熱失控仿真該做什么？熱失控仿真該怎么做？

導(dǎo)讀：電池?zé)崾Э貭顟B(tài)下，最常見的現(xiàn)象是電池溫度升高、電池產(chǎn)氣、防爆閥開閥噴發(fā)、電池起火、拉弧、開裂等現(xiàn)象，這些現(xiàn)象中，尤其以電池起火拉弧等最為危險(xiǎn)，當(dāng)然電池產(chǎn)熱產(chǎn)氣也是后續(xù)起火拉弧的前奏。

考慮到電池?zé)崾Э氐牟淮_定性以及實(shí)驗(yàn)的高成本，因此通過仿真方法能夠有效的降低熱失控的實(shí)驗(yàn)測試次數(shù)，最快最優(yōu)的得到熱防護(hù)的方案。

常用的防護(hù)方案，當(dāng)然是使用氣凝膠等高效阻燃隔熱的材料，放置在電池之間，用于阻斷熱失控狀態(tài)下的熱傳遞。其次是在電池的頂部使用一些云母材料，用于隔斷電池噴發(fā)對周邊的影響。

但是基于氣凝膠等材料的高成本、企業(yè)的降本需求以及PACK性能要求，防護(hù)材料的使用量不能無限制上升，因此通過仿真方法能夠有效的確定最佳的組合防護(hù)方案。

一、熱失控仿真該做什么？

電池?zé)崾Э胤抡嫘枰龅膬?nèi)容非常多，諸如：

（1）分析電池之間的間隙、確認(rèn)隔熱材料的厚度。通過電池間的隔熱材料厚度確定電池?zé)崾Э氐臅r(shí)間間隔，當(dāng)時(shí)間間隔足夠長時(shí)，就能夠避免后續(xù)電池不失控。

圖1 電池?zé)崾Э販囟惹€

圖 2電池溫度與產(chǎn)熱曲線

（2）電池的產(chǎn)氣噴發(fā)等，分析電池噴發(fā)過程中電池包內(nèi)壓力變化過程，分析排氣的通暢能力，防爆閥的排氣能力，以及防爆閥的位置選型、排氣量選型設(shè)計(jì)等。

（3）電池噴發(fā)過程中的拉弧效應(yīng)，分析電池噴發(fā)過程中，因氣體內(nèi)部攜帶的高溫液體和熔融金屬等帶電導(dǎo)致的電芯和金屬件之間、電芯和電芯之間的拉弧短路。

（4）電池產(chǎn)氣以及氣體轉(zhuǎn)移過程中對周邊電池的影響分析等。

二、熱失控仿真該怎么做？

熱失控的仿真重點(diǎn)在于需要明確仿真模擬的對象是什么、需要仿真確認(rèn)什么內(nèi)容，才能通過這些信息對模型進(jìn)行簡化處理，從而得到相應(yīng)的模型。這是較為簡單可行的方案。

仿真分析較為常規(guī)的是模擬物理現(xiàn)象，但是基于物理現(xiàn)象的復(fù)雜性以及仿真的可實(shí)現(xiàn)性以及設(shè)備的運(yùn)行能力等，往往是無法100%的復(fù)現(xiàn)物理現(xiàn)象的。因此仿真過程中會(huì)出現(xiàn)一些簡化的部分，重點(diǎn)凸出對仿真分析內(nèi)容在原理上的簡化，以及問題本質(zhì)原因的分析。

例如，在做電芯拉弧的仿真分析中，首先需要明確的是，拉弧的機(jī)理是什么？拉弧是正電荷和負(fù)電荷之間相互導(dǎo)通的一種方式，中間的導(dǎo)通介質(zhì)是空氣等；電芯噴發(fā)的物質(zhì)中，能否帶電荷的是金屬熔融物和液滴等。所以在噴發(fā)過程中，轉(zhuǎn)移的相其實(shí)一般就是四種，液體、金屬熔融物、固體金屬、氣體。

其次還包括：

（1）需要使用多相模型。

（2）電場用于模擬電荷的轉(zhuǎn)移。

（3）是否要模擬金屬熔融物的沉降、固體顆粒的沉降、以及液體的二次破碎等。

（4）也是最關(guān)鍵的部分，評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)怎么建立。

三、熱失控電芯的參數(shù)如何獲??？

電芯熱失控參數(shù)的獲取方法一般都是通過ARC實(shí)驗(yàn)標(biāo)定來獲取，但是基于PACK的電芯熱失控實(shí)驗(yàn)，與標(biāo)準(zhǔn)的ARC實(shí)驗(yàn)不同，主要區(qū)別在于：PACK實(shí)驗(yàn)中電芯從實(shí)驗(yàn)開始到電芯失控的時(shí)間間隔很短，二ARC實(shí)驗(yàn)很長，這個(gè)差異會(huì)造成電芯后續(xù)產(chǎn)熱、產(chǎn)氣等數(shù)據(jù)上的差異。

通過ARC實(shí)驗(yàn)可以得到電池的產(chǎn)氣、產(chǎn)熱速率和產(chǎn)熱量、質(zhì)量損失等數(shù)據(jù)，通過一定的數(shù)據(jù)處理和擬合等，可以用于后續(xù)的仿真計(jì)算中。這種方法對實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)依處理的賴度比較大，需要電芯實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和PACK實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的高度耦合。

圖 4：電芯溫升速率

圖 5：電芯熱失控溫度

其次，可以通過ARC實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過集總參數(shù)等方法，推到出電芯的黑匣子模型，利用黑匣子模型進(jìn)行電芯熱失控的仿真分析。

圖 6：集總參數(shù)法

四、熱失控公開課

曾幾何時(shí)，北京南四環(huán)一個(gè)電化學(xué)儲(chǔ)能電站發(fā)生爆炸。

據(jù)報(bào)道，這次事故主要的問題是電池。這個(gè)電化學(xué)儲(chǔ)能電站建設(shè)有25MWh的磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能。安全性雖然相對更高，但依然會(huì)存在熱失控的現(xiàn)象（產(chǎn)品因素、環(huán)境因素、安裝因素，也有些電池本身是二手的，也就是動(dòng)力電池退役后再次使用的）。當(dāng)磷酸鐵鋰電池?zé)崾Э貢r(shí)，電解液中會(huì)析出很多易燃易燃爆的氣體，比如一氧化碳、氫氣、乙烯、甲烷、乙烷、碳酸甲乙酯、碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯等，這些氣體與空氣混合形成了爆炸性混合物，遇火源即會(huì)發(fā)生劇烈爆炸。

審核編輯：劉清