专家解读新能源车自燃的罪魁祸首：锂电池热失控

最近，多起新能源汽车自燃事件，让公众关注如何确保新能源汽车的安全。根据公开信息，NIO ES8在不到两个月的时间里已经发生了四起自燃事故。2019年上半年，共召回27600辆有缺陷的新能源汽车车型，而6月27日NIO Motors因动力电池故障而被召回，这确实是一起涉及自燃事件的召回事件。今年4月，NIO ES8型号在西安自燃。5月和6月，NIO ES8分别在上海和武汉发生自燃事件。最终，6月27日，NIO决定召回2018年4月2日至2018年10月19日期间生产的共计4803辆配备动力电池组的ES8电动汽车，占其总交付量的27.37%。然而，就在NIO发布召回令的当天，河北石家庄又发生了一起自燃事故。4月，一辆特斯拉S型车停在上海一家车库内，发生自燃，随后5月，另一辆特斯拉电动汽车在香港一家购物中心停车场自燃。据统计，自2013年以来，该品牌至少发生了14起火灾事故，随后的调查结果也初步表明，火灾原因是由位于车辆前部的单个电池模块故障引起的。可以说，一波又一波的火灾尚未平息，许多电动汽车品牌频繁发生电池火灾事故。尽管各方对自燃事故原因的探索各不相同，但正是模块内个别线束的布线不当，在极端情况下会导致压缩和磨损，从而导致短路；电池组和模块之间仍然存在“结构干扰”，导致在极端条件下采样线束短路。然而，毫无疑问，导致此类事件的“罪魁祸首”是电池模块短路，尤其是内部短路，这会导致电池迅速发热。如果此时没有其他温度控制措施，可能会引起热失控反应，最终导致热失控。在电池组标准中，要求按照规定将正极和负极短接一段时间，并且电池组不得热失控。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。对热失控的机理进行了全面总结，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。典型的机械滥用，包括碰撞、压缩和刺穿，会导致电池结构的破坏性变形和位移；

机械滥用通常会导致内部短路。典型的电气滥用包括外部短路、过度充电和过度放电。ANSYS针对上述机械滥用、电气滥用和热滥用提供了完整的解决方案。ANSYS LS dyna和Mechanical可以模拟电池结构在机械滥用过程中的变形和损伤。ANSYS FLUENT有一个专门的锂电池热失控模型，对外部短路、内部短路和最终的热失控反应都有很好的建模和模拟。它可以帮助客户提高锂电池的安全性，充分利用模拟技术，加强电池模块安全技术的开发和测试验证，避免电池模块故障，确保车辆在使用中的安全。本文主要介绍了ANSYS FLUENT在热失控模拟中的应用。要了解更多关于锂电池和燃料电池模拟设计解决方案的信息，您可以注册参加7月23日在上海举行的“ANSYS锂电池与燃料电池研讨会”。ANSYS FLUENT热失控仿真方案具有以下特点：1提供了两个热滥用模型一方程模型b四方程模型2。为一个方程提供参数拟合工具3为外部和内部短路提供模拟方法4上述两个热滥用模型可以模拟热失控的整个物理现象，可以与fluent MSMD电池模块耦合，也可以单独使用。理论基础1。一个方程模型一个方程使用集中反应模拟热滥用过程中产生的总热量，如下所示

其中S表示由于热滥用而产生的热量的速率的方程的反应速率由以下方程描述，并由反应进度跟踪：

上述a表示反应进度，其中a=0表示反应尚未开始，a=1表示反应已完全完成；Ea是反应活化能（J/mol）；T是温度；R是气体常数；A是反应频率因子（1/s）；m。N是反应级数；R是反应速率（1/s）；H是反应热（J/kg），W是反应物密度（kg/m^3），反应进度a可以从方程中得到。通过将其代入方程，可以获得使用一方程聚合方法的热量产生率。四方程模型和一方程模型使用集中反应来模拟整个过程中产生的所有热量。四方程模型考虑了热滥用过程中四种不同的放热反应机制。这四种反应是：SEI分解反应/固体电解质界面分解反应负极电子反应/负极电解质反应正极电子反应/正极电解质反应电解质分解反应/电解质分解反应根据NREL的研究，四种不同反应的起始条件主要是由于反应的起始温度不同。然而，随着温度的持续升高，四种反应依次发生，因此四方程模型可以提供比一方程模型更多的过程信息。反应#反应可能的起始温度（℃）1固体电解质界面分解反应802负极电解质反应1003正极电解质反应1304电解质分解反应180四方程模型总生成热量是四个放热反应生成热量的总和：

S项中的下标sei/ne/pe/ele表示上述四种反应。SEI组成反应的反应描述如下：

其中，A、Ea、Ru、T、H、W、m与前面的定义相同；

Csei是反应物的无量纲分数变量，1表示未反应，0表示完全反应。负极电子反应的反应描述如下

A、Ea、Ru、T、H、W、m和Cpe的反应与先前定义的电解质组成反应相同，描述如下

其中，A、Ea、Ru、T、H、W、m、Cele的定义与以前相同。下图显示了NREL结果和fluent结果之间的比较，两者非常一致。

需要注意的是，上述模型中涉及的参数可能会因电池而异，用户需要根据实验测试数据提取相应的数据。3.内部短路和外部短路，无论是外部短路还是内部短路，都会导致相应位置出现局部高温区，局部高温区会刺激电池热滥用的化学分解反应，从而产生更多的热量。这一过程的不断增强将导致热失控，并最终导致电池损坏。FLUENT处理外部短路的方法是将MSMD模块上的负载设置为较小的欧姆值，而处理内部短路的方法则是将短路区域修补为较小的电阻值。与大家分享一个典型的案例，即机械滥用导致的内部短路，最终导致热失控。

1.使用LS dyna获取碰撞后的变形信息。在此处插入视频：热失控0012设置MSMD模块

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3.设置热失控模型

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4、模拟结果在此插入视频：002新能源电动汽车自燃事故频发，使各大厂商更加重视锂电池热失控问题的研究，也使锂电池的安全升级成为消费者对新能源电动车辆最担心的问题。电池热失控造成重大危害的警报已经响起。如何在新能源汽车的历史潮流中保证最终交付产品的性能和行驶安全，如何加强新能源汽车能源管理，提高安全水平，成为整个行业亟待解决的问题，也值得行业内深入思考和探索。为此，ANSYS中国有限公司将于7月23日在上海举办锂离子电池和燃料电池仿真设计解决方案专题研讨会。届时，将对锂离子电池和燃料电池的关键技术问题进行讨论和研究。本次研讨会特别邀请ANSYS首席研发专家李少平博士和李吉农博士将ANSYS FLUENT应用于锂离子电池。模拟技术在燃料电池和通用电化学领域的应用和前沿发展，以及ANSYS中国高级流体工程师景文明对锂离子电池模拟中的热失控和LTI ROM的现场演示，我们期待您的参与！

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