【導讀】當電池超出其正常工作范圍、受損或發生短路時，就會像上述極端一樣經歷熱失控。在這個過程中，一個電池單元會不受控制地升溫，并引發鄰近電池效仿。當過多的熱量產生卻沒有足夠的散熱來抵消時，整塊電池就會出現熱失控。這會迅速損壞整個電池組，使其無法使用。壞的情況下，極端高溫甚至會引發火災，造成極其嚴重的后果。
設想一個場景：一個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，一個電池單元發生短路并迅速升溫，進而引發連鎖反應，電池組中的其他電池紛紛效仿。20 分鐘后，整個電池組已經完全損壞。為了研究這種存在安全隱患的情況，我們模擬了一個經歷這種快速變化過程的電池組。
電池出問題的風險
當電池超出其正常工作范圍、受損或發生短路時，就會像上述極端一樣經歷熱失控。在這個過程中，一個電池單元會不受控制地升溫，并引發鄰近電池效仿。當過多的熱量產生卻沒有足夠的散熱來抵消時，整塊電池就會出現熱失控。這會迅速損壞整個電池組，使其無法使用。壞的情況下，極端高溫甚至會引發火災，造成極其嚴重的后果。
如果電池設計或操作不當，極易發生熱失控事件。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計中的發展和演變，電池設計人員可以借助建模與仿真（M&S）來測試他們的設計，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，他們能夠仔細地查看電池組內部（這在實驗室中無法實現），尤其是多物理場仿真模型，能夠正確反映電池組在真實工作環境中的運行狀況。
在 COMSOL Multiphysics中建立電池組模型
以一個由 20 個圓柱形電池組成的 5s4p 配置的簡單電池組為例。在 5s4p 配置中，4 組電池單元并聯，每組包含 5 個串聯的單個電池。在這個示例模型中，我們添加了兩個塑料支架，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（用于氣室內的空氣）
接下來，讓我們觸發電池組的熱失控！為了啟動熱失控蔓延，假設在充電過程的早期一個電池發生短路。
熱失控模擬
在模擬中，一旦短路被觸發（充電 1 分鐘時），電池組內的測量溫度會瞬間升高超過 300°C。然而，由于只有一個電池經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。我們觀察到一個潛伏期，在此期間，鄰近的電池被問題電池加熱，直到另一個電池被觸發瞬間升溫。
電池組中的電壓和溫度。
剩余電池觸發熱事件的臨界溫度為 80°C，隨著電池組整體熱量的增加，電池相繼失控的時間間隔變得更短。為了模擬電解質的流失和由此導致的電池內部電阻增加，在觸發熱事件時，電池的內部歐姆電阻被設定為增加約兩個數量級。
電池組內電池溫度隨時間的變化情況。
在第 10 分鐘時，已經達到充電電壓限制，充電器關閉。但這時已無法阻止電池的進一步損壞，熱失控繼續蔓延到電池組的其他部分。短短幾分鐘后， 20 個電池全部損壞。到 20 分鐘時，熱失控過程已經結束，但電池組的平均溫度仍然在 350°C 以上。如果這是一個真實的電池組，模擬的場景很可能會導致火災，甚至爆炸。
防患于未然
電池長時間處于高溫狀態，以不安全的方式運行或者受損，都可能引發熱失控事件。當系統的某個部分開始過熱時，情況就會迅速惡化。通過模擬這些事件，用戶可以在虛擬環境中測試電池設計，并驗證如電池熱管理系統的有效性，以及在潛在部署位置的系統溫度調節能力等。通過多物理場仿真的方法，電池設計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生。
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