翻译整理：IDAJ中国Converge技术团队 叶良春
为了减少二氧化碳的排放，全世界都在寻找更环保的交通方式。在政策扶持和电池技术的大规模改进的帮助下，在过去十年中，电动汽车的市场份额每年都在增长。2010年，世界上大约有1.7万辆电动汽车，到2019年，这个数字已经增长到720万。由于其能量密度高、容量大和和好的充放电性能，锂离子电池被广泛用于电动汽车。然而，锂离子电池的热稳定性低于其它充电电池，导致潜在的安全问题，如热失控及随之而来的可燃气体喷放燃烧。随着越来越多的电动汽车上路，你可能已经注意到一些关于电池起火的新闻报道。就在最近几年，有好几家汽车制造商因为电池起火问题不得不召回他们的电动汽车。如果全世界要张开双臂拥抱电动汽车，就必须解决这些安全问题。让我们来看看CONVERGE如何帮助您模拟、研究和设计更安全的锂离子电池组。 电池冷却分析
温度是影响锂离子电池性能的关键因素。一般情况下，锂离子电池的允许工作温度范围为-20°C至60°C(-4°F至140°F)。由于电池组件本身存在电阻，即使在正常工作下，电池也会发热。因此，为了安全运行，对电池进行冷却是非常必要的。由于其稳健的共轭传热模型，CONVERGE非常适合对电池组的各种冷却方式进行模拟。图1显示了空气冷却锂离子电池组模拟的温度云图。注意，在这种冷却策略下，电池的冷却是不均匀的，增加了潜在的风险。另外还可以看到CONVERGE在每个单元边界上加入了贴体边界层网格，在减少网格数量的同时还可以获得更高的精度。
图1:风冷锂离子电池组仿真
热失控分析
一旦电池温度升高到大约80°C至90°C(176°F至194°F)，固体电解质界面(SEI)层开始分解，电池开始自加热[4]。如果温度继续升高，就会引发一系列放热反应，从而导致热失控(电池单体温度无法控制地升高)。机械应力(想象一下在车祸中一个金属片穿透电池组)或工作应力(当电池过快充电、放电或过充时)也会引发热失控。一旦热失控开始，放热反应就会继续，直到电池中的所有能量被释放出来。因此一旦热失控反应开始发生就几乎难以提前终止。在处理电池火灾时，消防队员经常需要将电池冷却数小时，同时监测温度，以确保所有反应都已停止。当然，在过去的几年里，已经进行了一系列研究来研究锂离子电池的热失控。Ren et al.，2018[4]进行了一项这样的研究：他们在加速量热计（accelerated rate calorimeter: ARC）中将锂离子电池加热到150℃(如图2中的蓝线)启动热失控，并监测温度。为了在CONVERGE中计算由于热失控而释放的热量，采用SAGE详细化学求解器来求解表征电池内部集总组分的Arrhenius式反应机理。CONVERGE中的化学反应求解器非常高效，对于这种类型的反应机理，可以在几分钟内得到结果。图2显示了他们的实验结果与CONVERGE模拟结果的温度曲线对比。 
图2:Renet al.,2018[4]与CONVERGE结果对比
可燃气体喷放分析
在开始自加热并持续升温后，电解液在100°C(212°F)左右开始分解，释放出氢气、甲烷、乙烷等多种可燃气体。排出气体的确切成分取决于电池的充电状态和电池的化学性质。使用CONVERGE公司的SAGE详细化学求解器，用户可以模拟这个复杂的过程，以评估电池组着火的风险。化学求解器与流动求解器完全耦合，可以准确高效地模拟排气、点火和燃烧过程。图3展示了一个锂离子电池组气体喷放过程的模拟，可燃气体从电池热失控中释放出来。为了便于分析，动画中展示了释放的甲烷着火极限等值面。当在电池组内部引入点火源项时，产生的火焰(图3中红色部分所示)很快扫过含氧区域。一旦火焰离开电池组，就会有更多的氧气用于燃烧过程，导致更多的热量释放。
结 论
CONVERGE的流动、传热和化学反应模型为电池模拟提供了高度准确、可靠和快速的结果。传统的电池设计过程严重依赖于“试错”测试，以确保可操作性和安全性。通过在这个开发过程中引入CONVERGE模拟，您可以评估和优化多个电池组设计方案，然后只构建和测试最佳方案。通过这种方式借助仿真技术可以开发出更高效、更安全的电池——更安全的电池也就意味着更安全的电动汽车。如果您对使用CONVERGE进行电池模拟感兴趣，或者想了解更多关于使用CONVERGE进行电动汽车部件仿真方法，请与我们联系：idaj.marketing@idaj.cn!参考文献
[1] Woodward, M., Walton, B., Hamilton, J.,“Electric vehicles: Setting a course for 2030,”
https://www2.deloitte.com/us/en/insights/focus/future-of-mobility/electric-vehicle-trends-2030.html,accessed on Mar 3, 2021.
[2] International EnergyAgency (IEA), “Global EV Outlook 2020,” https://www.iea.org/reports/global-ev-outlook-2020,accessed on Mar 3, 2021.
[3] Ma, S., Jiang, M., Tao,P., Song, C., Wu, W., Deng, T., Shang, W., “Temperature effect and thermalimpact in lithium-ion batteries: A review,” Progress inNatural Science: Materials International, 28,653-666, 2018. DOI: 10.1016/j.pnsc.2018.11.002
[4] Ren, D., Liu, X., Feng,X., Lu, L., Ouyang, M., Li, J., He, X., “Model-based thermal runaway predictionof lithium-ion batteries from kinetics an alysis of cell components,” Applied Energy, 228,633-644, 2018. DOI: 1.1016/j.apenergy.2018.06.126
