电池组中的热蔓延仿真

2024年 6月 3日

设想一个场景:一个电池组连接到充电器上正在充电。第 1 分钟,一切正常,电能正常流入电池组。突然,一个电池单元发生短路并迅速升温,进而引发连锁反应,电池组中的其他电池纷纷效仿。20 分钟后,整个电池组已经完全损坏。为了研究这种存在安全隐患的情况,我们模拟了一个经历这种快速变化过程的电池组。

电池出问题的风险

当电池超出其正常工作范围、受到损坏或发生短路时,就会像上述例子一样出现热失控。在这个过程中,电池会不受控制地升温,并引发邻近的电池也跟着升温。如果没有足够的散热来抵消过多的热量,整块电池就会出现热失控。这会迅速损坏整个电池组,使其无法使用。最坏的情况下,极端高温甚至会引发火灾,造成极其严重的后果。

几个紧紧地靠在一起的圆柱形电池顶部的特写图。
如果电池设计或操作不当,极易发生热失控事件。照片由 Roberto Sorin 拍摄,通过 Unsplash共享。

要深入探究这类故障在未来电池设计中的发展和演变,电池设计人员可以借助建模与仿真来测试他们的设计,从而避免在此过程中损坏任何材料或造成人员伤害。通过仿真,他们能够仔细地查看电池组内部(这在实验室中无法实现),尤其是 多物理场 仿真模型,能够正确反映电池组在真实工作环境中的运行状况。

在 COMSOL Multiphysics® 中建立电池组模型

以一个由20 个圆柱形电池组成的5s4p 配置的简单电池组为例。在 5s4p 配置中,4 组电池单元并联,每组包含 5 个串联的单个电池。在这个示例模型中,我们添加了两个塑料支架,用于将电池保持在各自的位置以及固定电池与电池之间的距离。模型还包括焊接在串行连接器上的并行连接器(位于电池圆筒中间),以及包裹整个电池组的一层薄塑料包装。包裹层在电池圆筒周围形成了一个静态气室。

电池组的几何图形,并标注了并联连接器、串联连接器、塑料包装、正负极、电池筒和塑料支架。
电池组的几何模型。

该模型使用了 COMSOL Multiphysics® 软件材料库中的以下材料:

  • 丙烯酸塑料(用于塑料支架)
  • AISI 4340 钢(用于连接器和电池端子)
  • 空气(用于气室内的空气)

接下来,让我们触发电池组的热失控!为了启动热失控蔓延,假设在充电过程的早期一个电池发生短路。。

热失控模拟

在我们的模拟中,一旦短路被触发(充电 1 分钟时),电池组内的最高测量温度瞬间升高超过 300 °C。然而,由于只有一个电池经历了这种温度的急剧上升,电池组的平均温度仅有轻微的上升。我们观察到一个潜伏期,在此期间,邻近的电池被问题电池加热,直到另一个电池被触发瞬间升温。

图中 y 轴为电池组电压,x 轴为以分钟为单位的时间,Epack、Tmax 和 Tavg 分别用蓝色、绿色和红色线条表示。
电池组中的电压和最高温度。

其余电池触发热事件的临界温度为 80°C,随着电池组整体热量的增加,电池相继失控的时间间隔变得更短。为了模拟电解质的流失和由此导致的电池内部电阻增加,在触发热事件时,电池的内部欧姆电阻被设定为增加约两个数量级。

电池组内电池温度随时间的变化情况。

在第 10 分钟时,已经达到最大充电电压限制,充电器关闭。但这时已经太晚了,无法阻止电池的进一步损坏,热失控继续蔓延到电池组的其他部分。短短几分钟后, 20 个电池全部损坏。到 20 分钟时,热失控过程已经结束,但电池组的平均温度仍然在 350°C 以上。如果这是一个真实的电池组,模拟的场景很可能会导致火灾,甚至爆炸。

防患于未然

电池长时间处于高温状态、以不安全的方式运行或者受损,都可能引发热失控事件。当系统的某个部分开始过热时,情况就会迅速恶化。通过模拟这些事件,用户可以在虚拟环境中测试电池设计,并验证电池热管理系统的有效性,以及在潜在部署位置的系统温度调节能力等。通过多物理场仿真方法,电池设计人员可以更深入地理解热失控事件,并有望完全避免这种情况发生。

想自己动手尝试模拟吗?点击下方按钮,进入COMSOL案例库,下载相关模型文件。

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评论 (1)

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衍林 张
衍林 张
2024-07-13

请问”具有精确气液属性的热管“这个案例可以做瞬态的仿真吗

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