基于CFD技术的某动力电池包热失控分析

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摘要

  关键词: 锂电池、热失控、计算流体力学、CONVERGE

  Key words: lithium battery, thermal runaway, CFD, CONVERGE

1 概述

热失控(thermal runaway)是指电池的由各种诱因引发电池内部出现异常发热，散热机制无法有效排热，温度升高引发链式反应，在自馈(self feeding)作用下电池内部温度和化学反应出现失控的现象。图1为电池热失控发生机制示意图，主要有三种诱发因素：机械滥用、电气滥用和热滥用。其中机械滥用包括跌落、压裂、金属穿刺等；电气滥用包括过充、内部短路等；热滥用包括高温环境或外部加热环境。

图1 热失控发生机制

2 CFD仿真建模过程

2.1 几何处理及边界确定

图2为本次仿真的电池包结构示意图，这是一个用于电动自行车的小型空气自然冷却电池包，包括外壳、BMS、电芯、镍带、底座支架、通风口结构。

图2 电池包结构

1——通风口；2——外壳；3——电池管理系统(BMS);4——镍带；5——电芯；6——支架底座

为了更真实地模拟电池的工作条件，并提高流场计算稳定性，在模型处理时增加了如图3中左侧的方形区域来模拟环境条件，并假定环境压力为一个大气压，环境温度为300K。蓝色为虚拟的壁面，假定为300K固定壁温；其它电池内外表面假定为对流条件，对流气体温度为400K，对流换热系数为0.1 W/m2·K。

图3 电池包几何处理方案及边界条件

图4 电池包边界划分列表

2.2 排气及点火条件

图5 排气口位置示意图

排气条件来自于，如表1所示。

表1 燃烧器仿真条件参数表

图6 电池排气瞬时流量曲线

图7 假定电池包内部短路发生位置

2.3 格方案

CONVERGE采用的是基于求解器的 格思想，只需事先制定好合理的 格布置方案，求解器在计算过程中会利用其内置的 格切割算法基于几何表面自动生成以六面体为主体的正交 格。CONVERGE支持的 格策略包括基础尺寸定义（base grid size），基于空间加密，基于边界加密，总体 格缩放(grid scaling)，基于流场参数如速度梯度、温度梯度等的自适应 格加密(Adaptive Mesh Refinement:AMR)等。

表2 电池包排气及燃烧分析 格布置方案策略

最终得到的 格效果如图8所示。

图8 电池包截面 格分布

2.4物理模型

表3 物理模型列表

2.5计算策略