AMESim电池模组热失控仿真

提示：本文按照作者的个人见解完成，不代表观点的正确；如有侵权，请联系作者删除。

文章目录

AMESim电池模组热失控仿真
前言
一、电池模组的电化学热耦合模型
二、输入与使用场景
- 1.参考场景
- 2.不同场景对比
三、仿真结果
- 1. 2mm的情况
- 2. 增加单体间距的影响
总结

前言

提示：本文为AMESim help文档的翻译版本，因作者水平有限，如有不正确之处欢迎批评指正。

热失控是电池系统安全状态监测的重要研究内容，工程师需要合理设计以达到热失控危害的最小化。利用基于等效电路模型的热失控建模方法，可以有效仿真设计完成系统的安全性。本例研究了模组热失控时的单体产热传热特征与热蔓延路径。

一、电池模组的电化学热耦合模型

图1表示了一个由6个NCA-C单体电池串联的22V模组。

每个单体建模由电特性模型和热特性模型耦合组成，热模型采用的热容元件（THC000）可以计算单体的平均温度，电模型（ESSBATCA01）可以计算单体的不同电特性参数和热流率。单体的热失控模型的参数由IFP_ESS_ThermalRunaway（挖个坑，这个文档其实是电池热失控理论计算的一个说明书，等哪天看明白了翻译出来）文档中给出。
两单体之间导热的镍片连接是基于热导元件（THCD00）建模的。
辐射热元件（THR02）被用于相邻电池间或电池与墙体间。
为了单独处理每个单体的热交换和表征空间中温度分布的不均匀性，模组的模型被设计为10个墙体的装配体，每个墙体与相邻的单体都有相同的维度，两个相邻墙体的热传导用热导元件（THCD00）联系起来。每个墙体都与外部环境换热，单体与墙体之间的热量传递用辐射热表示。
单体与封装之间的热传导被忽略。
认为模组内部没有冷却系统。

二、输入与使用场景

1.参考场景

电池模组在20摄氏度的环境温度下放置且电流保持为0，在墙体5处受到起火的影响（即只有5临近热源有温升），温度的变化曲线如图2所示，当热失控触发时该热源立即消失。

2.不同场景对比

为了评估设计参数对模组热失控的影响，可对一个参数进行多组赋值。在第一种情况下，两个相邻单体之间的空间设置为2mm。在第二种情况下，空间增加到5mm。其目的是为电池之间的空间找到一个足够大的值，以防止模组发生热失控。

三、仿真结果

1. 2mm的情况

图3展示了间距为2mm时的单体温度，可见模组中单体的变化是有一定顺序的：

首先距离起火点最近的单体1在1800s左右发生了第一个放热反应（SEI膜失稳）。在2550s时，外加热源/起火因为电池内部的放热反应（负极的溶剂还原反应、正极和电解液分解反应）依次发生而停止。单体1的温度在2566s时达到345摄氏度。
单体1热失控的产热通过镍片连接的热传导、单体与单体/单体与封装之间的热辐射传输。因此单体1的温度减小、相邻单体的温度升高就显示了热扩散的发生。
单体2和4的热失控发生在约3900s时，这两个单体是与单体1直接连接的最近单体，它们的最高温度达到了336摄氏度。
在4362s时由于接收了单体2和4的热辐射，单体5发生热失控。温度升高的更快并且达到了359摄氏度，因为它相邻的单体正处于一个很高的温度。
最后在约5000s的时候热扩散波及离起火点最远的单体3和6。因为单体6与单体5（此时它温度最高）直接连接，因此单体6的最高温度为358摄氏度高于单体3的346摄氏度。
因为单体3和6的连接片暴露在外部环境中，因此其热量消失最快。

在本例中，即使在2550s时去掉了热源，单体1的温度仍足以使其发生热失控，之后热失控在5000s左右扩散到整个模组。

模型的仿真结果可以在Simcenter AMESim的3D仿真工具中以可视化的形式看到。

2. 增加单体间距的影响

单体间距离2mm和5mm的仿真结果对比如图5和图6所示。像图5中展示的当单体间距离增加到5mm，单体1的热失控发生在约3300s时（相比较距离2mm的情况热失控推迟了800s）并且最大温度不超过311摄氏度（距离2mm时温度是345摄氏度）。

图6展示了两种情况下单体1热量释放的情况。当单体间距离为5mm时，其他单体的温度升高不足以触发热失控，证明此时热量得到有效的扩散和传导，每个单体的温度都保持在100摄氏度以下，阻止了热失控的蔓延和模组的完全失效。

总结

综上，利用热失控建模仿真方法，Simcenter AMESim可以帮助提升电池包安全性能。