電池系統熱失控仿真的案例
2025大賽優秀作品 | 電池系統熱失控多物理場建模及高溫氣體疏導措施研究
在此基礎上，結合AEC實驗數據擬合得到產熱/產氣速率方程，構建了CTP電池系統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律，發現在Pack尾部布置3個50mm泄壓閥時，系統內部的可燃氣體濃度能夠在17.3s內降至爆炸下限（LEL）以下，從而降低爆炸風險。
挑戰/需求
作者所在機構希望通過仿真工具建立高精度的電池熱失控產熱和產氣模型，并在此基礎上模擬CTP電池系統中單顆電池熱失控引起的熱量傳播與氣體擴散過程，以此評估隔熱設計的合理性并優化系統泄壓閥的布局與數量。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爆炸極限的效果，最終實現以仿真技術驅動熱安全設計達到降本增效的目的。
使用工具
Ansys Fluent、SpaceClaim、Fluent Meshing
最終成果
利用Ansys Fluent，作者在有限時間內探究了CTP電池系統內單顆電池熱失控后熱量的傳播和氣體的擴散過程，驗證了隔熱設計的合理性并評估了不同的泄壓閥設計方案，獲得了選擇最佳方案的可靠數據。仿真是此項研發中的重要工具，為作者節約了大量方案選擇時間，減少試驗次數，節省人力，降低風險。
展開 鋰電池仿真熱失控仿真解決方案
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。
儲能電池系統熱失控安全監測傳感器解決方案
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。
電池系統集成、檢測評價和回收利用中指導意見：
加強儲能電池多維度安全測試技術、熱失控安全預警技術和評價體系的開發與應用，突破電池安全高效回收拆解、梯次利用和再生利用等技術。
儲能系統智能預警安防中指導意見：
開發基于聲、熱、力、電、氣多物理8參數的智能安全預警技術，以及高效、清潔的消防技術。
電池儲能安全該如何化解？
電池熱失控是指電池持續放熱的連鎖反應，導致電池組溫度急劇上升，進而引發電池燃燒事故的過程。
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 
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 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 精華 | 基于TAITherm軟件的鋰離子電池熱失控仿真
TAITherm副反應腳本的編輯過程主要考慮電池熱失控導致的四類內部連鎖副反應：SEI膜分解、正極分解、負極分解以及電解液分解，四類反應的計算公式如下所示：
? S2：副反應熱
? H：反應熱(J/g)
? W：密度(g/m3)
? α：歸一化濃度初始值
? A：反應速率常數(1/s)
? R：氣體常數8.314J/(mol*K)
? m、n、p：反應級數
在0.1C與0.2C的電流下，基于TAITherm軟件和上述模擬方案進行電池的過充電熱失控仿真，反應結果如下圖所示。由仿真結果可知，在過充電條件下，電池發生熱失控的時間受過充電電流大小的影響，電流越大，發生熱失控的時間更早，且生熱量更大，即熱失控導致的溫度更大。因此，在使用過程中應防止鋰離子電池發生過充電現象，尤其是大電流過充電情況的發生，并注意對電池進行良好散熱，防止發生熱失控現象。不同充電電流下單體電池的溫度變化情況不同充電電流下單體電池的生熱量變化
當然，我們也可以對其他引起熱失控的場景進行模擬分析，比如，通過在TAITherm軟件中設置指定的環境溫度可以模擬由于環境溫度過高引起的熱失控；通過設置電模型的充放電電流大小模擬由于快速充放電引發的熱失控；通過電池包模擬由于輻射與熱對流造成的單體電池之間的熱失控擴展，用于評估抑制熱失控發生與擴展的策略等，以后有機會繼續跟大家交流。
經緯恒潤
北京市海淀區知春路7號致真大廈D座6層
郵箱：market_dept@hirain.com
網址：www.hirain.com
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 淺析“碳中和”戰略中鋰電池熱失控機理、COMSOL仿真和對策
5)總體熱失控能量
其中：α為反應進度；
Ea為反應活化能(J/mol)；
T為溫度（K）；R為氣體常數；
A為反應頻率因子(1/s)；
m,n為反應級數；
R為反應速度(1/s)；
H為反應熱(J/kg)，
W為反應物密度(kg/m^3)
以上的機理方程為后續鋰電池熱失控建模和仿真分析提供了理論基礎。
3、模型
根據以上控制方程，采用COMSOL Multiphysics 軟件的偏微分方程模塊進行建模，為了便于計算，對電芯做了一些假設：
忽略電芯內部實際細節；
忽略火焰的影響；
忽略電芯內部物質變化；
利用COMSOL Multiphysics 軟件，建立幾何模型，設置偏微分方程，設置參數，設置網格，求解和處理。
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。
展開 Amesim電池教程 電池熱失控模型 在線閱讀
概述
本文旨在描述Amesim中的電池熱失控模型的建模原理、使用方法，在電池熱失控過程中，各階段反應放熱模型以及各參數的物理意義。
模型原理：對于各階段的化學反應，基于用戶通過熱測試試驗標定好的參數，根據半經驗公式（Arrhenius）計算各階段的反應速率，再由反應速率對時間積分計算反應物質消耗及其放熱量。詳細過程如下所述。
2. 電池熱失控過程
2.1. 產生原因
當鋰電芯內部的生熱速率超過單體對外部的散熱速率時，鋰電池將發生熱失控現象。因此，鋰電池在任何情況下（充電/放電/存儲），都有安全溫度的限制要求Tlim。
A）正常工作區與失控發生區 B）外部溫度升高導致熱失控 C）換熱能力下降導致熱失控
電池熱失控的成因有多種，取決于電池自身的狀態以及外部因素
內部原因：
例如：電池內部化學原因導致的內部短路，電池自身的設計缺陷，電池的生產制造缺陷，電池的過充，BMS的軟硬件故障。
外部原因：
例如：機械外力（事故）導致的電池內部短路（穿刺等），外部環境溫度過高，外部電路短路等。
鋰電池熱失控的起始溫度（OTR-Onset of Thermal Runaway）一度被認為是鋰的熔點，大概180degC。但實際上在這之前已經發生了一系列的持續放熱化學反應，因此，實際熱失控的起始溫度要遠低于該值，對于一塊充滿的鋰電池，熱失控一旦發生，其內部溫度將持續增高，最高可達600 degC。
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）
通過對本課程的學習，盡管您是一位剛剛畢業的仿真小白，也可以通過本課程完成熱管理設計方法和熱管理仿真方法的入門到進階，讓您全方位成為一位真正的熱管理工程師，且學習完本課程后可以達到獨立承擔項目水平！
課程圍繞電池熱管理基本知識、儲能液冷和風冷熱管理設計方法、電池包幾何前處理、電池包網格劃分、仿真求解和熱管理仿真分析等方向展開講解，分為12大章節45講，一共77個技術點帶你全方位掌握新能源電池儲能熱管理仿真和結構設計～
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購課鏈接：
Starccm儲能風冷/液冷系統熱管理設計策略與仿真-十二大專題電池儲能熱管理設計仿真入門進階45講
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往期推薦
一文看懂「電池熱管理工程師」的進階路！月薪3W-6W不是夢～
汽車電池熱管理冷卻技術分析（含視頻詳細講解）
快速掌握！新能源動力電池熱管理仿真必備技能大揭秘！
新能源電池儲能，風冷和液冷哪個將有望成為未來主流儲能溫控形式？
好課推薦 | 新能源動力電池熱管理設計入門23講
【技術帖】基于OptiStruct的蓄電池支架有限元分析Ansys Fluent 電池熱失控仿真實例與驗證專欄 | 新能源動力電池熱管理設計和仿真分析
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熱仿真分享 | 動力電池PACK熱管理系統性能研究-STARCCM+
摘要：為延長電池使用壽命，提高電池安全性，需要對電池進行熱管理。電動汽車動力電池熱管理系統在理論分析、仿真建模、實驗驗證基礎上開展設計工作，綜合考慮了電池產熱原理、產熱模型、發熱功率后，確定了基于液體的熱管理模式。使用CFD軟件對所設計系統進行仿真和分析，并對工程樣機熱管理有效性進行了實驗驗證。
當前，整個電動汽車行業蓬勃發展。電池是電動汽車核心部件，電池的熱特性對整車性能、安全性、壽命及使用成本產生關鍵影響。
配置電池熱管理系統是改善電池組熱特性關鍵措施之一，系統熱管理功能包括：(1)在電池溫度較高時進行有效散熱，防止產生熱失控事故；(2)在電池溫度較低時進行預熱，提升電池溫度，確保低溫下的充放電性能和安全性；(3)減小電池組內的溫度差異，抑制局部熱區的形成，防止高溫電池過快衰減而降低電池組整體壽命[1]。
電池熱管理按照能量提供的來源分為被動式冷卻和主動式冷卻，其中只利用周圍環境冷卻的方式為被動式冷卻。隨著國家對電池能量密度、安全性、使用壽命以及快充要求的不斷提高，被動式的自然冷卻技術已經不能滿足電池散熱要求。當前主要的主動式熱管理形式有空氣強制對流熱管理、液體熱管理、熱管熱管理和相變材料熱管理等，而液體熱管理受到越來越多廠商的青睞[2-4]，特別是國外車企對于液體熱管理技術研究起步早，已經取得了一定成果，國內還處于研究探索階段。公眾號-新能源電池熱管理。
TeslaMotors公司的Roadster純電動汽車采用了液冷式電池熱管理系統。冷卻管道曲折布置在電池間，冷卻液在管道內部流動，傳輸電池產生的熱量。報告顯示在行駛約16萬公里后，Roadster電池組的容量仍能維持在初始容量的80%～85%，而且容量衰減只與行駛里程數明顯相關，而與環境溫度、車齡關系不明顯[1,5]。
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摘要：為延長電池使用壽命，提高電池安全性，需要對電池進行熱管理。電動汽車動力電池熱管理系統在理論分析、仿真建模、實驗驗證基礎上開展設計工作，綜合考慮了電池產熱原理、產熱模型、發熱功率后，確定了基于液體的熱管理模式。使用CFD軟件對所設計系統進行仿真和分析，并對工程樣機熱管理有效性進行了實驗驗證。
當前，整個電動汽車行業蓬勃發展。電池是電動汽車核心部件，電池的熱特性對整車性能、安全性、壽命及使用成本產生關鍵影響。
配置電池熱管理系統是改善電池組熱特性關鍵措施之一，系統熱管理功能包括：(1)在電池溫度較高時進行有效散熱，防止產生熱失控事故；(2)在電池溫度較低時進行預熱，提升電池溫度，確保低溫下的充放電性能和安全性；(3)減小電池組內的溫度差異，抑制局部熱區的形成，防止高溫電池過快衰減而降低電池組整體壽命[1]。
電池熱管理按照能量提供的來源分為被動式冷卻和主動式冷卻，其中只利用周圍環境冷卻的方式為被動式冷卻。隨著國家對電池能量密度、安全性、使用壽命以及快充要求的不斷提高，被動式的自然冷卻技術已經不能滿足電池散熱要求。當前主要的主動式熱管理形式有空氣強制對流熱管理、液體熱管理、熱管熱管理和相變材料熱管理等，而液體熱管理受到越來越多廠商的青睞[2-4]，特別是國外車企對于液體熱管理技術研究起步早，已經取得了一定成果，國內還處于研究探索階段。公眾號-新能源電池熱管理。
TeslaMotors公司的Roadster純電動汽車采用了液冷式電池熱管理系統。冷卻管道曲折布置在電池間，冷卻液在管道內部流動，傳輸電池產生的熱量。報告顯示在行駛約16萬公里后，Roadster電池組的容量仍能維持在初始容量的80%～85%，而且容量衰減只與行駛里程數明顯相關，而與環境溫度、車齡關系不明顯[1,5]。
展開 電池熱失控的檢測和BMS的發展方向
▲圖2.電池系統里面影響壓力變化的一些事件
2.汽車傳感器
由于燃料電池的原因，過往汽車傳感器廠家其實有一些技術儲備，主要是基于H2的泄露檢測，把這個借用過來用在鋰電池熱失控檢測上是比較好的解決方案。
▲圖3.基于壓力、CO2和H2傳感器對單電池熱失控的檢測
Part 2
電池管理系統的未來
在下面的恩智浦的《Next-Generation Architectures For Battery Management Solution》里面有一張圖比較典型，我們能看到在三電領域，都出現了高低壓分離，硬件和軟件分離的情況發生，也就是說未來分布式的電池管理軟件，可能會被集成到Domain 控制器甚至是放到集中運算平臺里面。
我的理解是，隨著熱失控緩解用到更多的熱管理組件，想要覆蓋上述這么多熱失控檢測和熱失控延緩，必然要形成集中處理的模式，同時對下層的硬件進行激活。
備注：這個過程還是比較慢，主要是BMS運算相對要求實時。
▲圖4.電池管理系統把自己做成全硬件產品
小結：我個人覺得，在這個電池檢測和熱失控延緩領域，會衍生出比較多的主動控制措施，需要調用更多的資源，這也使得電池管理的軟件更快進入上層。
展開 基于lab-on-fiber技術原位監測鋰離子電池熱失控
來源 | Nature Communications
01
背景介紹
隨著全球范圍內能源危機的出現，并在“雙碳”目標驅動下，鋰離子電池獲得了蓬勃發展，然而電池熱失控被喻為威脅電池安全的“癌癥”，是制約電動汽車與新型儲能規模化發展的核心瓶頸。因此亟需深入理解鋰離子電池熱失控演變機制，并提出早期預警策略以防止火災爆炸事故的發生。導致電池熱失控的根源，是電池內部一系列復雜且相互關聯的“鏈式副反應”。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。由此可見，“溯源電池熱失控發生的內在誘因，厘清各分步反應之間的耦聯關系，揭示熱失控主導機制與動力學規律，前移熱失控預警時間窗口”是從根本上解決儲能安全問題的核心。然而，由于電池的密閉結構和內部復雜的反應機制，電池內部核心狀態參量檢測的準確性和實時性無法保證。最新報道的具有“透視”檢測能力的科學儀器（如中子衍射、X射線衍射、冷凍電鏡等），由于儀器體積龐大、價格昂貴，無法應用于電池使用終端。如何科學、及時、準確地預判電池安全隱患，成為當前電池安全領域的國際性科學難題。
02
成果掠影
近期，中國科學技術大學孫金華教授和王青松研究員團隊與暨南大學郭團教授團隊提出了一種可植入電池內部的多模態集成光纖原位監測技術，在國際上率先實現了對商業化鋰電池熱失控全過程的精準分析與提早預警。
展開 