電池安全仿真的案例
Ansys+清華大學：聚焦電池安全，探索仿真前沿
5月27日-28日，由Ansys與清華大學車輛與運載學院聯合主辦的“熱失控實驗與仿真培訓班”在清華大學順利舉行。此次培訓聚焦電池安全的前沿話題，吸引了來自動力電池、儲能電池、新能源汽車等領域的研發工程師與技術管理者，通過理論講解、實驗操作與案例建模等形式，全面剖析電池熱失控的成因、演化機制與仿真預測方法，活動現場座無虛席，反響熱烈。
仿真技術為產業升級帶來的
電池安全設計保駕護航
隨著新能源技術和儲能產業的快速發展，動力電池和儲能電池系統在高能量密度、高倍率充放電等方面持續升級，與之俱來的電池熱失控熱蔓延風險日益凸顯，工程仿真在電池安全設計中的作用也愈發重要。如何精準預測并有效抑制熱失控，成為整個產業鏈亟需解決的核心難題。
尤其目前，工業和信息化組織制定的強制性國家標準——《電動汽車用動力蓄電池安全要求》（GB38031-2025）正式發布，將于2026年7月1日起施行。新國標首次提出因內短路發生熱失控后不起火不爆炸的要求，被稱為“史上最嚴電池安全令”。動力電池新國標實施后將有效降低碰撞后新能源汽車動力電池燃燒的風險，可以更好地保護消費者的生命安全，同時也對所有整車和電池企業提出新要求，尤其是對熱失控熱蔓延核心技術提出了更高的要求。
針對這一背景，Ansys與清華大學攜手打造此次培訓班，依托清華大學在電池安全基礎研究的深厚積淀，結合Ansys在多物理場仿真平臺的領先能力，旨在為產業界提供具普適性的解決方案，推動電池安全仿真技術的發展。
展開 電動車動力電池安全性測試與仿真
從以上幾點變化可以看出，報批稿對電池包結構強度要求至少降低了一半。只要電池包結構的設計不是特別單薄，通過報批稿規定的測試項目難度并不大。但報批稿只考慮了最基本的安全要求，企業進行測試和仿真分析時應該采用更加嚴苛的標準。
2 振動疲勞仿真
電池包振動測試是模擬試驗場強化道路激勵，考察電池包的結構耐久性能，試驗裝置如圖1所示。
圖1 電池包振動測試設備
振動測試包含三個方向的隨機振動測試和和三個方向的24Hz定頻測試，必須在同一個試驗對象上實施。報批稿要求電池在振動試驗后無泄漏、外殼破裂、起火或爆炸現象，但疲勞仿真分析無法對起火和爆炸做出判斷，只能判斷電池包結構是否發生開裂。建議將仿真分析目標值設定為電池包結構的損傷值<0.2，留出一定安全裕度。
電池包隨機振動測試是施加單通道加速度激勵，隨機載荷用如圖2所示的PSD曲線描述，大多數疲勞軟件都能模擬這種工況。推薦采用頻域疲勞分析軟件CAEFatigue，也可采用更常見的Femfat和nCode軟件。
圖2 報批稿規定的隨機載荷PSD曲線
雖然報批稿中的載荷PSD曲線是來源于多個車型在通州試驗場的路試，但根據本人做的一點研究，對于國內大部分整車企業的整車耐久路試規范，報批稿所規定的隨機振動載荷強度是略低于試驗場強化路工況的。也就是說，即使電池包通過了報批稿規定的隨機振動測試，在試驗場強化路進行整車耐久試驗時，仍有可能出現疲勞破壞。
所以建議進行隨機振動疲勞測試和仿真時，將圖2的PSD曲線提升20%。
展開 汽車究竟要跑多久，蓄電池才能充滿GBT 31485-2015 電動汽車用動力蓄電池安全要求及試驗方法
汽車蓄電池作為汽車上非常重要的一個配件，是通過發動機來充電的。
今天就來給大家講講關于蓄電池的一些知識。
汽車要跑多久，才能給蓄電池充滿電呢？
當我們關掉車上所有用電設備時，排量在兩升以下的車，汽車大概跑5到10分鐘就能給蓄電池充滿電。
當汽車當汽車停放時間過長，處于虧電狀態時，需要充電20小時左右才能為蓄電池充滿電。
一般汽車蓄電池的壽命在三到四年左右，當汽車比平時更難啟動或者是蓄電池出現鼓包時，說明蓄電池即將報廢，我們需要更換新的蓄電池了。
我們平時究竟該如何保養蓄電池，才能延長蓄電池的使用壽命呢？
首先不要長時間停放。即使沒時間開汽車，也要定期啟動一下汽車發動機，為蓄電池充一下電。
其次大家在停車熄火前一定要先關大燈和空調。
汽車蓄電池作為汽車上面的核心部件起著非常重要的作用，大家平時一定要好好保養汽車蓄電池。
下載地址：GBT 31485-2015 電動汽車用動力蓄電池安全要求及試驗方法
展開 如何看待主打電池安全的soteria？
▲ 圖7.針刺后還能用的電池
Soteria這種安全設計電池組，要從隔膜和復合集流體兩方面綜合作用來達到效果，耐高溫隔膜不會發生熱收縮導致大面積短路的情況，聚合物基集流體升溫后會熔斷起到類似電芯里面保險絲的作用。
▲ 圖8.復合集流體的安全機制
小結：我個人認為，我們對于電池能量密度的迭代應該充滿信心，不單是CTP和CTC技術可以讓電池系統變得更強大，電芯層面設計可能讓持續進步的空間越來越大。在某個拐點，隨著碳酸鋰的價格持續上升，高鎳材料和復合集流體的成本下降，技術路線會逆轉！
電池能量安全管控看法
表1 開放的區間是越來越大了
2）初始和結束 BOL和EOL能量
電動汽車也是有老化的，和燃油車一樣，其實未來最終過了XX年XX公里，電池是始終要衰減的。
BOL的能量=電池額定能量*SOC窗口
EOL的能量=電池額定能量*SOC窗口*電池衰減
在這個做法里面，車企所能做的事情，基本上是給出了一個比較長的范圍，然后備注一個電池的70%的容量保持率作為基本的質保條件。或者類似特斯拉這樣不計周期，以電池的安全來兜底。我們現實的問題是，如果類似i3最早期的版本，一共22kwh，BOL早期18.2kWh，隨著電池總的能量折損到70%，也就是15.4kWh，如果再按照這個窗口開，整個可用電量為12.74kWh，這是現實而骨干的問題。這批早期的2013款的電池是被替換的，升級到了42.2kWh的版本。
圖2 早期的質保條件
根據歐洲的仿真數據，3-5年的電池衰減系數在10%左右，8-10年在20%。正常條件下，觸發70%的質保條件是不太能發生的事情。
圖3 歐洲關于容量衰減的仿真
我在聯合國EVE有關于電動汽車技術GTR方面，對于電池的衰減，展開了一個全方面的技術立法方面的探討，目標是在2021年6月形成一份文檔。核心的目的，是希望讓車企不要給出70%的情況，而是根據實際的年數和里程來給出一個中間過程。預計到這份文件形成，大部分車企會有一個比較合適的衰減系數。
圖4 聯合國電池GTR
3）有關安全控制和使用平衡的策略
其實這個是最為讓人擔心的事情，我們知道美國的兩個企業是通過設置最高電壓或者最高SOC來緩解安全問題的。
展開 電池包電安全策略 ￥10
電池包電安全策略
電池包高壓安全參考方法
電池包高壓安全參考方法
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 動力電池安全性解決方案
動力電池安全性解決方案
Taycan的12V鋰電池影響到了行車安全
Six complaints allege an inability to restart the vehicle once they lose motive power.
2）Taycan用的是什么電池
Taycan在12V電池，也是用的是磷酸鐵鋰電池，如下圖所示這是有車主買的備件。
圖3 Taycan的12V電池
花了一些時間做調研以后，我發現這是一枚萬向A123在捷克工廠做的電池。采用的是40Ah，標稱電壓為13.2V（可能是2P4S），用雙端出Tap的方式來做的。
圖4 Taycan的12V LFP電池
但是這里解釋不了最大問題，就是為了LFP電池進入低SOC狀態以后，800V到12V的DCDC沒有正常工作，如下圖所示按照我們正常的邏輯理解，即使是12V電池內部的開關把12V斷開以后，這個800V=>12V的DCDC也能輸出240A的電流，來保證整體的系統處在一個工作的狀態。按照目前的情況，極端惡劣的問題是，12V電池沒了，這個DCDC也沒好好工作，這使得系統直接切斷電流。
備注：雖然在用戶手冊里面是這么寫的，但是行駛中出現12V電池自動脫機，這個軟件就是有問題了。
圖5 Taycan用戶手冊的內容和800=>12V DCDC的材料
根據之前保時捷自己的材料，這個低壓的12V能量管理是放在大眾網關管理的軟件里面實現的，我們大膽猜測有兩種可能性。
展開 電池系統開發及功能安全需求
電池系統開發及功能安全需求
電動汽車鋰離子電池安全性能檢測淺析
鋰離子電池的熱失控給人民的生命與財產安全帶來了隱患，如何早期預警熱失控以及提高電池的安全特性是亟待解決的問題。研究人員將電池的溫度、電壓、電流以及副反應產生的氣體作為熱失控的預警信息，實時監控這些參數的變化，從而有效的預防電池材料的熱失控。賈曉洪提出在電池內短路模型建立的基礎仿真鋰離子內部短路情況下的電壓曲線的特性，作為支持向量機（SVM）的樣本集，選取合適的核函數以及參數，采取分段提取的特征并有效的結合遺傳算法優化檢測熱失控，取得不錯的熱失控預警效果。
秦小英設計采用DSP為核心的計算方式完成電池運行狀態的檢測，并利用Java程序完成電池運行的顯示、計算以及控制命令的下達等功能，實現了電池安全性能的強實用性與強靈活性。
展開 為什么說，無熱擴散技術是動力電池安全的基石？
在這次電動車百人會上，工信部副部長辛國斌提出“健全法規標準，提升質量安全水平”，特別提到“發布實施新能源汽車企業安全體系建設指導意見，提升動力電池熱失控報警和安全防護水平，讓消費者更喜歡買，更放心用”。
電動汽車發展到現在，用戶需求主要聚焦在續航里程、快充，而安全是底線。動力電池安全是新能源汽車安全的重要組成部分，解決動力電池的安全問題能極大程度解決用戶對于新能源汽車的安全焦慮。特別是電動汽車出現在生活中越來越多的封閉建筑空間，如車庫、地下停車場、防空掩體等，這些封閉空間排煙慢、視線差、救援難度大，對電動汽車安全問題提出了更高的要求。
Part 1
盤點動力電池安全技術
如果在電池單體失效的情況下，系統不發生熱擴散，就能極大降低熱失控后的煙氣危害；建筑物內，如果只是局部出現個別電芯單體熱失控產氣量，比較容易把排煙的范圍控制住。這樣的話，公眾對于下個階段大規模的保有新能源汽車會比較有信心，對新能源汽車的安全性認知也更充分，可以最大程度保護生命財產安全。
▲圖1.動力電池在封閉空間里面的熱失控帶來的問題
我們首先還是來看一下中國動力電池安全法規的要求，2020年5月，工業和信息化部宣布，由其組織制定的GB 30381－2020《電動汽車用動力蓄電池安全要求》強制性國家標準由國家市場監督管理總局、國家標準化管理委員會批準發布，并將于2021年1月1日起開始實施。《電動汽車用動力蓄電池安全要求》特別是標準增加了電池系統熱擴散試驗，要求電池單體發生熱失控后，電池系統在5分鐘內不起火不爆炸，為乘員預留安全逃生時間。
展開 儲能電池系統熱失控安全監測傳感器解決方案
實現“雙碳”目標，能源是“主戰場”，電池儲能是一種實現綠低碳最為行之有效的辦法，電池儲能市場也迎來了新的拐點。自儲能產業的發展被提上日程以來，儲能電池市場呈現了指數型增長的態勢，甚至電池儲能市場出現了供不應求的局面，隨著電池儲能系統裝機量的增加，寧德時代、中航鋰電、比亞迪等電池企業也在儲能應用板塊持續加碼，迎接萬億市場的到來。
電池儲能快速增長，安全問題不容忽視
電池儲能的快速發展對于構建新型綠色能源，實現“碳中和”目標有著積極的推動意義。但是安全問題似乎又成為了限制電池儲能行業發展的一大因素.
新型儲能是指除抽水蓄能以外的其他新型的電化學儲能、物理儲能和電磁儲能技術。截至2021年底，中國新型儲能裝機2.4GW，占儲能裝機總容量的12.5%，其中鋰離子電池儲能占新型儲能的89.7%，是當前發展最快速、應用最廣泛、相對成熟的新型儲能技術路線。然而，鋰離子電池儲能電站火災爆炸安全事故時有發生，已成為制約電池儲能規模化發展的主要障礙。據不完全統計，從2011年至2021年，全球儲能安全事故共發生50余起，其中事故起數排名前4位的是：韓國30余起、美國10余起、中國4起、澳大利亞3起。2022 年 1-5 月， 全球就已經發生了 17 起以上的儲能著火事故。國內在電池儲能站快速發展的同時，由于 電池、PCS 質量問題或者系統集成商施工能力良莠不齊，電池儲能火災隱患較為嚴重， 起火事故頻繁。鋰離子電池儲能安全問題是世界性難題，也成為建設新型電力系統安全難題。
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？
展開 電動汽車電池安全事故分析與研究現狀
3.5 擠壓/碰撞特性研究
鋰離子電池的車載應用具有一定的特殊性，由于汽車碰撞是難以避免的現象，很多學者開展了電池擠壓穿刺等機械濫用試驗。這里列舉部分主要的研發團隊如下。
(1)美國麻省理工學院。麻省理工學院碰撞實驗室ZHU教授與SAHRAEI教授團隊聯合喬治梅森大學、清華大學等針對電池的機械破壞展開了大量的研究，例如通過試驗探索了各種不同的機械加載下電池組件的變形與失效機理，計算了卷繞結構的應力應變關系，建立了電池的有限元模型，分析了殼體強度與抗斷裂性，面向機械濫用條件下的電池安全性評估開發了簡單而精確的單電池模型等，該團隊還針對復雜機械加載情況下引發內部短路的機理進行了分析，建立了微尺度機械濫用模型。
(2)北京航空航天大學。北京航空航天大學許駿教授團隊對電池擠壓、彎曲、針刺等機械濫用開展了豐富的研究，提出了多物理場計算框架，耦合機械-熱-電化學特性對18650鋰離子電池從初始變形到熱失控的機械濫用過程進行描述，建立了3D機械模型對針刺等過程進行仿真，分析了在各種SOC情況下的壓縮、彎曲載荷下的電化學失效行為等。
(3)日本早稻田大學。早稻田大學納米與生命創新研究所針對電池穿刺試驗開展了研究，試驗過程中首次采用X射線貫穿了鋰離子電池的內部狀態，系統地研究了針刺引發鋰離子電池的熱失控行為。
上述研究均是針對電池的靜態加載，部分最新的研究已經開始著眼于動態加載下的電池機械濫用，例如ZHU等指出動態加載情況下電池電阻比靜態加載時更大，量化了此效應并建立了整體力學行為模型；JIA等研究了鋰離子電池在動態載荷下的機械與電耦合特性，CHEN等研究了高速沖擊情況下的電池機械響應特性。
4 電池安全管理研究的幾點探討
4.1 完備的試驗數據庫構建任重道遠
電池安全數據匱缺是導致電池安全管理技術不成熟的重要原因。
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