導讀：電池熱失控狀態下，最常見的現象是電池溫度升高、電池產氣、防爆閥開閥噴發、電池起火、拉弧、開裂等現象，這些現象中，尤其以電池起火拉弧等最為危險，當然電池產熱產氣也是后續起火拉弧的前奏。

考慮到電池熱失控的不確定性以及實驗的高成本，因此通過仿真方法能夠有效的降低熱失控的實驗測試次數，最快最優的得到熱防護的方案。

常用的防護方案，當然是使用氣凝膠等高效阻燃隔熱的材料，放置在電池之間，用于阻斷熱失控狀態下的熱傳遞。其次是在電池的頂部使用一些云母材料，用于隔斷電池噴發對周邊的影響。

但是基于氣凝膠等材料的高成本、企業的降本需求以及PACK性能要求，防護材料的使用量不能無限制上升，因此通過仿真方法能夠有效的確定最佳的組合防護方案。

一、熱失控仿真該做什么？

電池熱失控仿真需要做的內容非常多，諸如：

（1）分析電池之間的間隙、確認隔熱材料的厚度。通過電池間的隔熱材料厚度確定電池熱失控的時間間隔，當時間間隔足夠長時，就能夠避免后續電池不失控。

圖1 電池熱失控溫度曲線

圖 2電池溫度與產熱曲線

（2）電池的產氣噴發等，分析電池噴發過程中電池包內壓力變化過程，分析排氣的通暢能力，防爆閥的排氣能力，以及防爆閥的位置選型、排氣量選型設計等。

（3）電池噴發過程中的拉弧效應，分析電池噴發過程中，因氣體內部攜帶的高溫液體和熔融金屬等帶電導致的電芯和金屬件之間、電芯和電芯之間的拉弧短路。

（4）電池產氣以及氣體轉移過程中對周邊電池的影響分析等。

二、熱失控仿真該怎么做？

熱失控的仿真重點在于需要明確仿真模擬的對象是什么、需要仿真確認什么內容，才能通過這些信息對模型進行簡化處理，從而得到相應的模型。這是較為簡單可行的方案。

仿真分析較為常規的是模擬物理現象，但是基于物理現象的復雜性以及仿真的可實現性以及設備的運行能力等，往往是無法100%的復現物理現象的。因此仿真過程中會出現一些簡化的部分，重點凸出對仿真分析內容在原理上的簡化，以及問題本質原因的分析。

例如，在做電芯拉弧的仿真分析中，首先需要明確的是，拉弧的機理是什么？拉弧是正電荷和負電荷之間相互導通的一種方式，中間的導通介質是空氣等；電芯噴發的物質中，能否帶電荷的是金屬熔融物和液滴等。所以在噴發過程中，轉移的相其實一般就是四種，液體、金屬熔融物、固體金屬、氣體。

其次還包括：

（1）需要使用多相模型。

（2）電場用于模擬電荷的轉移。

（3）是否要模擬金屬熔融物的沉降、固體顆粒的沉降、以及液體的二次破碎等。

（4）也是最關鍵的部分，評價標準怎么建立。

三、熱失控電芯的參數如何獲取？

電芯熱失控參數的獲取方法一般都是通過ARC實驗標定來獲取，但是基于PACK的電芯熱失控實驗，與標準的ARC實驗不同，主要區別在于：PACK實驗中電芯從實驗開始到電芯失控的時間間隔很短，二ARC實驗很長，這個差異會造成電芯后續產熱、產氣等數據上的差異。

通過ARC實驗可以得到電池的產氣、產熱速率和產熱量、質量損失等數據，通過一定的數據處理和擬合等，可以用于后續的仿真計算中。這種方法對實驗的數據依處理的賴度比較大，需要電芯實驗數據和PACK實驗數據的高度耦合。

圖 4：電芯溫升速率

圖 5：電芯熱失控溫度

其次，可以通過ARC實驗數據，通過集總參數等方法，推到出電芯的黑匣子模型，利用黑匣子模型進行電芯熱失控的仿真分析。

圖 6：集總參數法

四、熱失控公開課

曾幾何時，北京南四環一個電化學儲能電站發生爆炸。

據報道，這次事故主要的問題是電池。這個電化學儲能電站建設有25MWh的磷酸鐵鋰電池儲能。安全性雖然相對更高，但依然會存在熱失控的現象（產品因素、環境因素、安裝因素，也有些電池本身是二手的，也就是動力電池退役后再次使用的）。當磷酸鐵鋰電池熱失控時，電解液中會析出很多易燃易燃爆的氣體，比如一氧化碳、氫氣、乙烯、甲烷、乙烷、碳酸甲乙酯、碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯等，這些氣體與空氣混合形成了爆炸性混合物，遇火源即會發生劇烈爆炸。

審核編輯：劉清