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好課推薦 | 新能源動(dòng)力電池熱管理設(shè)計(jì)入門23講【技術(shù)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(shí)例與驗(yàn)證專欄 | 新能源動(dòng)力電池熱管理設(shè)計(jì)和仿真分析

此外，在模擬中對(duì)實(shí)際電池單元進(jìn)行真實(shí)物理建模的成本非常高。針對(duì)新能源電池行業(yè)面臨的挑戰(zhàn)，?？怂箍倒I(yè)軟件旗下Cradle CFD軟件可以進(jìn)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。

我們將陸續(xù)為大家分享獲獎(jiǎng)佳作，帶您一同領(lǐng)略仿真賦能創(chuàng)新的非凡力量，希望用戶能從中汲取靈感、啟迪思路。作品名稱：大容量磷酸鐵鋰電池熱失控期間相變吸熱與噴發(fā)研究作者： 王佩犇 | 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 博士生關(guān)鍵詞：磷酸鐵鋰電池，熱失控建模，噴發(fā)降溫，電解液沸騰作者說Ansys Fluent求解器穩(wěn)定可靠，成熟的仿真能做好，難的仿真它能做，開發(fā)模型總能快人一步。

A）正常工作區(qū)與失控發(fā)生區(qū) B）外部溫度升高導(dǎo)致熱失控 C）換熱能力下降導(dǎo)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(tài)以及外部因素 內(nèi)部原因：例如：電池內(nèi)部化學(xué)原因?qū)е碌膬?nèi)部短路，電池自身的設(shè)計(jì)缺陷，電池的生產(chǎn)制造缺陷，電池的過充，BMS的軟硬件故障。

由于碰撞發(fā)生的時(shí)間通常在毫秒之間，熱失控可能發(fā)生在碰撞后的幾分鐘甚至幾小時(shí)后。為解決電池內(nèi)存在的不同時(shí)間尺度問題，首先使用毫秒級(jí)時(shí)間步長(zhǎng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)仿真，當(dāng)機(jī)械變形完成后，利用剛?cè)徂D(zhuǎn)換功能將結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)為剛體，并使用較大的時(shí)間步長(zhǎng)進(jìn)行電和熱的計(jì)算，該過程可根據(jù)需要計(jì)算數(shù)分鐘或數(shù)小時(shí)。

在熱失控特性演變方面，電池正極材料的熱穩(wěn)定性在全生命周期內(nèi)無明顯變化，電池熱失控特性演變主要取決于負(fù)極材料+電解液反應(yīng)體系的變化。其中，負(fù)極析鋰將導(dǎo)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(fù)極SEI膜增厚本身對(duì)電池熱失控特性影響不大。

電池熱失控是指電池持續(xù)放熱的連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致電池組溫度急劇上升，進(jìn)而引發(fā)電池燃燒事故的過程。熱失控有三個(gè)過程，誘發(fā)、發(fā)生到蔓延，其中引發(fā)熱失控的主要原因是過熱、過充、內(nèi)短路、碰撞等因素。

該聯(lián)合團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并成功研制出可在1000℃的高溫高壓環(huán)境下正常工作的多模態(tài)集成光纖傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電池熱失控全過程內(nèi)部溫度和壓力的同步精準(zhǔn)測(cè)量，攻克了熱失控極端環(huán)境下溫度與壓力信號(hào)相互串?dāng)_的難題，提出解耦電池產(chǎn)熱和氣壓變化速率的新方法，首次發(fā)現(xiàn)了觸發(fā)電池熱失控鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的特征拐點(diǎn)與共性規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電池內(nèi)部微觀“不可逆反應(yīng)”的精準(zhǔn)判別，為快速切斷電池熱失控鏈?zhǔn)椒磻?yīng)、保障電池在安全區(qū)間運(yùn)行提供了重要手段。

挑戰(zhàn)/需求 作者所在機(jī)構(gòu)希望通過仿真工具建立高精度的電池熱失控產(chǎn)熱和產(chǎn)氣模型，并在此基礎(chǔ)上模擬CTP電池系統(tǒng)中單顆電池熱失控引起的熱量傳播與氣體擴(kuò)散過程，以此評(píng)估隔熱設(shè)計(jì)的合理性并優(yōu)化系統(tǒng)泄壓閥的布局與數(shù)量。研究重點(diǎn)分析不同泄壓閥方案對(duì)高溫氣體的疏導(dǎo)作用和降低系統(tǒng)爆炸極限的效果，最終實(shí)現(xiàn)以仿真技術(shù)驅(qū)動(dòng)熱安全設(shè)計(jì)達(dá)到降本增效的目的。

?？怂箍倒I(yè)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(jiǎn)易平衡模型，同時(shí)還具備詳細(xì)電化學(xué)P2D模型，可以對(duì)單電池以及整體電池包進(jìn)行熱仿真。

配置電池熱管理系統(tǒng)是改善電池組熱特性關(guān)鍵措施之一，系統(tǒng)熱管理功能包括：(1)在電池溫度較高時(shí)進(jìn)行有效散熱，防止產(chǎn)生熱失控事故；(2)在電池溫度較低時(shí)進(jìn)行預(yù)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(nèi)的溫度差異，抑制局部熱區(qū)的形成，防止高溫電池過快衰減而降低電池組整體壽命[1]。

(3)電化學(xué)儲(chǔ)能;(4)機(jī)械儲(chǔ)能?鋰離子電池作為一款集比能量高?能量密度高?自放電率小?輸出功率大等諸多優(yōu)良特性的電池,在動(dòng)力電池及儲(chǔ)能電池領(lǐng)域擁有極大的市場(chǎng)?可是鋰離子電池在實(shí)際應(yīng)用中還可能出現(xiàn)熱失控的問題?原因在于,鋰離子電池在充放電過程中,電池內(nèi)阻發(fā)熱?電極極化發(fā)熱及化學(xué)反應(yīng)放熱等會(huì)使電池溫度迅速升高,電池溫度升高會(huì)進(jìn)一步促使反應(yīng)的加劇,從而形成產(chǎn)熱與溫升的正反饋?當(dāng)溫度超過一定限制時(shí),電池可能會(huì)出現(xiàn)膨脹

配置電池熱管理系統(tǒng)是改善電池組熱特性關(guān)鍵措施之一，系統(tǒng)熱管理功能包括：(1)在電池溫度較高時(shí)進(jìn)行有效散熱，防止產(chǎn)生熱失控事故；(2)在電池溫度較低時(shí)進(jìn)行預(yù)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(nèi)的溫度差異，抑制局部熱區(qū)的形成，防止高溫電池過快衰減而降低電池組整體壽命[1]。

七、動(dòng)力電池液冷系統(tǒng)熱管理仿真《STAR-CCM 新能源汽車動(dòng)力電池熱失控仿真13講》第一個(gè)模組失控，引發(fā)第二個(gè)模組失控，評(píng)估現(xiàn)有模組之間的隔熱是否能阻止失控模組往正常模組的傳熱。

研究發(fā)現(xiàn)，鋰離子電池舒適溫度需要控制在20~35 ℃之間，溫度過高時(shí)，其不可逆反應(yīng)加劇容易產(chǎn)生自放電、熱失控等安全事故；溫度過低，則會(huì)使其容量和功率發(fā)生明顯下降。因此，為了改善電動(dòng)汽車單電池及電池成組后的安全性能，需建立較精確熱仿真模型，以此來預(yù)測(cè)動(dòng)力鋰離子電池內(nèi)部溫度分布狀況及熱傳遞過程，從而精確分析出鋰離子電池熱失控因素。