CONVERGEv3.x对比v2.x系列之二：电池包安全性模拟_碰撞_多相流_燃烧_化学_湍流_航空_汽车

CONVERGEv3.x对比v2.x系列之二：电池包安全性模拟

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CONVERGE 3.x系列版本是对2.x系列版本的一次重大升级。CSI公司调整了软件的架构，重写了整个软件代码，在软件各项功能和性能方面有了巨大的提升。接下来我们将推出系列推文，介绍这两个系列版本的差异，涵盖的主题将包括：软件性能对比，物理模型升级（含燃烧模型，喷雾模型，多相流模型，FSI模型，声学模型，电池模型等），行业应用升级（含发动机缸内，尾气后处理，航空发动机，新能源汽车，风力发电等）。

本期推文主题为介绍利用CONVERGE模拟预测和防止电池风险及危险的整体方案，同时对方案应用中CONVERGE v3.x版本相较于v2.x版本的成熟度和功能优势。

1. 锂电池安全性及热失控

锂离子电池由于其优秀的循环寿命、无记忆效应和高能量密度等特点成为便携式电子设备、电动车等广泛应用的动力源。然而，具有较高能量密度的电极材料具有较低的热稳定性，会导致潜在的安全问题，如通过热失控过程会发生灾难性和危险性的故障。此外，当电池组装成模块或电池包时，潜在风险更为严重，单个电池释放的热量会扩散到相邻电池，这反过来会导致周围单元加热从而进一步加剧每个电池单体进入到热失控的程度。这就可能成为热失控在整个模块中从一个单元到另一个单元的链式反应的开始，即热失控蔓延。

热失控的严重性在一定程度上是锂离子电池化学特性的一部分。即便是据称最安全的电动公交车上用的LFP电池仍然被报道发生过热失控。因此，锂离子电池安全性的研究就具有重要的意义，也非常有必要扩大对锂离子电池包在被滥用时热失控过程的了解。

另外，锂离子电池在电子设备、电动汽车、大型储能设备等应用中由于热失控引起的火灾和爆炸的新闻常在社会上引发轰动效应。可见，虽然发生爆炸的概率不高，但后果往往可能极高。常见的爆炸风险缓解和防止的策略包括排放易燃气体、泄放爆燃、向易燃混合物中添加惰性气体、抑制火焰膨胀、硬化结构等。这些策略需要对三种关键气体特性进行表征：较低的气体可燃性极限、层流火焰速度和最大绝热超压。

锂离子电池最重要的安全因素之一是其在各种滥用情况下的热稳定性。电池的不安全行为，即滥用行为是引发热失控的主要原因。电池滥用主要分为三大类：

a. 机械滥用：由于碰撞产生电池组挤压和穿刺从而引起电池组发生破坏性变形。电池组变形可能导致电池隔膜被撕裂从而发生内部短路以及易燃电解质泄漏引起燃烧。

b. 电气滥用：一般包括外部短路、过充电、过放电等，其中过充电由于其饱含能量，是电气滥用中危害最高的一种，伴随着热量和气体的产生。

c. 热滥用：在储运和使用过程中，由于意外受热造成锂电池单元暴露于热环境中就存在热滥用风险。局部过热是电池组中典型的热滥用情况。热滥用往往是由机械滥用和电气滥用发展而来，最终成为直接触发热失控的一环。

下图说明了锂电池常见滥用情况及热失控发生过程。

三种电池滥用及热失控

2. CFD仿真计算方案

2.1

网格方案

常见的电池包模型几何难点在于内部空间狭小，结构之间小间隙很多，障碍物的存在对气体分布和火焰前端及发展预测有影响。同时复杂的几何结构给网格划分也带来一定的困难。CONVERGE采用其专利网格切割技术，在计算过程中实时自动生成适体网格，可以轻松应对电池包内部复杂空间结构内的网格生成。

CONVERGE灵活的网格加密策略包括固定加密技术和自适应网格加密技术（AMR）。固定加密技术可以对重要位置和壁面，如失控单元盖入口附近，固体壁面进行加密；AMR自适应网格可以基于流场变化加密，避免非预测性的全局加密，更加高效的追踪壳体内的气体扩散以及燃烧产生的火焰前端。

CONVERGE可以快速系统性的验证网格收敛性，有利于冷却策略的评估，避免由于网格方案和加密策略产生的局部温度预测差异，降低遗漏热失控触发风险的可能性。

多种网格策略灵活配置

2.2

网格方案

电池模块壳体内部的自然对流、强制对流过程是电池冷却和抑制热扩散的重要前提，同时电池单体热失控导致的易燃气体释放和在电池包内的扩散过程也是安全策略评估的重要方面。CONVERGE具备丰富的湍流模型，对于求解可压缩流体的运动过程具有更好的收敛性和更快的计算速度。用户可以利用CONVERGE采用BICGSTAB（双耦合梯度）求解器，自定义流场监控量和更大的CFL数快速完成电池包内流场、温度场稳态分析和评估。用户还可以通过瞬态分析完成可燃气体的扩散过程分析，结合CONVERGE独特的SAGE模型实现着火过程以及火焰发展时间的预测。

CONVERGE允许通过INFLOW的方式定义电池盖等破裂引起的排出物释放并填充壳体空间，同时用户可以借鉴大量的文献数据支持对不同电解质材料、不同充电状态下释放的可燃气体组分比例、流速曲线进行准确定义。

Lithium Battery Thermal Runaway Vent Gas Analysis, DOT/FAA/TC-15/59

2.3

热源模拟

电池单体正常工作以及热失控过程都伴随着持续热释放。准确定义热释放过程是后续一系列过程仿真的关键。CONVERGE提供了热失控源项和电池热源帮助用户定义电池单元热。

a. 热失控源项

Hatchard-Kim模型构建了含SOC 100%的钴酸锂（LiCoO2）/石墨模型，包含了4个放热放映过程的模拟：SEI膜分解放热、负极材料和电解质反应放热、正极材料和电解质反应放热、电解质分解放热。

Ren模型构建了Li(Ni1/3Co1/3Mn1/3)O2/石墨的模型，包含了6个放热过程的模拟：SEI膜分解放热、负极材料和电解质反应放热、负极材料和粘合剂反应放热、正极材料和粘合剂反应放热、正极材料分解放热、正极和负极间反应放热。

ARC实验环境下的软包电池热失控计算案例

b. 电池热源

CONVERGE中配置了等效电路模型来估算电池放热。模型化的电路由串联电阻和0~3对RC并行电路组成，发热量由电流、电阻和电容之间的电压、串联电阻计算得到。

等效电路模型

2.4

燃烧模拟

CONVERGE独特的详细化学反应求解器SAGE采用adaptive zoning加速算法可以快速求解详细反应机理，准确模拟电池组壳体内从引燃到燃烧扩散的过程。CONVERGE还搭载了零维/一维燃烧工具可预测可燃极限和层流燃烧速度，这些结果可用来作为爆炸风险等分析以及材料温度管理的基准。

层流火焰速度燃烧极限预测

2.5

热耦合模拟

开启CONVERGE的共轭耦合传热（CHT）模型可以求解固体域以及固体间导热，解析流/固界面耦合传热。Super-cycling超循环算法可以有效处理不同材料之间传热时间尺度不一致的问题，加速固体温度的收敛。

从GT-SUITE v2021以后，GT-CONVERGE（付费可选包）可以实现对电池模块的耦合模拟。GT-SUITE中可以使用FE模型和固体热容量对结构体进行温度计算，CONVERGE计算结构周围的流体，并在交界面处进行共轭传热计算。

3. 场景应用

3.1

热滥用的预测和防止

电池包外部受热预测：预测耐火性试验中电池包受热情况

电池包内部传热预测：固体内部传热电池保内升温过程

3.2

电气滥用的预测和防止

内部短路等发生时，短路电流集中在电池单元内部出现局部高温区域。CONVERGE可使用Hatchard-Kim模型和Ren模型预测电池内部异常发热。

CONVERGE还可以评估冷却系统对热传播抑制效果，如冷却板内冷却液流量变化对电池温度分布的影响。

冷却板通道内流动及传热模拟

3.3

机械滥用的预测和防止

机械滥用的结果如电池被压坏，电池内电解质蒸发产生气体膨胀并喷出电池包。CONVERGE不仅可以预测释放气体喷射和扩散状况，还可以预测喷射气体的爆炸和燃烧。

4. CONVERGE v3.x和v2.x在电池安全性模拟应用中的功能对比

综上所述，CONVERGE在电池安全性预测及防止策略评估方面提供了成熟完整的仿真方案。在具体功能的实现上，CONVERGE v3.x版本和v2.x版本存在较大的差别，如下表所示。

从功能对比可以看出，CONVERGE v3.x版本在电池热失控模拟方面具有不可替代的优势，欢迎新老用户升级和试用最新的版本。

来源：艾迪捷

基于GT-SUITE的单电芯热失控仿真

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针对一个单电芯进行热失控分析，介绍GT-SUITE进行单电芯热失控仿真的基本方法，模拟除燃烧爆炸之外的过程。01 热失控的过程由于电池滥用（机械滥用、电滥用、热滥用），电池触发热失控。而后发生一系列连锁反应，进而导致电芯温度快速升高以及严重内短路。与此同时，各类副反应不断地生成可燃性气体，当电芯内部气体压力过高时，泄压阀开启，喷出可燃性气体，当这些可燃性气体达到可燃极限时就会发生燃烧爆炸。本文将会模拟除燃烧爆炸之外的过程。众所周知，热失控过程中的副反应由于包含表面化学以及气相反应，故非常复杂。其反应动力学机理以及动力学参数都存在较大的不确定性。故一种“唯象”的、较为抽象的反应动力学模型适用性更强。如下式所示，每个副反应都简化为一个单步反应，每一个反应的反应速率表达式都采用以下一般形式。采用这种方式可以避免考虑该反应的细节。式中，是频率因子，是个常数；是指normalized的反应物x的浓度，1表示x完全没有反应，0表示x已经完全被反应了。方程右侧的项表示修正项。下面为热失控过程中不断发生的反应[1]。① 正常工作阶段电芯首先工作在正常模式。本文的电芯采用等效电路模型（也可以采用电化学电池模型）。电芯工作在CCCV循环之中，充放电倍率为2C。同时还包括电芯的简单热管理模型。模型如下图所示。RISC为内短路电阻，该电阻阻值随着温度不断变化。工作在CCCV的电池等效电路模型② SEI 分解当电芯温度达到大约50℃时，SEI膜开始分解。分解速率如下式所示。式中，是频率因子，是个常数；是指normalized的SEI浓度。③ 负极与电解液反应由于SEI膜分解，使得负极中嵌入的Li可以与电解液发生反应，该反应显著放热。反应速率表达式如下式所示：式中，是指normalized的负极中嵌入的Li浓度；方程右侧最后一项表示SEI膜越厚，该反应越慢。④ SEI 再生成负极中嵌入的Li可以与电解液发生反应，可以再次生成SEI膜。该再生的反应速率如下式所示：所以SEI的净分解速率为： ⑤ 随着电芯温度的继续升高，达到120~140℃时，隔膜开始融化，同时电解液也开始分解。当温度达到180℃和220℃时，正极材料进行两步分解并释放氧气。这些反应的反应动力学参数如下表所示。热失控反应动力学参数[1] ⑥ 内短路当电芯温度来到250℃时，电芯完全内短路，内短路电阻（RISC）降为0.01Ω。本文中的内短路电阻就采用下图中的数值。内短路电阻[1]⑦ 正负极之间直接发生反应（chemical-crosstalk）当隔膜融化后，正负极材料直接接触，形成一个复杂的氧化还原反应系统。该反应系统被称为“chemical-crosstalk”。该过程发生在260℃之后，在10s内能释放308kJ的热量。⑧ Gas Venting随着副反应不断地产气，导致电芯内部的压力不断增加，当超过压力限值时（20bar，由于缺乏数据支持，该值仅为假设值），泄压阀开启。GT中通过一个FlowSplit模块来模拟这个过程。02 GT的表面化学模块GT的化学反应模块可以自由定义各类化学反应，包括气相反应和表面化学反应。本文将采用表面化学模块（SurfaceReactions）进行电芯热失控的反应动力学计算。GT中的化学反应推荐采用准稳态求解器，可以大大增加时间步长，从而加快计算速度，本文中模型的计算速度仅用时不到2min。以SEI膜分解为例，如果考虑该反应的细节，该反应式应写为：但是这些反应的反应动力学参数难以获得。除此之外，有一些副反应机理也并不清楚，故难以确定其反应式。本文采用文献[1]的方式，不考虑具体的反应细节，只需要计算出该反应的放热以及产气量即可，反应式如下式所示：假设该反应的产热量为150J/g，那么SEI的生成焓就是150J/g，的生成焓是0J/g。其他反应的反应式如下图所示： GT中的表面化学模块最终的模型如下图所示，该模型包含3部分内容：正常工作阶段的电池模型（采用等效电路模型）热失控反应动力学计算模型Gas Venting 模型 GT 热失控仿真模型03 结果分析下图为发生热失控的电芯温度和电压的变化曲线。当发生严重内短路时，电池快速自放电，导致电池电压快速降低。电芯的温度和电压下图为发生热失控的电芯内部压力的变化曲线。从图中可以看出，当内部气体压力大于20bar时，泄压阀开启。电芯内部气体压力下图为6个副反应的反应物标准化了的浓度随温度的变化。从图中可以看出副反应随温度的增加不断地被启用。反应物浓度随温度的变化综上所述，GT可以自由定义化学反应动力学。但是考虑到模型的适用性和实用性，本文采用文献[1]所介绍的建模方案，即不考虑详细的反应细节，仅关注反应的产热和产气。该方法计算速度快，模型参数较少，实用性较好。参考文献 [1] Feng X, He X, Ouyang M, et al. A coupled electrochemical-thermal failure model for predicting the thermal runaway behavior of lithium-ion batteries[J]. Journal of The Electrochemical Society, 2018, 165(16): A3748.来源：艾迪捷