動力電池熱擴散實驗室仿真與優(yōu)化研究

【摘要】為提高動力電池熱擴散試驗的效率和安全性，基于某熱擴散實驗室實際數(shù)據(jù)建立實驗室三維模型并開展了氣體擴散仿真分析，針對實驗室氣體擴散效率不高的問題，提出在冷卻水池正上方設(shè)置雙吸氣口的改進方案，仿真驗證結(jié)果表明，與原方案相比，改進方案CO2濃度峰值降低25%、CO2氣體擴散效率提高22.16%，有效提高了試驗效率和安全性。

關(guān)鍵詞：動力電池 熱擴散實驗室 雙吸氣口 氣體擴散

中圖分類號：TH12" "文獻標志碼：A" "DOI： 10.20104/j.cnki.1674-6546.20240368

Research on Simulation and Improvement of Thermal Diffusion Laboratory for Power Battery

Chen Yifei1， Deng Qingqing2

（1. Pan Asia Technical Automotive Center Co.， Ltd.， Shanghai 242000; 2. Hefei University of Technology， Hefei 230009）

【Abstract】In order to improve the efficiency and safety of thermal diffusion testing for power batteries， a three-dimensional model of the laboratory is established and gas diffusion simulation analysis is carried out based on actual data from a thermal diffusion laboratory. Regarding the issue of low diffusion efficiency of laboratory gases， the paper proposes an improved scheme to install dual suction ports directly above the cooling water tank. The simulation verification results show that the improved scheme reduces the peak CO2 concentration by 25% and increases the CO2 gas diffusion efficiency by 22.16% compared with the original scheme，， which effectively improves experimental efficiency and safety.

Key words： Power battery， Thermal diffusion laboratory， Dual air intakes， Gas diffusion

【引用格式】 陳逸飛， 鄧青青. 動力電池熱擴散實驗室仿真與優(yōu)化研究[J]. 汽車工程師， 2025（2）： 40-48.

CHEN Y F， DENG Q Q. Research on Simulation and Improvement of Thermal Diffusion Laboratory for Power Battery[J]. Automotive Engineer， 2025（2）： 40-48.

1 前言

新能源汽車動力電池包或系統(tǒng)內(nèi)由電池單體熱失控引發(fā)的其余電池單體接連發(fā)生熱失控的現(xiàn)象稱為熱擴散[1]。熱擴散試驗是動力電池安全性的檢驗標準之一，同時，隨著相關(guān)強制性國家標準[2-4]的發(fā)布，熱擴散試驗將成為必檢項目。

針對動力電池熱擴散問題，研究人員主要采用數(shù)值模擬和測試相結(jié)合的方法開展分析。饒中浩[5]研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)相變材料（Phase Change Material，PCM）散熱系統(tǒng)能夠有效降低電池模組內(nèi)部溫度，并提高電池的剩余使用壽命。Gribble等[6]利用差示掃描量熱法（Differential Scanning Calorimetry，DSC）開展熱分析，闡明了鋰離子電池的熱失控機理。

為模擬新能源汽車行駛過程中可能出現(xiàn)的問題，在動力電池熱擴散試驗中，需開展機械濫用（擠壓、針刺等）試驗、電濫用（過充、過放等）試驗和熱濫用（加熱、高溫等）試驗，可能發(fā)生起火爆炸，產(chǎn)生的大量有毒有害污染氣體將迅速充滿實驗室，若不能及時凈化實驗室內(nèi)氣體，將極大降低檢測效率，甚至威脅試驗人員的健康和生命安全[7]。通過動力電池熱擴散實驗室仿真研究，可以更好地評估電池在不同條件下的熱擴散行為，提前識別潛在風險，減少實際試驗次數(shù)，優(yōu)化實驗室設(shè)計，從而提高試驗效率和安全性。因此，本文針對熱擴散實驗室進行建模仿真，并針對氣體擴散效率優(yōu)化開展實驗室改進設(shè)計。

2 動力電池熱擴散實驗室三維建模

2.1 三維模型的建立

本文主要針對動力電池爆炸后釋放的氣體在空間內(nèi)的流動情況進行分析，二維仿真無法反映整個實驗室的氣體流動情況，因此本文采用三維瞬態(tài)分析。

參考熱擴散實驗室實際房間數(shù)據(jù)，通過Inventor進行三維建模和模型簡化。實驗室內(nèi)不同規(guī)格的兩臺針刺擠壓試驗機的精細三維建模對仿真結(jié)果影響不大，因此根據(jù)整體外觀尺寸對其進行簡化。針刺擠壓試驗機及其簡化三維模型如圖1所示。

實驗室整體尺寸為長15 478 mm、寬9 400 mm、高4 529 mm，墻體厚度為200 mm。實驗室內(nèi)布置有長3 100 mm、寬2 900 mm、高1 500 mm的方形水池，壁厚為50 mm，水池內(nèi)冷卻水液面距水池頂部510 mm。實驗室設(shè)有一個長1 000 mm、寬600 mm的進氣窗，一個直徑為600 mm的吸氣口，與上壁面的距離為950 mm。進氣窗的位置如圖2所示，建立的熱擴散實驗室簡化三維模型如圖3所示，并以實驗室地面中心為原點，分別以寬度方向、長度方向和高度方向為x軸、y軸、z軸方向，按照右手定則建立坐標系。

2.2 三維模型的網(wǎng)格劃分

在SpaceClaim軟件中，將熱擴散實驗室三維模型的實體部分去除，僅保留流體部分，并導(dǎo)入Fluent Meshing，采用水密幾何體網(wǎng)格劃分（Watertight Geometry Meshing）流程對流體部分進行網(wǎng)格劃分。

在壁面附近，流體的流動情況變化較為顯著，為保證仿真的可靠性，添加5層邊界層。針對體網(wǎng)格類型劃分，F(xiàn)luent Meshing提供了四面體網(wǎng)格（Tetrahedral）、多面體網(wǎng)格（Polyhedra）、馬賽克網(wǎng)格（Poly-hexcore）、六面體網(wǎng)格（Hexcore）4種方法。多面體網(wǎng)格和馬賽克網(wǎng)格可大幅減少網(wǎng)格數(shù)量、降低仿真計算量，同時顯著提高網(wǎng)格質(zhì)量，故本文選擇多面體網(wǎng)格進行劃分，設(shè)置增長率為1.2、最大單元長度為493.8 mm，并對關(guān)鍵位置進行體網(wǎng)格加密，如圖4所示。

網(wǎng)格劃分完成后需檢查網(wǎng)格正交質(zhì)量。網(wǎng)格正交質(zhì)量的取值范圍為0～1，取值越接近1，表示結(jié)果越理想，最小正交質(zhì)量應(yīng)盡可能大于0.1。本文模型共生成體網(wǎng)格84 094個，網(wǎng)格最小正交質(zhì)量為0.45，質(zhì)量良好。

3 動力電池熱擴散實驗室氣體擴散分析

3.1 求解方程

對各類流體運動過程的計算需要求解連續(xù)性方程和動量守恒方程，對于含有熱傳導(dǎo)或可壓縮流動的情況，需要求解能量守恒的附加方程，對于含有組分混合和反應(yīng)的流動，需要求解組分守恒方程，當流動為湍流時，還需要求解附加的輸運方程。

利用微體積法求解連續(xù)性方程（質(zhì)量守恒方程）：

[?ρ?t+??ρV=0] （1）

式中：V為速度，t為時間，ρ為流體密度，?ρ/?t為空間某一點處質(zhì)量的增加量，?·（ρV）為流出該點的質(zhì)量。

微分形式的x、y、z向動量方程分別為：

[?u?t+u?u?x+v?u?y+w?u?z=fx-1ρ?p?x] （2）

[?v?t+u?v?x+v?v?y+w?v?z=fy-1ρ?p?y] （3）

[?w?t+u?w?x+v?w?y+w?w?z=fz-1ρ?p?z] （4）

式中：p為單位面積上的壓力，u、v、w分別為速度的x、y、z向分量，fx、fy、fz分別為單位質(zhì)量力的x、y、z向分量。

能量方程為：

[" ??te+V22+V??Ve+V22" " " " " " " " " " " " " " ]

[=f?V+1ρ?V?P?V+qR+1ρ?V?λ?T] （5）

式中：λ為熱傳導(dǎo)系數(shù)，e為單位質(zhì)量熱力學(xué)能，f為單位質(zhì)量力，P為應(yīng)力張量，qR為單位質(zhì)量流體所受到的熱輻射，T為流體的溫度。

物質(zhì)輸運方程為：

[??tρYi+??ρVYi=-?Ji+Ri+Si] （6）

式中：Yi為第i種物質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)，通過第i種物質(zhì)的對流擴散方程預(yù)估求得；Ri為第i種物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)凈產(chǎn)生速率；Si為離散相及用戶定義的源項導(dǎo)致的第i種物質(zhì)的額外產(chǎn)生速率；Ji為第i種物質(zhì)的擴散通量，由濃度梯度產(chǎn)生。

3.2 求解器設(shè)置

Fluent提供了基于壓力的求解器（壓力基求解器）和基于密度的求解器（密度基求解器）。壓力基求解器是為解決低速和不可壓縮流體流動的求解問題而設(shè)計的，密度基求解器則主要針對高速流動及可壓縮流動。隨著算法的迭代和發(fā)展，這兩種方法可用于求解更多的流體流動問題。

本文實驗室內(nèi)污染氣體的擴散符合低速流動情況，且馬赫數(shù)遠小于0.3（速度遠小于102.1 m/s），可視為不可壓縮氣體，因此本文采用壓力基求解器。同時，由于需要獲取不同時刻污染氣體濃度的空間分布情況，本文采用瞬態(tài)仿真方法，并在z向設(shè)定了-9.81 m/s2的重力加速度。

3.3 湍流模型和壁面函數(shù)選擇

常用的湍流模型包括標準k-ε模型、重正化群（Renormalization Group，RNG）k-ε模型和帶旋流修正的可實現(xiàn)（Realizable）k-ε模型。除常量外，Realizable k-ε模型的湍流動能方程（k方程）與標準k-ε模型、RNG k-ε模型的k方程相同，擴散方程（ε方程）基本不同，該模型適用于多種流動，如旋轉(zhuǎn)、均勻剪切流、自由流中的噴射和混合流、管道和邊界流以及分離流等。因此，本文采用Realizable k-ε模型，其輸運方程為：

[??tρk+??xiρkuj=??xiμ+μtσk?k?xj+]

[Gk+Gb-ρε-YM+Sk] （7）

[??tρε+??xjρεuj=??xjμ+μtσε?ε?xj+]

[ρC1Sε-ρC2ε2k+νε+C1εεkC3εGb+Sε]" " " " " "（8）

式中：k為湍流動能，ε為湍流耗散率，xi、xj為各坐標分量，uj為平均相對速度分量，μ為液體黏度，μt為液體渦黏系數(shù)，Gk為由層流速度梯度產(chǎn)生的湍流動能，Gb為由浮力產(chǎn)生的湍流動能，YM為在可壓縮湍流中過渡擴散所產(chǎn)生的波動，C1=max[0.43，η/（η+5）]、C2為常量，C1ε=1.44，C3ε=tanh[wu]，σk、σε分別為k方程和ε方程的湍流普朗特數(shù)，Sk、Sε為用戶定義的湍流耗散源項，η=Sk/ε，S為平均應(yīng)變率張量的模量。

與Realizable k-ε模型匹配的壁面函數(shù)有標準壁面函數(shù)、非平衡壁面函數(shù)、增強型壁面函數(shù)等，其特點如表1所示，本文采用標準壁面函數(shù)。

3.4 組分輸運模型

在Fluent中，可以用守恒方程描述每種組分物質(zhì)的對流、擴散和反應(yīng)源來模擬物質(zhì)的混合和傳輸，并可模擬多種物質(zhì)并發(fā)的化學(xué)反應(yīng)。此外，處于不同相態(tài)（如氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)）時的流體或相態(tài)相同但運動狀態(tài)不同的流體共同流動時，可利用多相流模型進行仿真，以清晰獲取流體的相界面分布情況。

動力電池發(fā)生熱擴散并引起爆炸時，將產(chǎn)生CO2、H2、CO和各種碳氫化合物等污染氣體，以及顆粒較小的固體污染物。本文主要針對釋放的氣體成分進行分析，暫時忽略固體污染物的影響。氣體的相態(tài)和運動狀態(tài)相同，可采用組分輸運模型研究不同時刻各種氣體在空間內(nèi)的濃度分布情況。

3.5 混合物組分設(shè)定

在組份輸運模型中，需要確定各組分的成分及相應(yīng)質(zhì)量分數(shù)。電池在不同荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC）下產(chǎn)生的氣體不同，SOC為100%時鋰離子電池釋放的主要氣體體積分數(shù)如表2所示[8]。

除表2中所列主要氣體外，還有對仿真分析影響較小的少量氣體，本文將其用空氣替代，其體積分數(shù)為5.14%。

第i種氣體的質(zhì)量分數(shù)為：

[ωi=MiM] （9）

式中：Mi=Mri·ni為第i種氣體的質(zhì)量，Mri為第i種氣體的相對分子質(zhì)量，ni=Vi/22.4為第i種氣體的物質(zhì)的量，Vi為第i種氣體的體積分數(shù)，M為混合氣體的總質(zhì)量。

本文根據(jù)SOC為100%時鋰離子電池釋放的氣體體積分數(shù)計算各組分的質(zhì)量分數(shù)，可得CO2、H2、CO、CH4、C2H4、C2H6、C3H6、空氣的質(zhì)量分數(shù)分別為51.69%、2.17%、25.11%、4.00%、2.40%、1.36%、7.43%、5.84%。

3.6 邊界條件

試驗過程中，動力電池發(fā)生起火和爆炸后，通過預(yù)先設(shè)定的程序遠程控制起重機將動力電池組轉(zhuǎn)移至水池中進行降溫和滅火。故設(shè)置以下假定條件：水池液面處為動力電池熱擴散釋放氣體的唯一釋放源；壁面為等溫壁面；吸氣口和安全閥進氣口均為恒壓進口。邊界條件的設(shè)置如圖5所示。

3.6.1 速度入口設(shè)定

在可壓縮流動中，常采用質(zhì)量流入口（Mass Flow Inlet）和壓力入口（Pressure Inlet），但本文仿真中氣體可視為不可壓縮氣體，故選用速度入口（Velocity Inlet）有利于提高仿真的準確性。

由于動力電池發(fā)生熱擴散爆炸的瞬間，氣體速度很大，速度峰值受電池的類型和規(guī)格、爆炸環(huán)境等因素影響，無法給出通用的具體數(shù)值，且動力電池釋放氣體的時間也不盡相同，故本文采用速度分段函數(shù)模擬實際爆炸時的氣體釋放情況，如圖6所示。

湍流強度及水力直徑分別設(shè)置為5%和1 m。

3.6.2 壓力入口設(shè)定

實驗室壁面上設(shè)有一個由安全閥組成的進氣通道，當實驗室內(nèi)因吸氣口持續(xù)吸氣形成低壓時開啟通道，引入實驗室外部的氣體。當實驗室內(nèi)氣壓高于標準大氣壓時，需將進氣通道關(guān)閉，防止污染氣體排向室外。

因此，將該進氣通道設(shè)為壓力入口，絕對壓力為101 325 Pa，表壓為0 Pa。湍流強度及水力直徑分別設(shè)置為5%和1 m，流入組分設(shè)置為空氣。

3.6.3 壓力出口設(shè)定

實驗室水池正上方設(shè)有一個通風管道，在鼓風機作用下，通風口處壓強約為100 825 Pa，即表壓為-500 Pa。在壓差的作用下，熱擴散實驗室內(nèi)的污染氣體將流入通風管道，最后在清潔系統(tǒng)中經(jīng)過靜電除塵、吸附等凈化流程后排向外界。

因此，將該通風管道設(shè)為壓力出口（Pressure Outlet），表壓為-500 Pa。湍流強度及水力直徑分別設(shè)置為5%和1 m。由于回流中含有的污染氣體成分較少，假設(shè)回流的成分均為空氣。

3.7 初始化與求解設(shè)置

本文采用標準初始化，將所有空間內(nèi)的初始表壓設(shè)置為0 Pa，初始氣體成分為空氣。

為獲得實驗室內(nèi)不同時刻各氣體組分的空間濃度分布情況，需采用瞬態(tài)仿真。設(shè)置仿真步長為3 s、總步數(shù)為90步、迭代次數(shù)為20次，必要時可在此基礎(chǔ)上繼續(xù)仿真。

3.8 實驗室氣體擴散仿真

3.8.1 監(jiān)測點與監(jiān)測面設(shè)置

為了更好地獲得熱擴散實驗室內(nèi)氣體在不同時刻的濃度數(shù)據(jù)，設(shè)置4個監(jiān)測點和4個關(guān)鍵監(jiān)測平面。監(jiān)測點及其坐標分別為A（3 m，6 m，3 m）、B（-3.5 m，6 m，3 m）、C（-3.5 m，-6 m，3 m）、D（3 m，-6 m，3 m），如圖7所示。

監(jiān)測平面分別為y=0 m平面、x=2.5 m平面、x=-2.2 m平面、z=0.8 m平面，如圖8所示。其中，y=0 m平面、x=2.5 m平面經(jīng)過吸氣通道中心。

3.8.2 監(jiān)測面氣體濃度分析

CO2在各組分氣體中占比最高，本文以CO2為例進行氣體濃度分析，x=2.5 m截面處不同時刻CO2濃度分布云圖如圖9所示。

由圖9可知，在前20 s時間內(nèi)，位于實驗室正中間位置的氣體釋放源大量釋放CO2氣體，氣體迅速上升充滿實驗室，在釋放源處呈現(xiàn)“蘑菇云”狀，氣體濃度近似左右對稱分布。

第30 s時，可以明顯看到釋放源的氣體釋放量大幅度下降，頂部濃度從52%下降到36%，底部濃度最小值為8%。第40 s時，實驗室內(nèi)CO2濃度進一步下降，頂部濃度最大值降低至28%，但x=2.5 m平面右半部分濃度仍大于左半部分。

第60～120 s，濃度進一步降低，最低點已降至0%。同時，x=2.5 m平面右半部分濃度已經(jīng)小于左半部分，左半部分頂部濃度略大于整體濃度，其原因可能是右側(cè)壁面存在壓力進口，實驗室存在外界氣體流入，CO2被右側(cè)來流氣體帶入左側(cè)，最終堆積在上部。

3.8.3 監(jiān)測點氣體濃度

各監(jiān)測點CO2濃度變化情況如圖10所示，監(jiān)測點A和D在前10 s達到濃度小高峰25%，之后監(jiān)測點A、B、C、D均在第60 s左右達到最大值，分別為43%、37%、39%、44%。

各監(jiān)測點處不同氣體濃度最大值如圖11所示，5種氣體的變化趨勢相同，在前60 s時間段濃度上升，第60 s后濃度下降，濃度較高的前5種氣體按濃度峰值由大到小分別為CO2、CO、C3H6、CH4和H2。

4 吸氣口改進設(shè)計與仿真

由仿真結(jié)果可以看出，實驗室吸氣效率并不高，為提高吸氣效率，本文對實驗室結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。

4.1 優(yōu)化方案建模

本文將實驗室單吸氣口結(jié)構(gòu)調(diào)整為雙吸氣口結(jié)構(gòu)，將直徑為600 mm的吸氣管道由1個增加為2個，方形水池、針刺擠壓試驗機、進氣窗的尺寸和空間位置保持不變，實驗室三維模型如圖12所示，雙吸氣管道空間位置如圖13所示。

4.2 網(wǎng)格劃分

將三維模型導(dǎo)入SpaceClaim中進行模型缺陷檢測，完成后刪除固體表面，僅保留流體區(qū)域模型，如圖14所示。

將流體區(qū)域模型導(dǎo)入Fluent Meshing，利用多面體網(wǎng)格進行劃分，最終生成體網(wǎng)格的數(shù)量為44 736個，網(wǎng)格最小正交質(zhì)量為0.45。

4.3 前處理

4.3.1 模型設(shè)置與邊界條件設(shè)定

與單吸氣口模型相同，湍流模型采用Realizable k-ε模型，開啟組分輸運模型，在z軸方向設(shè)置-9.81 m/s2的重力加速度，氣體組分及質(zhì)量分數(shù)不變。

壓力入口、速度入口、壓力出口設(shè)置不變，區(qū)別在于，壓力出口邊界設(shè)置為2個，對應(yīng)雙吸氣管道。雙吸氣口方案模型的邊界條件設(shè)置如圖15所示。

4.3.2 監(jiān)測點與監(jiān)測面設(shè)置

同樣設(shè)置4個監(jiān)測點和4個監(jiān)測平面。監(jiān)測點坐標與單吸氣口相同，監(jiān)測平面分別為y=0.55 m平面、x=2.5 m平面、x=-2.2 m平面、z=0.8 m平面，如圖16所示。y=0.55 m平面經(jīng)過壓力入口側(cè)的吸氣通道，x=2.5 m平面經(jīng)過兩個吸氣管道中心。

4.4 仿真結(jié)果

4.4.1 監(jiān)測面氣體濃度

x=2.5 m截面處不同時刻CO2濃度分布云圖如圖17所示。

由圖17可知，在前20 s內(nèi)氣體大量釋放，氣體運動呈現(xiàn)噴射狀，截面的右半部分濃度積累較左半部分大，兩者相差達到20%。

第30 s時，氣體釋放濃度下降，實驗室內(nèi)氣體整體濃度下降，在頂部兩側(cè)略有積累，濃度最高值達到41%。第40 s時，實驗室內(nèi)CO2濃度進一步下降，除釋放源表面外，x=2.5 m截面處CO2濃度最高，僅為17%。

第50～120 s，實驗室內(nèi)CO2濃度持續(xù)下降，但下降速率降低。在第120 s時大部分位置濃度已到達最低值。

4.4.2 監(jiān)測點氣體濃度

各監(jiān)測點CO2濃度變化情況如圖18所示，在前60 s內(nèi)，4個監(jiān)測點處的CO2濃度快速上升，在監(jiān)測點A取到最高濃度34%，隨后濃度開始迅速下降。第95 s后，CO2濃度降低速率放緩。

各監(jiān)測點處不同氣體濃度最大值如圖19所示，5種氣體濃度變化趨勢大致相同，均在第60 s達到最高值。

4.5 結(jié)果分析

改進方案與原方案氣體濃度變化趨勢相同，均在前30 s內(nèi)產(chǎn)生濃度積累，之后濃度快速下降，最后下降速度放緩，達到理論平衡點。

為分析改進方案對吸氣效率的影響，本文以CO2作為參照氣體，將各監(jiān)測點氣體濃度的最高值與原方案進行比較，如圖20所示。

由圖20可知：改進方案CO2濃度峰值為33%，與原方案相比降低25%；改進方案CO2濃度降低至5%所需時間為288 s，原方案所需時間為370 s，氣體擴散效率提高22.16%。

5 結(jié)束語

本文利用熱擴散實驗室數(shù)據(jù)進行了三維建模和仿真，并針對實驗室氣體擴散效率不高的問題，提出了雙吸氣口方案進行優(yōu)化，仿真驗證結(jié)果表明，與原方案相比，優(yōu)化方案的氣體擴散效率顯著提高。

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（責任編輯 斛 畔）

修改稿收到日期為2024年11月18日。