能力、周邊電芯隔熱能力等多維度定量分析。
?圓柱電池
這種設計的原則是通過一定的空間進行隔離，然后通過填充隔熱材料來充分把電芯熱失控條件下的熱量隔開。在熱失控傳播條件下，這種材料阻隔單個5Ah以上電芯散發出來的能量。
▲圖2.典型的21700圓柱熱隔絕的示意圖
在4680的時代，整個設計邏輯也是相似的，只不過按照調研的情況，電芯的開閥方向和我們之前理解的不一樣，是往下噴射，并且采用了隔熱材料防止用戶感知到會恐慌。CTC時代腳底下就是一層電池，所以需要隔熱材料進行防護。
▲圖3.電芯之間的空隙成了核心關鍵了
?方殼設計
其實每家的設計都是趨同的，分為電芯層面的隔絕、電連接的隔絕。
▲圖4.方殼模組熱設計示意圖
這一波使得做材料的廠家特別開心，如下圖所示，以3M為例，圍繞這套熱隔絕技術形成了一系列的譜系，你按著材料標號選就可以了。
展開 鋰電池仿真熱失控仿真解決方案
福州天佑信息技術咨詢有限公司是一家以計算機輔助工程CAE為主業，集CAE師徒教學，CAE計算分析，CAE咨詢、CAE培訓為一體的高科技企業。公司精心凝聚數十位位來自不同領域的CAE技術背景和工程經驗的資深專家，為客戶提供高水平的CAE工程咨詢、培訓、教學等服務。本文主要分享公司某工程師關于鋰電池仿真、熱失控仿真解決方案。
本案例模型及相關操作，請與我溝通交流。
汽車鋰電池熱失控與熱管理全新解決方案及新能源電控系統優化方案介紹【8月8日直播】
*精彩直播預告
鋰電池作為主要動力電源之一已被廣泛應用于各個行業，因其高能量的特點，預防電池熱失控進行電池熱管理控制一直是被企業重點關注的問題。為了保證鋰電池的最佳性能、安全性和使用壽命，鋰電池必須在特定的溫度范圍內工作，而如何有效的預防鋰電池熱失控進行熱管理是企業面臨的嚴峻挑戰。海克斯康工業軟件旗下的Cradle CFD軟件可以為電池熱失控和熱管理提供全新解決方案。
Cradle CFD軟件具備鋰電池的簡易平衡模型，同時還具備詳細電化學P2D模型，可以對單電池以及整體電池包進行熱仿真。針對電池熱失控問題，現有1D-3D耦合方法計算量大、輸入參數多、計算時間長等問題存在，Cradle CFD軟件開發了新的電池組的半經驗模型，可以給工程師提供高效的工作流程，快速計算開發出強大的鋰電池產品。
本期海克斯康直播講堂請到了流體仿真專家李晶博士為我們詳細講解鋰電池熱失控和熱管理全新解決方案，同時幫助用戶了解并結合機器學習優化新能源電控系統解決方案，最后傳遞IGBT等快速傳熱分析所用的BCI-ROM新方法，超多干貨，精彩不容錯過！
8月8日 14:00
▲ 掃碼參與報名立即預定
直播內容聚焦
?? 電池整體解決方案：
解決多尺度問題
解決多物理場問題
?? 電池熱安全解決方案；
?? BCI-ROM解決方案。
展開 鋰電儲能系統熱失控防控技術研究進展
1.2 特征溫度規律
Feng等揭示了熱失控特征溫度規律，認為熱失控有3個特征溫度T1、T2、T3，如圖3所示。T1為自產熱起始溫度，從此溫度開始，內部活性物質開始具有明顯的放熱反應，此階段各反應有重疊發生且持續時間長；T2為熱失控觸發溫度，此溫度代表電池內部發生內短路，熱失控此時發生，溫度瞬時升高，氣體產生并迅速積累，容易形成射流火焰；T3為熱失控最高溫度，表示電池在熱電化學能量都被釋放出來時電池可達到的最高溫度，此溫度一般對應最高的熱釋放速率，幾乎和熱失控觸發溫度T2同時出現。Zhang等、Liu等和Zhao等利用不同濫用方式觸發熱失控的研究均驗證了此規律的正確性。據此，可將熱失控劃分為3個時期：T1～T2為熱失控早期，T2～T3為熱失控發生期，T3之后為火災初期。熱失控特征溫度規律可為熱失控防控技術與措施提供參考，即如果能在熱失控早期將熱失控演化的信號識別出來，就可以避免火災事故的發生。
圖3熱失控特征溫度規律
1.3 熱失控產氣規律
電池熱失控致使火災事件發生，電池內部副反應除了貢獻了熱量，還釋放了大量可燃、有毒氣體。可燃氣體在電池殼密閉空間迅速產生形成了鋰電池火災的特殊現象射流火。結合目前對熱失控氣體成分的測量發現，產生的共性氣體有CO、H2、CO2、CH4、C2H6、HF、電解液蒸汽等。對熱失控產氣規律的認識有助于理解電池的燃爆特性并提供防控思路。進一步地，Mao等建立了18650型鋰電池的集總模型，填補了熱失控過程中關于氣體產生速率和射流速度的知識空白。Li等根據熱失控噴發氣體火災三角形，指出打破火災三角形邊界任何一個因素都可以阻止熱失控氣體著火。此外，Zhang等對氣體毒性進行了評估，Mier等提供了計算電池內部壓力積聚的方法，增進了對熱失控產氣的認識。
1.4 內短路機理
Maleki等采用實驗和熱建模的方法研究了內短路。
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