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          COMSOL 如何通過仿真設(shè)計(jì)出更安全的電池

          作者: 時(shí)間:2024-07-03 來源:COMSOL 收藏

          設(shè)想一個(gè)場景:一個(gè)組連接到充電器上正在充電。第 1 分鐘,一切正常,電能正常流入組。突然,一個(gè)單元發(fā)生短路并迅速升溫,進(jìn)而引發(fā)連鎖反應(yīng),電池組中的其他電池紛紛效仿。20 分鐘后,整個(gè)電池組已經(jīng)完全損壞。為了研究這種存在安全隱患的情況,我們模擬了一個(gè)經(jīng)歷這種快速變化過程的電池組。
          電池出問題的風(fēng)險(xiǎn)
          當(dāng)電池超出其正常工作范圍、受損或發(fā)生短路時(shí),就會(huì)像上述極端一樣經(jīng)歷熱失控。在這個(gè)過程中,一個(gè)電池單元會(huì)不受控制地升溫,并引發(fā)鄰近電池效仿。當(dāng)過多的熱量產(chǎn)生卻沒有足夠的散熱來抵消時(shí),整塊電池就會(huì)出現(xiàn)熱失控。這會(huì)迅速損壞整個(gè)電池組,使其無法使用。壞的情況下,極端高溫甚至?xí)l(fā)火災(zāi),造成極其嚴(yán)重的后果。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202407/460601.htm

          COMSOL 如何通過仿真設(shè)計(jì)出更安全的電池


          如果電池設(shè)計(jì)或操作不當(dāng),極易發(fā)生熱失控事件。照片由 Roberto Sorin 拍攝,通過  Unsplash 共享。

          要深入探究這類故障在未來電池設(shè)計(jì)中的發(fā)展和演變,電池設(shè)計(jì)人員可以借助建模與(M&S)來測試他們的設(shè)計(jì),從而避免在此過程中損壞任何材料或造成人員傷害。通過,他們能夠仔細(xì)地查看電池組內(nèi)部(這在實(shí)驗(yàn)室中無法實(shí)現(xiàn)),尤其是多物理場模型,能夠正確反映電池組在真實(shí)工作環(huán)境中的運(yùn)行狀況。
          Multiphysics中建立電池組模型
          以一個(gè)由 20 個(gè)圓柱形電池組成的 5s4p 配置的簡單電池組為例。在 5s4p 配置中,4 組電池單元并聯(lián),每組包含 5 個(gè)串聯(lián)的單個(gè)電池。在這個(gè)示例模型中,我們添加了兩個(gè)塑料支架,用于將電池保持在各自的位置以及固定電池與電池之間的距離。在電池圓筒中間,模型還包括焊接在串行連接器上的并行連接器(位于電池圓筒中間),以及包裹整個(gè)電池組的一層薄塑料包裝。

           

          COMSOL 如何通過仿真設(shè)計(jì)出更安全的電池


          電池組的幾何模型。

          該模型使用了 Multiphysics軟件材料庫中的以下材料:
          丙烯酸塑料(用于塑料支架)
          AISI 4340 鋼(用于連接器和電池端子)
          空氣(用于氣室內(nèi)的空氣)


          接下來,讓我們觸發(fā)電池組的熱失控!為了啟動(dòng)熱失控蔓延,假設(shè)在充電過程的早期一個(gè)電池發(fā)生短路。
          熱失控模擬
          在模擬中,一旦短路被觸發(fā)(充電 1 分鐘時(shí)),電池組內(nèi)的測量溫度會(huì)瞬間升高超過 300°C。然而,由于只有一個(gè)電池經(jīng)歷了這種溫度的急劇上升,電池組的平均溫度僅有輕微的上升。我們觀察到一個(gè)潛伏期,在此期間,鄰近的電池被問題電池加熱,直到另一個(gè)電池被觸發(fā)瞬間升溫。

          COMSOL 如何通過仿真設(shè)計(jì)出更安全的電池


          電池組中的電壓和溫度。

          剩余電池觸發(fā)熱事件的臨界溫度為 80°C,隨著電池組整體熱量的增加,電池相繼失控的時(shí)間間隔變得更短。為了模擬電解質(zhì)的流失和由此導(dǎo)致的電池內(nèi)部電阻增加,在觸發(fā)熱事件時(shí),電池的內(nèi)部歐姆電阻被設(shè)定為增加約兩個(gè)數(shù)量級。

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          電池組內(nèi)電池溫度隨時(shí)間的變化情況。

          在第 10 分鐘時(shí),已經(jīng)達(dá)到充電電壓限制,充電器關(guān)閉。但這時(shí)已無法阻止電池的進(jìn)一步損壞,熱失控繼續(xù)蔓延到電池組的其他部分。短短幾分鐘后, 20 個(gè)電池全部損壞。到 20 分鐘時(shí),熱失控過程已經(jīng)結(jié)束,但電池組的平均溫度仍然在 350°C 以上。如果這是一個(gè)真實(shí)的電池組,模擬的場景很可能會(huì)導(dǎo)致火災(zāi),甚至爆炸。
          防患于未然
          電池長時(shí)間處于高溫狀態(tài),以不安全的方式運(yùn)行或者受損,都可能引發(fā)熱失控事件。當(dāng)系統(tǒng)的某個(gè)部分開始過熱時(shí),情況就會(huì)迅速惡化。通過模擬這些事件,用戶可以在虛擬環(huán)境中測試電池設(shè)計(jì),并驗(yàn)證如電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的有效性,以及在潛在部署位置的系統(tǒng)溫度調(diào)節(jié)能力等。通過多物理場仿真的方法,電池設(shè)計(jì)人員可以更深入地理解熱失控事件,并有效避免這種情況發(fā)生。



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