COMSOL 如何通过仿真设计出更安全的电池

设想一个场景：一个电池组连接到充电器上正在充电。第 1 分钟，一切正常，电能正常流入电池组。突然，一个电池单元发生短路并迅速升温，进而引发连锁反应，电池组中的其他电池纷纷效仿。20 分钟后，整个电池组已经完全损坏。为了研究这种存在安全隐患的情况，我们模拟了一个经历这种快速变化过程的电池组。

电池出问题的风险

当电池超出其正常工作范围、受损或发生短路时，就会像上述极端一样经历热失控。在这个过程中，一个电池单元会不受控制地升温，并引发邻近电池效仿。当过多的热量产生却没有足够的散热来抵消时，整块电池就会出现热失控。这会迅速损坏整个电池组，使其无法使用。坏的情况下，极端高温甚至会引发火灾，造成极其严重的后果。

如果电池设计或操作不当，极易发生热失控事件。照片由 Roberto Sorin 拍摄，通过  Unsplash 共享。

要深入探究这类故障在未来电池设计中的发展和演变，电池设计人员可以借助建模与仿真（M&S）来测试他们的设计，从而避免在此过程中损坏任何材料或造成人员伤害。通过仿真，他们能够仔细地查看电池组内部（这在实验室中无法实现），尤其是多物理场仿真模型，能够正确反映电池组在真实工作环境中的运行状况。

在 COMSOL Multiphysics中建立电池组模型

以一个由 20 个圆柱形电池组成的 5s4p 配置的简单电池组为例。在 5s4p 配置中，4 组电池单元并联，每组包含 5 个串联的单个电池。在这个示例模型中，我们添加了两个塑料支架，用于将电池保持在各自的位置以及固定电池与电池之间的距离。在电池圆筒中间，模型还包括焊接在串行连接器上的并行连接器（位于电池圆筒中间），以及包裹整个电池组的一层薄塑料包装。

 
电池组的几何模型。

该模型使用了 COMSOL Multiphysics软件材料库中的以下材料：

丙烯酸塑料（用于塑料支架）
AISI 4340 钢（用于连接器和电池端子）
空气（用于气室内的空气）
接下来，让我们触发电池组的热失控！为了启动热失控蔓延，假设在充电过程的早期一个电池发生短路。

热失控模拟

在模拟中，一旦短路被触发（充电 1 分钟时），电池组内的测量温度会瞬间升高超过 300°C。然而，由于只有一个电池经历了这种温度的急剧上升，电池组的平均温度仅有轻微的上升。我们观察到一个潜伏期，在此期间，邻近的电池被问题电池加热，直到另一个电池被触发瞬间升温。

电池组中的电压和温度。

剩余电池触发热事件的临界温度为 80°C，随着电池组整体热量的增加，电池相继失控的时间间隔变得更短。为了模拟电解质的流失和由此导致的电池内部电阻增加，在触发热事件时，电池的内部欧姆电阻被设定为增加约两个数量级。

电池组内电池温度随时间的变化情况。

在第 10 分钟时，已经达到充电电压限制，充电器关闭。但这时已无法阻止电池的进一步损坏，热失控继续蔓延到电池组的其他部分。短短几分钟后， 20 个电池全部损坏。到 20 分钟时，热失控过程已经结束，但电池组的平均温度仍然在 350°C 以上。如果这是一个真实的电池组，模拟的场景很可能会导致火灾，甚至爆炸。

防患于未然

电池长时间处于高温状态，以不安全的方式运行或者受损，都可能引发热失控事件。当系统的某个部分开始过热时，情况就会迅速恶化。通过模拟这些事件，用户可以在虚拟环境中测试电池设计，并验证如电池热管理系统的有效性，以及在潜在部署位置的系统温度调节能力等。通过多物理场仿真的方法，电池设计人员可以更深入地理解热失控事件，并有效避免这种情况发生。