基于GT-SUITE建立等效电路电池热失控传播模型

在电池热失控研究领域，仿真具有非常重要的意义。它能以可重复、低成本、零风险的方式，解决锂离子电池安全开发中的核心矛盾：既要提升能量密度，又要确保极端情况下的安全性。电池热失控诱因一般分为热滥用、电滥用、机械滥用。目前我们常使用软件工具模拟热滥用引发的电芯热失控。电芯热失控的发生，本质上是不断触发副反应的发生，电芯温度升高，并产生可燃气体。热量通过热传导、热对流以及射流火焰进行传播，引发电池包内热失控传播，高温气体逸出造成电池包外传播。

热失控传播在新能源汽车和储能电站中存在较大风险。近年来，全球新能源汽车因电池热失控导致的火灾事故屡见报端。大型电站集成数万个高能量密度电芯，风险高度集中，一旦发生热失控，释放总能量巨大，极易引发大规模火灾，且扑救难度极高。

 

热失控传播仿真扮演的角色非常重要，但也面临着一些挑战。热失控是“热-电-化学-流体-力学”多物理场交织作用的结果。各物理场的时间与空间尺度差异悬殊，使得数值求解过程极易出现不收敛，成为仿真建模的首要难题。热失控是高度动态的非线性过程，触发位置、传播路径具有极强随机性，伴随复杂的链式副反应。

 

目前热失控传播仿真 主要应用于高性能隔热材料选型和热管理系统（TMS）优化方面。

关于电池热失控传播仿真建模，GT-SUITE提供了“一揽子”解决方案。GT-SUITE提供了两种电池模型，即电化学模型和等效电路模型ECM。如果我们关注高倍率、低温等极端工况以及局部电化学现象，可以使用AutoLion模板建立电化学电池模型；如果我们的主要目标是温度场和传播路径以及与BMS（电池管理系统）策略耦合，可以使用Battery模板建立ECM电池模型。触发热失控的策略可以使用软件自带的控制模板库建模。对于流动和传热耦合模型，我们可以采用一维流动+三维有限元（1D CFD+3D FEA）方法建模。对于热失控传播模型中阀和气相燃烧反应的建模，我们有相应的模板库直接供大家选择。

在热失控传播模型中，流体常处理为一维的管路，固体为三维的有限元，固体域网格之间按照几何关系进行热传导，管路中每个网格与对应的固体网格之间进行对流换热。

 

在这篇文章中，我们基于GT-SUITE建立ECM电池热失控传播模型。此电池包由5.7Ah圆柱型电芯组成，排列方式为3串3并。

 

 

 

其他电芯的热负荷也是分三个阶段设置，State1正常工作阶段的发热功率=Heat；State2热失控阶段的发热功率=70[kJ] / 1.5[s]*1000；State3电芯失效后，发热功率=0。

 

产气流量的设置，State2热失控阶段，产气流量=0.01[kg/s]；State1热失控前和State3热失控后阶段，产气流量=0。

 

4.1 工况设置

在Case Setup中，对变量赋值。电池的初始温度为300K，初始SOC为1，以15.6A恒流放电，冷却液流量分别设置为0.25kg/s、0.01kg/s，热失控温度判断为423.75K，热失控持续时间为1.5s，卷芯发热量分数为1，热失控发热量为70kJ，汇流排电阻为5e-4Ω，热失控发生时产气流量为0.01kg/s。

 

在RunSetup中，设置最大仿真时间为200s，瞬态仿真。

 

4.2计算结果

1. 温度结果

 

Case2 冷却液流量为0.01kg/s，Cell3先发生热失控，其他电芯发生热失控传播。

 

2. 产气质量流量结果

Case1未发生热失控传播，各电芯产气质量流量结果

 

Case2发生热失控传播，各电芯产气质量流量结果

 

3. 计算成本

每个Case物理时间设置为200s，CPU计算时间为120s，实时因子为0.6。电脑配置：12th Gen Intel(R) Core(TM) i7-12700H (2.30 GHz)，14核，20线程。

关于电池热失控传播仿真建模，GT-SUITE提供了“一揽子”解决方案。本文基于GT-SUITE建立ECM电池热失控传播模型，通过对某个电芯施加发热功率，触发其发生热失控，设置了两个Case，探究了不同的冷却液流量对热失控传播的影响。电池温度场计算结果可输出三维动画或云图，可视化效果非常好。计算成本低，物理时间200s，CPU时间120s，实时因子为0.6，可与控制策略集成，大大加速方案迭代。