基于GT-SUITE的电池包热失控传播仿真

概要

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。

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模型介绍

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 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；

  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

热失控传播的传热路径

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

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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。

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.