基于CFD技术的某动力电池包热失控分析

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作者：叶良春

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锂电池是目前车辆上使用最广泛的动力电池。锂电池在受到机械滥用、热滥用或电气滥用条件下，电池内部出现自维持放热反应，导致温度成呈指数规律升高，最终电池失去稳定性并开裂，释放出大量可燃气体并引发着火或爆炸现象。本文基于三维燃烧专业CFD分析软件CONVERGE，采用基于详细化学反应思想的SAGE燃烧模型，模拟了某锂电池包出现热失控后的可燃气体喷放及后续的着火及火焰蔓延过程，有助于我们深入了解电池热失控后内部可燃气体扩散和燃烧特性，并为电池冷却及安全设计提供指导。

  关键词: 锂电池、热失控、计算流体力学、CONVERGE

  Key words: lithium battery, thermal runaway, CFD, CONVERGE

热失控(thermal runaway)是指电池的由各种诱因引发电池内部出现异常发热，散热机制无法有效排热，温度升高引发链式反应，在自馈(self feeding)作用下电池内部温度和化学反应出现失控的现象。图1为电池热失控发生机制示意图，主要有三种诱发因素：机械滥用、电气滥用和热滥用。其中机械滥用包括跌落、压裂、金属穿刺等；电气滥用包括过充、内部短路等；热滥用包括高温环境或外部加热环境。

电池热失控往往从电池电芯内的负极SEI膜分解开始，继而隔膜分解熔化，导致负极与电解液发生发应，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，造成了电解液分解，进而蔓延到其它电芯，造成了严重的热失控。热失控散发出的大量热量和可燃气体会引起让整个电池组着火和爆炸，带来严重的财产损失或人员伤亡事故。本文通过CFD仿真技术计算某动力锂电池包发生热失控之后的排气和燃烧现象，评估严重热失控后的内部可燃气体扩散和燃烧特性，并为电池冷却及安全设计提供指导。

图2为本次仿真的电池包结构示意图，这是一个用于电动自行车的小型空气自然冷却电池包，包括外壳、BMS、电芯、镍带、底座支架、通风口结构。

图2 电池包结构

1——通风口；2——外壳；3——电池管理系统(BMS);4——镍带；5——电芯；6——支架底座

为了更真实地模拟电池的工作条件，并提高流场计算稳定性，在模型处理时增加了如图3中左侧的方形区域来模拟环境条件，并假定环境压力为一个大气压，环境温度为300K。蓝色为虚拟的壁面，假定为300K固定壁温；其它电池内外表面假定为对流条件，对流气体温度为400K，对流换热系数为0.1 W/m2·K。

图3 电池包几何处理方案及边界条件

CONVERGE采用基于求解器的自动网格思想，无需事先生成三维网格模型，只需将几何进行适当的边界分割，体网格在求解器计算过程中完成。本文将电池包模型几何划分成如图4所示的10个边界：

图4 电池包边界划分列表

本文计算假定有两颗电芯发生热失控，可燃气体从端盖喷出，并在局部短路高温作用下点燃。排气口的位置如图5所示。

图5 排气口位置示意图

排气条件来自于^[1]，如表1所示。

表1 燃烧器仿真条件参数表

图6 电池排气瞬时流量曲线

电池排出的可燃气体通常由电池内部局部短路产生的高温点燃。本文假定短路发生于两个热失控电芯接触位置以及靠内侧的热失控电芯底部镍带连接处，具体 位置如图7中白色标记所示。电芯接触位置短路点的释放的能量假定为1焦耳，电芯底部的两个短路点释放的能量假定分别为0.2焦耳。并假定短路的时刻为1.05s，也即排气结束后的0.05s，持续时间为0.01s。

图7 假定电池包内部短路发生位置

CONVERGE采用的是基于求解器的网格思想，只需事先制定好合理的网格布置方案，求解器在计算过程中会利用其内置的网格切割算法基于几何表面自动生成以六面体为主体的正交网格。CONVERGE支持的网格策略包括基础尺寸定义（base grid size），基于空间加密，基于边界加密，总体网格缩放(grid scaling)，基于流场参数如速度梯度、温度梯度等的自适应网格加密(Adaptive Mesh Refinement:AMR)等。

本文计算采用的网格方案如表2所示，最大网格数控制在250万。

表2 电池包排气及燃烧分析网格布置方案策略

最终得到的网格效果如图8所示。

图8 电池包截面网格分布

本文主要研究目标是考察排气的扩散及燃烧过程的特性。扩散过程通过求解气体RANS方程得到，并使用了基于passive组分的示踪模型。燃烧模型则选用了CONVERGE中基于详细化学反应思想的sage燃烧模型。该模型可以真实地模拟排气的瞬态着火过程和火焰传播，即短路点释放热量后产生局部高温点，温度达到足够高时点燃电池包内部的可燃气，并形成火焰在电池包内传播的瞬态过程。反应机理采用基于GRI v3.0机理^[2]简化后的包含30个组分，184个反应的机理。因此本次计算主要用到的相关物理模型如表3所示。

表3 物理模型列表

对于电池包排气燃烧计算，通常可以采用两种计算方案。第一种是参照真实的物理过程，先计算排气过程，排气结束后再计算点火和燃烧过程；由于排气过程持续的时间相对于CFD模拟来说是比较长的，因此还可以采用第二种简化方案，即不计算排气过程，而是假定电池包内部预先填充好了可燃气，只计算点火和燃烧过程。

本文计算采用第一种方，总计算物理时间为1.1s， 前1s内进行排气计算，排气结束后1.05s时刻开始点火，并算至燃烧结束。 

图9通过不同时刻CH4组分的质量分数在电池包内部空间的分布云图展示了电池排气的扩散过程。可以看到排气从位于角落位置的热失控单元端盖喷出后逐步扩散到电池包内的右上部分的主要空间。但时间到达1s时刻，左下角仍有部分空间未被排气充满。

图9 不同时刻排气扩散形态

图10为燃烧阶段电池包内平均温度和压力随时间变化曲线。从压力曲线可以看出，在1.05s点火之后，电池内部平均压力在经过3-4ms的波动之后，随着燃烧的快速发展进行快速上升阶段，并于1.068s(点火后18ms)达到峰值10.24kPa;电池包内温度则随着点火和燃烧的推进不断升高，在1.1s达到920摄氏度。

图10 电池包内平均温度和压力曲线

图11为电池包内排气燃烧瞬时了累积放热曲线从瞬时放热曲线来看，1.05s时刻点火后，放热率快速上升，并于1.068s(点火后18ms)达到峰值23kW，1.09s（点火后40ms）后基本停止放热；也即整个电池包内的排气燃烧持续期约为40ms）。到1.1s时刻的累积燃烧放热为321J。

图11 电池包内瞬时和累积放热曲线

图12以温度等值面表示不同时刻火焰状态图。在t=1.052s时刻，电池包内出现两个圆形和一个圆柱形火焰面，这是点火能量释放后形成的初始火核。火核随后很快点燃内部可燃气体，火焰快速传播，到t=1.057s（火核出现后5个ms），火焰就完全包围了两个热失控电芯。到t=1.062s（火核出现后10个ms），火焰已经传播电池包内的一半以上的空间。到t=1.067s（火核出现后15个ms），火焰已经传播到电池包内整个空间，并从通风口扩散到外部环境，即外部有火焰喷射出来。

利用CONVERGE软件快速搭建了电池包热失控仿真模型，并对热失控单元的排气及燃烧过程进行了仿真计算，得到以下主要结论：

a. 该仿真模型可以真实地再现电池包内热失控单元的排气和燃烧等物理化学过程；

b. 通过对排气过程的仿真计算可以了解电池包内排气的扩散特性；

c．通过对燃烧过程的仿真计算，可以获得电池包内排气燃烧产生的温度、压力和火焰扩散特征时间。