电池热失控传播是电池系统中一个严重的问题。Ansys Fluent 提供了在此类条件下仿真电池热行为的工具，以帮助了解和降低与热失控相关的风险。

电池热滥用的挑战

电池热失控传播是电池系统中的一个严重问题，尤其是锂离子电池和其他高能量密度电池。这种现象涉及温度升高的连锁反应，导致潜在的火灾或爆炸。工程解决方案对于遏制、减轻或防止此类热失控至关重要。由于热失控反应的复杂性，电池单元和组件设计在热滥用失控传播的背景下面临的挑战是巨大的，这些反应是特定于材料的，并可能导致严重的后果，例如电池单元损坏、火灾或爆炸。

安全性已成为电池设计中的一个重要问题。在滥用条件下，电池可能会发生热失控。温度升高可能会引发热失控反应。由于这种情况释放的过多热量可能会损坏电池单元，甚至引起火灾或爆炸。 热管理系统对于防止热失控在电池单元和模块之间传播非常重要。

 

工程解决方案

热滥用失控传播有几种典型的解决方案和策略。热管理冷却系统使用主动冷却，有助于将电池温度保持在安全的工作范围内。电池管理系统提供单个电池的温度监控器，并在温度上升超过阈值时启动保护措施。物理隔离和遏制使用隔热层或分离来防止热失控从一个单元传播到下一个单元。电解池设计功能（如泄压口）允许释放积聚的气体，而隔膜材料可延迟短路。灭火和减弱系统有助于在热失控的早期阶段扑灭火灾，通风系统有助于防止有害气体的积聚。具有更稳定化学成分的替代化学电池可以降低热失控的可能性。当电池过热时，热熔断器等被动安全功能会断开电池的连接，防止热量进一步积聚并避免传播。过热滥用测试（如过充、短路、挤压和穿刺测试）可验证电池在极端条件下是否安全，而 UL 2580、IEC 62133 或 UN 38.3 等安全标准有助于确保电池组设计包含所有必要的预防措施，以防止热失控。这些解决方案通常组合在一起以提供多层安全性，旨在最大限度地降低热失控传播的风险并保护电池系统及其环境。

 

方法

下面的 Fluent 仿真方法和结果侧重于热管理系统、电池化学和物理隔离。 在本讨论中使用 Fluent 设置电池模块仿真涉及几个步骤。这些步骤包括思维导图、产品导图和 Fluent 案例设置。

思维导图：生成电池的思维导图是为了以结构化的方式组织和表示想法、概念或信息。下面的思维导图显示了模拟研究的目标以及为实现目标而提出的问题。每个问题后面都有一个理论、行动和预测来解决每个问题。生成结果时，结果也会添加到每个分支的底部。

 

 

产品地图：生成电池单元和模块的产品图，以列出和分类产品功能。产品地图表示与思维导图中的理论/行动相对应的设计因素。下面的地图显示了一个示例电池模块及其一个电池单元。

 

 

Fluent 模拟：Fluent 模型是根据思维导图生成的研究生成的。在这种情况下，使用了两个 3 因子因子 DOE，从而产生了 20 个唯一的 Fluent 模型。与电池相关的输入使用 Battery Model （电池模型） 进行设置。模拟使用带有主动单元和被动标签的 CHT 耦合。下图显示了为电池模型填充输入的步骤顺序。瞬态表用于向前单元中的模拟钉子添加热能。

 

执行仿真计算以生成结果，重点关注温度分布和内部短路变量。分析设计处理数据以回答理论问题并确认和/或反驳预测。
 

Fluent 电池仿真结果

电池结果：平均电池温度和内部短路是电池模拟的关键输出。对平均电池温度数据的观察表明，短路电化学反应的热量是该研究最重要的因素。

 

 

细胞显著因素：达到零内部短路的时间是细胞研究考虑的关键指标。对内部短时 DOE 的分析表明，短路电化学反应的热量是研究的最重要因素，其次是钉子能量源。当热值增加时，时间急剧下降。随着钉子热源的增加，时间也减少了。电池底部的对流传热对延迟时间的影响几乎可以忽略不计。

 

瞬态温度分布如下所示，分别是 2 分钟内最快和最慢的传播。整个单元在 11 秒内经历了失控，传播速度最快，而传播最慢的细胞需要 37 秒。

 

单元格图形分析： 达到零内部空头的时间以图形方式显示在下面。时间和对流传热系数之间的关系可以忽略不计，以蓝色显示。时间和指甲热源之间的更强关系以橙色显示。在内部短的低热量下，时间随着钉源的增加而减少，而随着反应的热量高，时间略有减少。时间之间的最强关系显示在单独的组中。随着反应热的增加，时间急剧下降。

 

 

模块原始结果：平均电池温度和内部短路是模块仿真的关键输出。对平均单元温度的因子数据的观察表明，单元之间的间隙大小是最显著的因子。

模块温度：每次处理的每个细胞的瞬态细胞体积 - 平均温度如下所示，为期 2 分钟。当间隙大小为 0 mm 时，所有 12 个单元都会传播。当间隙尺寸为 2 mm 时，传播速度要慢得多。

 

瞬态温度分布如下所示，分别是 2 分钟内最快和最慢的传播。整个模块在 1 分钟内出现失控，传播速度最快，而只有一小部分模块在 2 分钟内出现失控，传播速度最慢。

模块内部短路：每次处理的每个细胞的瞬态细胞体积-平均内部短路变量如下所示，为期 2 分钟。提取短值为 0.5 的曲线之间的平均时间。

 

 

模块重要因素： 内部短延迟是模块研究考虑的关键指标。对内部短延迟的阶乘 DOE 的分析表明，间隙大小是研究的最重要因素。当间隙尺寸增加到 2 mm 时，延迟急剧上升。冷却剂入口温度为 15 度时，延迟略高，而冷却剂入口温度为 25 度。冷却剂流速对延迟时间的影响几乎可以忽略不计。

 

 

模块 Graphical Analysis： 关键输入因子的内部短延迟时间以图形方式显示，如下所示。延迟时间和冷却液流速之间的关系可以忽略不计，以蓝色显示。配对结果显示了延迟时间和冷却液入口温度之间的更强关系。随着冷却液入口温度从 15 升高到 25 [C]，延迟时间略有缩短。delay time 和 gap size 之间的最强关系以橙色对显示。当间隙尺寸从 0 增加到 2 mm 时，延迟时间急剧增加。