基于GT-SUITE实现电池热失控传播模拟

电池组的设计者面临着一个非常具有挑战性的问题：尽可能紧密地封装一组电池，并在保持适当的电池温度水平、防止电池过早退化和确保安全运行的同时，尽量减少电池中的非电池重量。其中最重要的是确保电池组在任何情况下都是安全的。  

其中确保电池安全的最常见挑战就是热失控，热失控是锂离子电池在达到极端温度时发生的现象。在热失控期间，不希望的放热副反应使电池升温，随着电池升温，不希望的反应发生的速率加快，最终导致一个灾难性的事件循环，最终导致锂离子电池被破坏和大量热量释放。该循环事件可由下图简单总结。

导致热失控的潜在原因有很多：例如一个电池被加热到极端温度，热失控就会发生；或者其中某个电池单体被刺破或损坏，会导致内部的短路，导致热失控。其他时候，也有可能是制造问题，甚至是内部结晶生长，导致锂电池内部缺陷。以上所有潜在热失控的原因，作为一个电池包设计工程师，你也不能保证设计的电池不会发生热失控。

由于热失控的发生有很多不同的原因，偶尔也没有明显的原因，所以电池包设计工程师必须假设在某一时刻电池组中的某个单体会进入热失控。真正需要考虑的问题是“电池包是否设计得足够好，足以承受一个进入热失控的电池单体，而不引起其他电池单体进入热失控连锁反应？”

热失控传播( Thermal Runaway Propagation )是设计电池组时需要考虑的关键因素，是指电池单体进入热失控状态，释放大量热量，并将相邻电池单体加热到热失控点，实质上是启动了一个连锁反应，导致电池组最终被破坏。

对于这种类型的热失控传播场景，通过直观评价电池热失控传播得状态，如“通过”和“失败”。如果"通过"意味着电池进入热失控后，不会引起连锁反应，而"失败"意味着电池进入热失控后，并引起连锁反应。在这些场景中也存在一个不太直观的中间状态。例如热失控传播引起连锁反应，其中第一个进入热失控的电池和整个电池组被破坏之间的时间延迟是很长的一段时间，这也可能是一个"通过"的结果。

通过热失控状态的评估，我们需要考虑的问题是，如果电池单体被感应到进入了热失控状态，而车辆在高速公路上行驶，那么一个家庭是否有足够的时间在热失控传播连锁反应之前停车并安全地离开车辆?以及电池单体在电动飞行器飞行过程中进入热失控，那么在热失控连锁反应变得不稳定之前，飞行员是否能够着陆?

测试电池组热失控传播的试验成本很高并且不是很安全。首先，必须装配电池组样机，然后选择对应的电池，并在选定的电池上故意诱发热失控。之后确定电池单体静茹热失控对电池组的影响，确定相邻电池单体是否进入热失控，并确定热失控传播的快慢。

这个实验设置有两个主要缺点。首先，电池组价格昂贵，建立电池组并故意诱发热失控的安全测试成本高。其次，在纯电动汽车、电动飞行器等产品的开发周期中，这种物理测试往往做得很晚，如果一个电池组在这个测试中失败，那么对于产品的发布计划来说可能是一个重大挫折。

使用仿真来模拟锂离子电池组的热失控传播测试是避免与实验测试相关的成本和风险的一个好方法。除此之外，电池单体不需要随机挑选出来。相反，可以设置多个测试来测试电池组中每个电池的“可能场景”。GT - SUITE是模拟热失控传播试验的理想平台。

NASA发表的一篇论文中，NASA拥有关于锂离子电池热失控的大量实验数据，GT – SUITE基于大量的试验数据来模拟热失控在小型电池模块中的传播效应。通过转换CAD几何图形建立了热失控传播模型，并用实验数据进行了验证。

将之前建立的标称电池模型进行了升级，增加了热失控模型。包括以下更改：

触发：如果温度升高到180℃以上，电池会立即进入热失控状态

热释放：电池单体进入热失控状态，电池将以热(在这种情况下70 kJ)的形式释放能量

1、释放热量的40 %会在1.5秒内被电池单体本身所吸收；

2、释放热量的60 %会在1.5秒内以喷射的形式释放。

电气断开：一个单元进入热失控，它将不再参与模组放电，这意味着相邻的电池会有更多的电流流过。

该研究显示了一些测试用例，包括正常运行期间的两个电池模块，它们没有进入热失控的电池。下面的动画显示了其中一个测试，电池模块以1C的放电倍率放电。在下面的动画中，蓝色-红色轮廓线将局部温度动画化，其中蓝色为冷温度，红色为热温度。从下面的动画中，我们可以看到电池在1C放电时缓慢地升温。

为了采用这种电热电池模型和建立热失控传播模型，需要以下几个步骤。

NASA已经创建了专门的炸弹量热仪，通过各种原因对单个电池进行热失控（包括内部短路、针穿透、过渡加热等）。通过这种单体水平的测试，NASA能够测量热失控期间释放的能量。下面显示了他们对圆柱形电池测试的一些示例结果。

一旦对电池模型进行了这些修改，模块中的任何一个电池都可以通过施加外部热量来选择作为"触发"电池，直到达到180 ° C的触发温度。

在第一项研究中，选择模组边角处的一个电池单体作为触发电池。它被人为加热到其失控温度180 ° C，并立即进入热失控。下面的动画展示了选取角隅电池(图像的顶部)作为触发电池的热失控模拟结果。蓝色的电池表示温度较低，红色表示温度较高。从观看动画中，我们可以看到触发电池并没有引起邻近电池进入热失控的连锁反应。

由于在这个模拟中没有真正的电池模组被破坏，这个模拟可以在不同的条件下重复。下图仿真分析是针对电池组中心的电池进入热失控时，模组的反应情况。下图显示了模组中心的一个电池单体作为热失控的触发电池时，模组是如何反应。再次，我们可以看到热失控事件没有传播到邻近的电池。

上述显示的虚拟热失控传播测试均显示"通过"的结果，触发电池自我加热到极高的温度；然而，邻近的电池没有超过180 ° C的阈值进入热失控。为了说明"失败"的测试结果，对模组进行了一些修改，使其更有可能将热失控传播到邻近的电池。模组中的总线被包括在内，这增加了相邻电池之间传导的热量。此外，自热和作为喷出物释放的热量的比例被改变为30 % - 70 %，而不是前面提到的40 % - 60 %。

随着这些变化，观察到以下结果。在这种情况下，触发电池很快就会引起相邻电池之间的连锁反应，并导致比前面两个测试案例更多的突变情况。

由于时间是电池组设计者最重要的资源之一，因此在面对热失控传播等建模挑战时，关键的考虑因素之一是得到结果所需的总时间。获得结果所需的时间是构建模型所需的时间和运行模型所需的时间之和。基于GT-SUITE进行热失控仿真建模的时间和运行模型的时间都是很少的。

在上面给出的实例中，工程师使用GT内置的CAD几何预处理工具GEM3D将CAD几何模型转换为GT模型，并在大约半天的时间内使用GT的集成仿真环境进行建模。

在上面给出的例子中，模型在笔记本上运行的速度大约是实时的2 - 4倍，导致30分钟的模拟需要7 - 15分钟才能运行。该模型的有限元结构由6，000个节点和13，000个单元组成。这种快速的运行时间使用户能够测试电池热失控传播带来的一些不确定性：哪个电池启动热失控?它释放多少热量?那热量是怎么释放的? 有多少物质从其中喷出?所有这些都是可变性的来源，可以在快速运行的模型的帮助下进行探索。当使用极其详细的3D CFD模型时，这种类型的突变性分析是不可能的。

在设计电池模组或电池组时，需要研究电池对进入热失控的电池的响应，以分析电池是否引起进入热失控的电池的连锁反应，称为热失控传播。这可以通过构建原型模组和封装并在触发单元上施加热失控来进行实验；然而，这可能是极其昂贵的，如果电池包热失控测试失败，可能会对整个开发进度造成致命的伤害。基于GT - SUITE这些热失控传播试验可以完成相应仿真，这提供了许多优势，包括巨大的成本优势和运行多种场景的热失控传播测试能力。