專家解讀新能源車自燃的罪魁禍首：鋰電池熱失控

近期，新能源汽車發生的多起自燃事件使得公眾視線紛紛聚焦到如何保障新能源汽車安全這一話題。據公開信息顯示，在不到2個月的時間內，蔚來汽車ES8已發生4起自燃事故。2019年上半年，新能源缺陷車型累計召回2.76萬輛，而6月27日因動力電池故障召回的蔚來汽車，是真正涉及自燃事件展開的召回。

【事件回顧】

今年4月，蔚來ES8車型於西安自燃起火，5月和6月，蔚來ES8分別在上海及武漢市發生自燃事件，最終在6月27日蔚來汽車決定召回部分搭載了2018年4月2日到2018年10月19日期間生產的動力電池包的ES8電動汽車，共計4,803輛，召回數量占其交付總量的27.37%，可是就在蔚來汽車發出一紙召回令的當天，在河北石家莊再次爆出自燃事故...

同樣在4月，在上海某車庫停放的一輛特斯拉Model S發生自燃，緊接著在5月，香港一家購物中心停車場再次發生的特斯拉電動車自燃，據統計自2013年以來該品牌已發生至少14起起火事故，隨後的調查結果也初步顯示起火原因是由位於車輛前部的單個電池模組故障引起...

可謂是一波未平一波又起，諸多電動汽車品牌頻繁發生電池起火事故，儘管對發生自燃事故起因的探究各方觀點不一，到底是模組內個別線束走向不當，引起在極端情況下受到擠壓和磨損造成短路；還是電池包與模組之間出現了「結構干涉」，極端條件下出現採樣線束短路。但毋庸置疑導致此類事件的「罪魁禍首」是電池模組短路，短路，尤其是內部短路，會使得電池急劇升溫，如果此時沒有其它控制溫度的措施，可能會引發熱失控的反應，最終導致熱失控，而在電池包標準中，按規定將正負極短接一段時間內，要求電池包是不能熱失控的。

隨著鋰離子電池能量密度的不斷提高，提高其安全性對電動汽車的發展至關重要。熱失控是電池安全研究中的一個關鍵問題。對熱失控機理進行了全面的總結，其中可能導致熱失控的濫用情況主要包括機械濫用、電氣濫用和熱濫用。典型機械濫用包括碰撞、擠壓和穿刺，會導致電池結構破壞性變形和位移；機械濫用往往會帶來內部短路。典型的電氣濫用包括外部短路、過度充電和過度放電。針對以上的機械濫用、電氣濫用和熱濫用，ANSYS均有完整的解決方案。ANSYS LS-dyna及Mechanical可以模擬機械濫用過程中電池結構的變形和破壞，ANSYS FLUENT有專用的鋰電池熱失控模型，針對外部短路，內部短路以及最終熱失控反應都有極佳的建模模擬，可以幫助客戶提升鋰電池的安全性，充分運用模擬技術，加強電池模組的安全技術研發和測試驗證，規避電池模組故障，保障在用車輛安全。

本文我們主要介紹ANSYS FLUENT在熱失控模擬中的應用。欲了解更多鋰電池及燃料電池模擬設計解決方案，可報名參加7月23日在上海舉辦的 「ANSYS鋰電池及燃料電池研討會」 。

ANSYS FLUENT熱失控模擬方案

ANSYS FLUENT熱失控模擬方案具有以下特點：

1.???? 提供了兩種熱濫用模型

a.???? 一方程模型

b.??? 四方程模型

2.???? 提供了用於一方程的參數擬合工具

3.???? 提供了外部短路和內部短路模擬方法

4.???? 可模擬熱失控的整個物理現象

上述提及的兩種熱濫用模型既可以和fluent MSMD電池模塊耦合使用，也可以單獨使用（run thermal abuse model only）。

理論基礎

1.???? 一方程模型

一方程是將熱濫用過程中總生成熱用一個集總反應來模擬，如下

（1-0）

S為熱濫用熱量生成速率

一方程的反應速率由以下方程描述，用反應進度來跟蹤：

上述a為反應進度，a=0表示反應未開始，a=1表示已經完全反應；Ea為反應活化能(J/mol)；T為溫度（K）；R為氣體常數；A為反應頻率因子(1/s)；m,n為反應級數；R為反應速度(1/s)；H為反應熱(J/kg)，W為反應物密度(kg/m^3)

由方程（1-1）可求得反映進度a，代入到方程（1-3）即可得到使用一方程集總方法的熱量生成速率

2.???? 四方程模型

與一方程模型將整個過程所有的生成熱用一個集總反應模擬不同，四方程模型考慮了熱濫用過程中四個不同的放熱反應機理。這四個反應分別為：

SEI（solid electrolyte interface）decomposition reaction/固體電解質界面分解反應

Negative electrode -electrolyte reactions/負電極電解質反應

Positive electrode-electrolyte reactions/正電極電解質反應

Electrolyte decomposition reactions/電解質分解反應

按照NREL的研究，以上四種不同反應的起始條件，主要是反應開始溫度並不相同（如下表），而是隨著溫度不斷升高四個反應依次發生，因此四方程模型較一方程模型可以提供較多的過程信息。

四方程模型總生成熱為四個放熱反應生成熱的和：

上述S項下標sei/ne/pe/ele分別代表以上四個反應。

其中SEI decomposition reaction的反應描述如下：

其中A, Ea, Ru, T, H, W , m與之前定義相同；Csei為反應物無量綱分數變數，1代表未反應，0代表完全反應。

Negative electrode -electrolyte reactions的反應描述如下

其中A, Ea, Ru, T, H, W , m, Cne與之前定義相同；tsei為SEI層無量綱厚度。

Positive electrode-electrolyte reactions的反應描述如下

其中A, Ea, Ru, T, H, W , m, Cpe與之前定義相同

Electrolyte decomposition reactions的反應描述如下

其中A, Ea, Ru, T, H, W , m, Cele與之前定義相同

下圖給出了NREL（國家可再生能源實驗室）的結果與fluent結果對比圖，兩者吻合的非常好。

在此需要說明的是，上述模型中涉及的參數會因電池不同而不同，用戶需要根據試驗測試數據（如ARC數據）來進行提取相應數據。

3.???? 內部短路和外部短路

短路，無論是外部短路還是內部短路，會引發相應位置產生局部高溫區，而局部高溫區又會激發電池熱濫用化學分解反應，從而產生更多熱量，這一過程持續增強會導致熱失控，最終導致電池毀壞。

FLUENT 對外部短路的處理方法是在MSMD模塊上設置負載為一個較小的歐姆值，對內部短路的處理是將短路區域patch為較小的歐姆值。

典型案例

給大家分享一個由於機械濫用造成內部短路，最終導致熱失控的案例。

1.???? 利用LS dyna獲得碰撞後形變信息

此處插入視頻：熱失控001

2.???? 設置MSMD模塊

3.???? 設置熱失控模型

4.???? 模擬結果

此處插入視頻：熱失控002

新能源電動車頻發的自燃事故讓各大廠商更加重視鋰電池熱失控問題的研究，也讓鋰電池安全升級成為消費者對新能源電動汽車最擔心的問題。電池熱失控造成重大危害的警鐘已敲響，如何能夠在新能源汽車大勢所趨的歷史浪潮中，保障最終交付產品的性能和行駛安全，如何加強新能源汽車的能源管理，提高安全水平，成為整個產業亟待解決的問題，也是值得行業內的深思和探究的。

為此，ANSYS中國將於7月23日在上海舉辦一場鋰電池及燃料電池模擬設計解決方案專題研討會，屆時就鋰電池和燃料電池的關鍵技術問題進行探討和研究，本次研討會特邀ANSYS首席研發專家李少平博士和李革農博士，為大家帶來ANSYS FLUENT在鋰離子電池、燃料電池以及通用電化學方向的模擬技術應用和前沿發展，ANSYS中國流體高級工程師井文明也會就鋰離子電池模擬中的熱失控及LTI ROM進行現場演示，我們期待您的參與！

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