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鋰電池熱失控thermal runaway CAE/CFD熱流模擬
Simcenter Star-CCM+ 鋰電池熱失控模擬內文摘要
精選本文目錄:
- Simcenter Star-CCM+ 鋰電池熱失控thermal runaway CAE/CFD熱流模擬
- 熱失控模擬流程及及釋放的熱量機制
- 將熱失控熱釋放模型和等效電路模型結合在使用者定義的電池單元中
- 一個全方位的電池最佳化設計流程
- 使用1D系統模擬進行電池組裝的概念設計
- 使用CFD計算流體力學模擬進行詳細的電池設計
- Part 1：安全第一 – 如何控制熱失控
- Part 2：快速充電並保持冷卻 – 熱管理系統的設計
Simcenter Star-CCM+ 電池包熱失控thermal runaway 教學影片
電池測試由於需要測試相當多次所以非常昂貴，可能很難在能夠執行熱失控測試的測試設施中獲得時間段。此外許多工程師不知道如何模擬熱失控，或者缺乏足夠的軟體工具來進行這些電池模擬。因此，電池設計通常只包括一個CAD部分，其中包含一個用於熱失控保護材料（如隔熱板或絕緣泡沫）的估計尺寸。對於在熱失控情況下釋放壓力和熱氣的通風系統，CAD工程師繪製一個應該代表破裂盤的圓圈，但此時沒有人知道其尺寸是否足夠以及是否僅需要一個破裂盤。不同的團隊同時開始開發電池組件，如冷卻回路、電池管理系統或外殼。如果在第一次熱失控測試中，電池未滿足官方要求的熱失控要求，那麼所有團隊的所有部件的尺寸都必須重新開始確定。
為了避免這些設計的不良因素，Simcenter STAR-CCM+開發了一種新的電池CAE/CFD模擬工作流程，允許輕鬆切換電熱電池模擬和熱失控模擬之間。使用者可以在一個電池模擬模型中同時處理電性能、電池冷卻回路、熱失控保護材料和通風系統。這使使用者能夠根據它們的各自物理特性輕鬆擴展不同電池平臺的單元化學成分。
電池的熱失控是由不同的物理現象混合而成的。如果電池單元接收一定量的能量，將發生多個化學氧化還原反應並釋放大量熱量。電池單元內的壓力迅速增加，最終電池單元將排出可以達到1000攝氏度以上的熱煙氣。為了設計出安全的電池，所有這些效應都必須考慮在內。Simcenter STAR-CCM+提供了一種簡單且高精度的方法來對其進行建模。
簡而言之，熱失控模擬流程及及釋放的熱量分為兩種機制：
- 由排氣氣體釋放的熱量(The heat released by the venting gas)
- 由固體電池部件釋放的熱量(The heat released by the solid cell parts)
電池模擬的輸入值來自對單個電池單元進行的所謂Accelerated rate calorimeter 加速量熱儀(簡稱ARC測試)。它們包括兩個表格：
將熱失控熱釋放模型和等效電路模型結合在使用者定義的電池單元中
在Simcenter STAR-CCM+中電池模擬模組的新工作流程中，一個新功能是“熱失控熱釋放模型”，用於描述在熱失控期間由電池單元的固體部分釋放的熱量。它可以添加到等效電路電池模型中（在Simcenter STAR-CCM+中稱為“RCR模型”）。
熱釋放模型基於包含電池溫度（K）和固體電池部件熱速率（W）的表格作為輸入參數。這些資料可以來自於ARC加速量熱儀測試，也可以使用Simcenter Amesim軟體來定義，Simcenter Amesim在其資料庫中提供了一些最常見的電池化學ARC測試資料，並且這些值可以根據電池的形狀和容量進行縮放。熱釋放會自動啟動，適用於包含電池模型的區域中的任何部分。使用者可以指定熱釋放的啟動方式，例如通過指定電池單元堆的溫度。這種簡單的設置使用戶能夠從一開始就將熱失控安全方面整合到電池設計中。
能夠參數化幾何形狀、執行智能設計探索及最佳化，並輕鬆切換不同電氣和熱失控模型，使Simcenter STAR-CCM+成為設計和擴展現代電池平臺，具有不同電池化學成分，並優化其熱管理和安全性群組件的理想工具。Simcenter STAR-CCM+也提供給用戶，讓使用者可以使用參數化模型。讓不同客戶通過使用相同的電池平臺配置不同電池進而獲得協作效應， 
一個全方位的電池最佳化設計流程
在電池系統的設計過程中，需要一個不同電池模擬方法的工具箱。這個工具箱涵蓋了從系統級的快速1D電池類比到元件級的精確3D CFD模擬，最終到結合了兩者優點的技術，即所謂的簡化模型（ROMS）。後者結合了3D模型的準確性和系統類比模型的速度。在下面的示例中，將展示不同的模擬技術，以便設計一個安全的電池組裝。
讓我們想像一下，我們是一家未來公司的3D模擬工程師，該公司希望基於一個單一的電池平臺開發不同類型的車輛。這些車輛可以自動駕駛，用於公共交通和快遞服務。我們需要開發的車輛是一輛小型巴士，將在大城市內運營。這輛巴士應具有足夠的續航里程、高度安全性，並且應在快速充電過程中迅速充電。在開發過程中，我們的3D模擬團隊與1D系統模擬團隊緊密合作。所使用的軟體工具包括Simcenter STAR-CCM+用於3D模擬和Simcenter Amesim用於1D系統模擬。
使用1D系統模擬進行電池組裝的概念設計
首先，我們的系統模擬團隊的同事模擬了不同電池化學成分，以滿足續航和性能要求，並在Simcenter Amesim中進行了初步的電池老化模擬。使用通用電池組裝模型，他們開發了初步的電池架構，並制定了電池冷卻系統的初步概念（電池架構和基本電池資料靈感來源於其他資源）。
使用CFD計算流體力學模擬進行詳細的電池設計
在這個基本電池概念的基礎上，3D電池模擬團隊的挑戰是確保在快速充電過程中實現安全的電池設計，特別是在熱失控和熱管理方面。
Part 1：安全第一 – 如何控制熱失控
依賴于應用和行業領域，熱失控安全有不同的策略和要求。一旦電池單元獲得啟動其放熱反應所需的能量，要阻止它燃燒幾乎是不可能的。最重要的是要防止電池單元迅速進入熱失控的連鎖反應。這會產生過多的熱量和壓力，以至於電池外殼無法安全釋放它而不傷害乘客。
更好的策略是減緩電池單元之間熱失控的傳播速度，以使電池組裝中包含的能量不會立刻釋放，而是逐步分散到每個電池單元中，並在之間留出足夠的時間。結合高效的氣體釋放系統和強大的耐熱電池外殼，這可以最小化風險並確保乘客的安全。
減緩傳播速度可以通過熱絕緣材料來實現，這些絕熱材料經過特殊設計，能夠耐受高溫，被稱為隔熱板。我們與一家隔熱板(heatshield )供應商取得聯繫，他為我們提供了3種不同厚度的產品：1公釐、3公釐和6公釐。
隔熱板的厚度對電池的整體尺寸和y軸方向的冷卻系統都有很大影響。為了評估最佳選項，我們使用Simcenter STAR-CCM+建立了一個完全參數化的電池幾何模型，根據隔熱板的厚度來調整所有部件的大小，進行最佳化模擬。
為了提高時間效率，熱失控行為是在一個單獨的模組及其周圍的空氣中進行模擬的。電池單元頂部與電池外殼蓋之間的間隙被精確建模，以考慮熱排氣氣體的反射。
我們對隔熱板厚度分別為1公釐、3公釐和6公釐進行了3次熱失控模擬，包括通風，並模擬了單個電池傳播之間的時間。由於我們的模組是參數化的，我們可以設置一次熱失控模型，並在Simcenter STAR-CCM+中使用設計研究管理器來應用相同的模型設置到不同的幾何形狀上。設計目標：
- 熱失控安全的要求取決於行業領域，不能是一般的制式標準。
- 在這個虛擬的情景中，如果超過80%的電池的單個電池傳播時間大於20秒那麼電池組被認為是安全的。
- 在溫度圖中，兩個電池傳播之間的時間小於這個值的區域被稱為臨界區域(Critical area)。
- 如果一個模組在傳播過程中出現多個臨界區域，就被認為是不安全的。
- 此外，我們要求第一個電池傳播和最後一個電池傳播之間至少有15分鐘的時間。
- 這只是一個例子，但由於我們展示了參數化的工作流程，這些要求可以根據具體情況進行調整。
這裡的重要資訊是識別具有傳播時間太短以及處於熱失控狀態的模組中第一個和最後一個電池之間的最長時間，當然還有最高溫度。電池蓋的溫度也是重要的，用來檢查是否熔化，但這不在本研究中包括在內。在這個示例中，我們關注傳播速度，更深入的模擬，包括因高溫而熔化的部分，將在其他演示中展示。
對於具有1公釐隔熱板厚度的電池模組，可以確定存在2個臨界區域，其中單個電池傳播之間的時間太短。使用3公釐隔熱板厚度，存在3個臨界區域，其中電池對之間的傳播時間差太短。最後，具有6公釐隔熱板厚度的模組是最安全的設計！隔熱板厚度越大越安全！對於使用6公釐厚隔熱板的設置，只剩下一個臨界區域，兩個電池之間的時間差為7秒。其餘的電池之間有足夠的時間，導致總體熱失控時間最長，因此可以認為該設計是安全的！
Part 2：快速充電並保持冷卻 - 熱管理系統的設計
在進行了熱失控安全模擬後，參數化電池根據隔熱板厚度進行了放大，然後可以繼續進行熱管理系統的設計。正如上面所描述的，過熱可能會導致電池進入熱失控狀態，電池單元的操作溫度也會對其壽命和性能產生重大影響。
在西門子其他技術文章有提到 三維CFD電池系統模擬，包括冷卻系統，使使用者能夠在設計過程的早期識別熱點和冷點。這些資訊可以稍後用於放置溫度感測器以進行實驗測試，或者用於獲取有關電池單元上的最大溫度梯度，這對於老化模擬非常重要。對於液冷系統的模擬，不需要像進行熱失控模擬時那樣類比電池模組內部的空氣。只需模擬冷卻流體並定義固體部分和電池內部空氣之間的熱傳遞係數，以形成對流邊界條件。
對於小型城市公車，就像對於每輛電動汽車一樣，最具挑戰性的操作是快速充電。在這裡，電流最高，冷卻性能最關鍵。公車有以下充電要求：
為了模擬電池的電熱行為，使用了一個具有2個RC元件的等效電路模型。它是使用者自訂的電池單元的一部分，就像之前用於熱失控模擬的熱失控熱釋放模型一樣。
複雜的電過程最好通過使用Simcenter STAR-CCM+內的電路編輯器來建模。它包含一組電氣元件，可實現大多數操作。
對於恒定電流恒定電壓充電程式，使用以下電路架構：
- 電路由8個串聯的模組組成，同時還有2個並聯分支。
- 分支1：模擬充電過程的恒定電流階段。
- 分支2：類比充電過程的恒定電壓階段。
對於本研究，模擬了以下冷卻系統參數：
為了加速計算，使用了設計研究管理器中的設計掃描操作。如果使用Simcenter STAR-CCM+多核心平行運算授權(Power on Demand)，可以平行處理運計算這六個電池模擬條件。
在所有模擬的邊界條件中，質量流率為0.05和入口流體溫度為21°C的組合結果表明，可以最好地將電池保持在24°C到27°C之間的最佳溫度範圍內。
最終，電池的設計已完成。電池在發生熱失控情況下具有足夠的被動保護措施。快速充電程式已建模，以確保電池能夠按時充電，冷卻系統參數已設置，以確保所有電池單元在所需的溫度範圍內。
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