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开个技术外挂|电池热失控致电车自燃爆炸?用仿真技术解决它!

  • 2024-07-29
    上海
  • 本文字数:1309 字

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什么是电池热失控?


电池的热失控(thermal runaway),指的由各种诱因引发的链式反应现象,热失控散发出的大量热量和有害气体会引起电池着火和爆炸。


电池热失控通常是从电芯内的 SEI 膜(Solid Electrolyte Interface 是覆盖电极材料表面的膜,具有一定的导电性和锂离子交换性)分解开始,继而隔膜分解熔化,导致负极与电解液发生反应,随之正极和电解质都会发生分解,从而引发大规模的内短路,造成了电解液燃烧,进而蔓延到其他电芯,造成了严重的热失控,让整个电池组产生自燃。


热失控的触发原因分为:电滥用(短路,过充/过放),热滥用(高温)和机械滥用(穿刺、挤压)。


热失控的温度划分


SimLab 的电池热失控仿真


SimLab Battery Thermal Runaway 提供了电滥用和热滥用两种分析场景


机械滥用场景采用 ABD(Altair Battery Design)的解决方案


ABD(Altair Battery Design)机械滥用热失控仿真方法



ABD(Altair Battery Design)整车仿真





电池局部产生高温


SimLab 热失控仿真方法


  • 将复杂的化学反应用 Arrhenius 方程建模(反应速率随温度而变的指数定律)。

  • 和流体求解器 AcuSolve 耦合求解热-电方程

  • 考虑电芯内部短路引起隔膜的分解

  • 单电芯启动热失控并蔓延

电芯热失控→蔓延


AcuSolve 耦合模拟热失控


SimLab 分析场景


  • 研究材料特性并设计隔热罩,以减少极端的热量释放和热失控传播

  • 研究不同的电芯化学成分及其热稳定性。从下图可见 LFP 磷酸铁锂电芯更稳定

三种电芯材料的热失控温度曲线


不同的触发条件,例如穿刺(局部热源)或过热(体积热源):

电芯局部高温触发


热失控的蔓延


电芯输入参数


  • Cathode chemistry:指定了电池的类型,如磷酸铁锂 LFP,LCO 钴酸锂和三元 NMC

  • Formulation:Lumped 热贡献被建模为电池单元的集总参数。Nodal 计算电池单元中每个节点的热失控热贡献

  • Equivalent circuit model heat generation :正常使用工况下采用 ECM 等效电路模型考虑热源

  • Electrolyte decomposition:考虑电解液分解产生的额外产热

  • Internal short circuit (ISC):考虑电芯内部短路方程 ISC temperature:指定内部短路发生的温度 Anode/Cathode/Electrolyte Mass: 阳极/阴极/电解质的质量

  • Solid electrolyte interface (SEI) Mass:SEI 膜质量


  • 化学材料库,用于定义如磷酸铁锂 LFP,LCO 钴酸锂和三元 NMC 的热动力学参数

  • 输入实验量热数据,例如加速速率量热法或差示扫描量热法

  • 每个反应的三个热动力学输入:活化能,频率因数,反应焓

  • 内部短路作为额外的放热源,由温度启动


电芯的热力学属性


精度验证


验证模型,18650 圆柱电芯。

2 个电芯的短路+热扩散温度曲线



AcuSolve 仿真和实验温度对标


12S7P( 12 个串联 7 个并联)电池包热失控仿真模型

内部结构


拆解图


电池包 CFD 仿真模型



电池包的热失控仿真


改变触发条件(热源功率持续 15 秒)的仿真结果



关于 Altair 澳汰尔

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