COMSOL 如何通過仿真設(shè)計(jì)出更安全的電池

設(shè)想一個(gè)場(chǎng)景：一個(gè)電池組連接到充電器上正在充電。第 1 分鐘，一切正常，電能正常流入電池組。突然，一個(gè)電池單元發(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。

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仿真（M&S）來測(cè)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。通過仿真，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(chǎng)仿真模型，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。
在 COMSOL 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(jiǎn)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。

電池組的幾何模型。

該模型使用了 COMSOL Multiphysics軟件材料庫(kù)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(cè)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。

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(jí)。

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(chǎng)景很可能會(huì)導(dǎo)致火災(zāi)，甚至爆炸。
防患于未然
電池長(zhǎng)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(cè)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(chǎng)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。