基于GT-SUITE的电池包热失控传播仿真
概要
热失控以及热失控传播是锂电池面临的主要安全问题。本文将基于GT-SUITE针对一个模组进行热失控传播分析，介绍GT-SUITE进行热失控传播仿真的基本方法。热失控传播仿真一般有两种方法：
① 直接利用化学反应动力学计算各电芯中不断发生的副反应。该方法是有用的，但计算成本高，且许多反应动力学参数需要标定；
② 避免计算化学反应动力学，基于量热器的测试数据，将电芯热失控过程中总的产热量按照一定比例分配到电芯各部分中（如卷芯、正负极喷出物等）。该方法计算成本低，更为实用。
本文采用方法二，后续我们将介绍GT-SUITE 基于反应动力学的热失控仿真方法。
模型介绍
下图为本文所用模组。该模组由14个18650型圆柱形电池并联而成，该电芯的标称容量为3.6Ah，标称电压3.6V。模型中包含电池壳（23micro）、卷芯、上下采集板（capture plate）、泡沫衬套（foam liner）。冷却液方式为水冷，冷却位置为电芯底部，假设水冷板的温度为25℃，这样就不必建立冷却水的流体回路。另外，外壳与环境之间也发生辐射传热，环境温度为20℃。
模组几何
下表为所用材料的热特性。卷芯与外壳之间的接触热阻假设为0.00125~0.0025 m2-K/W。其他固体部件之间的接触热阻均为0.001m2-K/W。
模型处理
下图为在GT中进行详细模组热管理的模型处理过程。本模型共14000个有限元网格，可以得到固体部分的温度分布。该模型的计算速度可以达到实时仿真的水平。
控制设定
热失控传播仿真一般有两种方法：
① 直接利用化学反应动力学计算各副反应。该方法是有用的，但计算成本高，且许多反应动力学参数需要标定；
② 避免计算化学反应动力学，基于量热测试数据，将电芯热失控过程中总的产热量按照一定比例分配到电芯各部分中（如卷芯、正负极喷出物等）。该方法计算成本低，更为实用。本文采用方法二。下面将介绍如何触发热失控，以及热失控之后的电芯是如何发热的。
热失控的触发
热失控的触发一般由3种诱因：机械滥用触发、电滥用触发和热滥用触发。在热失控传播仿真中，可以不考虑单体热失控是如何触发的，而只关注单体热失控触发之后的传播问题。故可以指定14个电芯中的任意一个发生热失控。在模型中这是通过给定该电芯一个60W的热源来实现的。当该电芯外壳顶部的温度达到180℃时，认为热失控被触发。
热失控之后
热失控发生后，热量的传递路径可能有三种：电池壁面、极耳、射流火焰。如下图所示。有试验[1]表明通过电池壁面的路径是最重要的。故本文中主要考虑通过电池壁面的传热路径。
热失控传播的传热路径[1]
在指定的电芯触发热失控之后，电芯会在很短的时间内（如在0.5-1.5s之内），将热量释放。将热失控过程中总的放热量按照比例进行分配。本例中的电芯在热失控时总的放热量为70kJ，假设40%的热量进入电芯本体（卷芯），其他通过泄压阀喷出。总的放热时间为1.5s。另外，热失控发生后，该电芯相当于处在开路状态，在模型中将相邻的bus bar设置为开路状态。
对于复杂的模型，应该分步骤进行建模，如下图所示：
建模步骤
结果分析
下面将分别触发两个位置的电芯，使其发生热失控。一个在模组的Corner位置，一个在模组的中部位置。然后观察其他电芯的响应。
Corner 处的电芯触发热失控
如下图所示，Cell 1触发热失控，而其他电芯都没有发生热失控，其他电芯的最大温度能达到100℃。这表明电芯之间的泡沫衬套起到了很好的隔热效果。
电芯的温度变化
下图为不同电芯的电流变化，发生热失控的Cell 1的电流将为0，而其他电芯的电流负载仍然比较均衡。
不同电芯的电流负载
Middle处的电芯触发热失控
如下图所示，Cell 7触发热失控。而其他电芯都没有发生热失控，其他电芯的最大温度能达到90℃。这表明电芯之间的泡沫衬套起到了很好的隔热效果。
电芯的温度变化
下图为不同电芯的电流变化，发生热失控的Cell 7的电流将为0，而其他电芯的电流负载仍然比较均衡。
不同电芯的电流负载
综上所述，基于方法2的热失控传播仿真能够得到很多有价值的信息，且计算速度快，可用于较大规模的DOE优化设计。后续我们将介绍基于反应动力学的热失控仿真方法。
[1] Xuning Feng, Jing Sun, Minggao Ouyang, Fang Wang, Xiangming He, Languang Lu, Huei Peng, Characterization of penetration induced thermal runaway propagation process within a large format lithium ion battery module, Journal of Power Sources, Volume 275, 2015.
