​专家解读新能源车自燃的罪魁祸首：锂电池热失控

近期，新能源汽车发生的多起自燃事件使得公众视线纷纷聚焦到如何保障新能源汽车安全这一话题。据公开信息显示，在不到2个月的时间内，蔚来汽车ES8已发生4起自燃事故。2019年上半年，新能源缺陷车型累计召回2.76万辆，而6月27日因动力电池故障召回的蔚来汽车，是真正涉及自燃事件展开的召回。

【事件回顾】

今年4月，蔚来ES8车型于西安自燃起火，5月和6月，蔚来ES8分别在上海及武汉市发生自燃事件，最终在6月27日蔚来汽车决定召回部分搭载了2018年4月2日到2018年10月19日期间生产的动力电池包的ES8电动汽车，共计4,803辆，召回数量占其交付总量的27.37%，可是就在蔚来汽车发出一纸召回令的当天，在河北石家庄再次爆出自燃事故...

同样在4月，在上海某车库停放的一辆特斯拉Model S发生自燃，紧接着在5月，香港一家购物中心停车场再次发生的特斯拉电动车自燃，据统计自2013年以来该品牌已发生至少14起起火事故，随后的调查结果也初步显示起火原因是由位于车辆前部的单个电池模组故障引起...

可谓是一波未平一波又起，诸多电动汽车品牌频繁发生电池起火事故，尽管对发生自燃事故起因的探究各方观点不一，到底是模组内个别线束走向不当，引起在极端情况下受到挤压和磨损造成短路；还是电池包与模组之间出现了“结构干涉”，极端条件下出现采样线束短路。但毋庸置疑导致此类事件的“罪魁祸首”是电池模组短路，短路，尤其是内部短路，会使得电池急剧升温，如果此时没有其它控制温度的措施，可能会引发热失控的反应，最终导致热失控，而在电池包标准中，按规定将正负极短接一段时间内，要求电池包是不能热失控的。

随着锂离子电池能量密度的不断提高，提高其安全性对电动汽车的发展至关重要。热失控是电池安全研究中的一个关键问题。对热失控机理进行了全面的总结，其中可能导致热失控的滥用情况主要包括机械滥用、电气滥用和热滥用。典型机械滥用包括碰撞、挤压和穿刺，会导致电池结构破坏性变形和位移；机械滥用往往会带来内部短路。典型的电气滥用包括外部短路、过度充电和过度放电。针对以上的机械滥用、电气滥用和热滥用，ANSYS均有完整的解决方案。ANSYS LS-dyna及Mechanical可以模拟机械滥用过程中电池结构的变形和破坏，ANSYS FLUENT有专用的锂电池热失控模型，针对外部短路，内部短路以及最终热失控反应都有极佳的建模仿真，可以帮助客户提升锂电池的安全性，充分运用仿真技术，加强电池模组的安全技术研发和测试验证，规避电池模组故障，保障在用车辆安全。

本文我们主要介绍ANSYS FLUENT在热失控仿真中的应用。欲了解更多锂电池及燃料电池仿真设计解决方案，可报名参加7月23日在上海举办的 “ANSYS锂电池及燃料电池研讨会” 。

ANSYS FLUENT热失控仿真方案

ANSYS FLUENT热失控仿真方案具有以下特点：

1.     提供了两种热滥用模型

a.     一方程模型

b.    四方程模型

2.     提供了用于一方程的参数拟合工具

3.     提供了外部短路和内部短路模拟方法

4.     可模拟热失控的整个物理现象

上述提及的两种热滥用模型既可以和fluent MSMD电池模块耦合使用，也可以单独使用（run thermal abuse model only）。

理论基础

1.     一方程模型

一方程是将热滥用过程中总生成热用一个集总反应来模拟，如下

S为热滥用热量生成速率

一方程的反应速率由以下方程描述，用反应进度来跟踪：

上述a为反应进度，a=0表示反应未开始，a=1表示已经完全反应；Ea为反应活化能(J/mol)；T为温度（K）；R为气体常数；A为反应频率因子(1/s)；m,n为反应级数；R为反应速度(1/s)；H为反应热(J/kg)，W为反应物密度(kg/m^3)

由方程（1-1）可求得反映进度a，代入到方程（1-3）即可得到使用一方程集总方法的热量生成速率

2.     四方程模型

与一方程模型将整个过程所有的生成热用一个集总反应模拟不同，四方程模型考虑了热滥用过程中四个不同的放热反应机理。这四个反应分别为：

• SEI（solid electrolyte interface）decomposition reaction/固体电解质界面分解反应

• Negative electrode -electrolyte reactions/负电极电解质反应

• Positive electrode-electrolyte reactions/正电极电解质反应

• Electrolyte decomposition reactions/电解质分解反应

按照NREL的研究，以上四种不同反应的起始条件，主要是反应开始温度并不相同（如下表），而是随着温度不断升高四个反应依次发生，因此四方程模型较一方程模型可以提供较多的过程信息。

四方程模型总生成热为四个放热反应生成热的和：

上述S项下标sei/ne/pe/ele分别代表以上四个反应。

其中SEI decomposition reaction的反应描述如下：

其中A, Ea, Ru, T, H, W , m与之前定义相同；Csei为反应物无量纲分数变量，1代表未反应，0代表完全反应。

Negative electrode -electrolyte reactions的反应描述如下

其中A, Ea, Ru, T, H, W , m, Cne与之前定义相同；tsei为SEI层无量纲厚度。

Positive electrode-electrolyte reactions的反应描述如下

其中A, Ea, Ru, T, H, W , m, Cpe与之前定义相同

Electrolyte decomposition reactions的反应描述如下

其中A, Ea, Ru, T, H, W , m, Cele与之前定义相同

下图给出了NREL（国家可再生能源实验室）的结果与fluent结果对比图，两者吻合的非常好。

在此需要说明的是，上述模型中涉及的参数会因电池不同而不同，用户需要根据试验测试数据（如ARC数据）来进行提取相应数据。

3.     内部短路和外部短路

短路，无论是外部短路还是内部短路，会引发相应位置产生局部高温区，而局部高温区又会激发电池热滥用化学分解反应，从而产生更多热量，这一过程持续增强会导致热失控，最终导致电池毁坏。

FLUENT 对外部短路的处理方法是在MSMD模块上设置负载为一个较小的欧姆值，对内部短路的处理是将短路区域patch为较小的欧姆值。

典型案例

给大家分享一个由于机械滥用造成内部短路，最终导致热失控的案例。

1.     利用LS dyna获得碰撞后形变信息

此处插入视频：热失控001

2.     设置MSMD模块

3.     设置热失控模型

4.     仿真结果

此处插入视频：热失控002

新能源电动车频发的自燃事故让各大厂商更加重视锂电池热失控问题的研究，也让锂电池安全升级成为消费者对新能源电动汽车最担心的问题。电池热失控造成重大危害的警钟已敲响，如何能够在新能源汽车大势所趋的历史浪潮中，保障最终交付产品的性能和行驶安全，如何加强新能源汽车的能源管理，提高安全水平，成为整个产业亟待解决的问题，也是值得行业内的深思和探究的。

为此，ANSYS中国将于7月23日在上海举办一场锂电池及燃料电池仿真设计解决方案专题研讨会，届时就锂电池和燃料电池的关键技术问题进行探讨和研究，本次研讨会特邀ANSYS首席研发专家李少平博士和李革农博士，为大家带来ANSYS FLUENT在锂离子电池、燃料电池以及通用电化学方向的仿真技术应用和前沿发展，ANSYS中国流体高级工程师井文明也会就锂离子电池仿真中的热失控及LTI ROM进行现场演示，我们期待您的参与！

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