【導讀】當電池超出其正常工作範圍
、shousunhuofashengduanlushi，jiuhuixiangshangshujiduanyiyangjinglireshikong。zaizhegeguochengzhong，yigedianchidanyuanhuibushoukongzhidishengwen
，bingyinfalinjindianchixiaofang。dangguoduodereliangchanshengquemeiyouzugoudesanrelaidixiaoshi，zhengkuaidianchijiuhuichuxianreshikong。zhehuixunsusunhuaizhenggedianchizu，shiqiwufashiyong。huaideqingkuangxia
，jiduangaowenshenzhihuiyinfahuozai，zaochengjiqiyanzhongdehouguo。

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(fen)鍾(zhong)，一(yi)切(qie)正(zheng)常(chang)，電(dian)能(neng)正(zheng)常(chang)流(liu)入(ru)電(dian)池(chi)組(zu)。突(tu)然(ran)，一(yi)個(ge)電(dian)池(chi)單(dan)元(yuan)發(fa)生(sheng)短(duan)路(lu)並(bing)迅(xun)速(su)升(sheng)溫(wen)
，進(jin)而(er)引(yin)發(fa)連(lian)鎖(suo)反(fan)應(ying)，電(dian)池(chi)組(zu)中(zhong)的(de)其(qi)他(ta)電(dian)池(chi)紛(fen)紛(fen)效(xiao)仿(fang)。20 分鍾後，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，我們模擬了一個經曆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範圍
、shousunhuofashengduanlushi，jiuhuixiangshangshujiduanyiyangjinglireshikong。zaizhegeguochengzhong
，yigedianchidanyuanhuibushoukongzhidishengwen

，bingyinfalinjindianchixiaofang。dangguoduodereliangchanshengquemeiyouzugoudesanrelaidixiaoshi
，zhengkuaidianchijiuhuichuxianreshikong。zhehuixunsusunhuaizhenggedianchizu
，shiqiwufashiyong。huaideqingkuangxia，jiduangaowenshenzhihuiyinfahuozai

，zaochengjiqiyanzhongdehouguo。

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 組電池單元並聯
，每組包含 5 gechuanliandedangedianchi。zaizhegeshilimoxingzhong
，womentianjialelianggesuliaozhijia，yongyujiangdianchibaochizaigezideweizhiyijigudingdianchiyudianchizhijiandejuli。zaidianchiyuantongzhongjian
，moxinghaibaokuohanjiezaichuanxinglianjieqishangdebingxinglianjieqi（位於電池圓筒中間），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（用於塑料支架）
AISI 4340 鋼（用於連接器和電池端子）
空氣（用於氣室內的空氣）

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 分鍾時），電池組內的測量溫度會瞬間升高超過 300°C。然(ran)而(er)，由(you)於(yu)隻(zhi)有(you)一(yi)個(ge)電(dian)池(chi)經(jing)曆(li)了(le)這(zhe)種(zhong)溫(wen)度(du)的(de)急(ji)劇(ju)上(shang)升(sheng)，電(dian)池(chi)組(zu)的(de)平(ping)均(jun)溫(wen)度(du)僅(jin)有(you)輕(qing)微(wei)的(de)上(shang)升(sheng)。我(wo)們(men)觀(guan)察(cha)到(dao)一(yi)個(ge)潛(qian)伏(fu)期(qi)，在(zai)此(ci)期(qi)間(jian)
，鄰(lin)近(jin)的(de)電(dian)池(chi)被(bei)問(wen)題(ti)電(dian)池(chi)加(jia)熱(re)
，直(zhi)到(dao)另(ling)一(yi)個(ge)電(dian)池(chi)被(bei)觸(chu)發(fa)瞬(shun)間(jian)升(sheng)溫(wen)。

電池組中的電壓和溫度。

剩餘電池觸發熱事件的臨界溫度為 80°C
，隨sui著zhe電dian池chi組zu整zheng體ti熱re量liang的de增zeng加jia，電dian池chi相xiang繼ji失shi控kong的de時shi間jian間jian隔ge變bian得de更geng短duan。為wei了le模mo擬ni電dian解jie質zhi的de流liu失shi和he由you此ci導dao致zhi的de電dian池chi內nei部bu電dian阻zu增zeng加jia，在zai觸chu發fa熱re事shi件jian時shi，電dian池chi的de內nei部bu歐ou姆mu電dian阻zu被bei設she定ding為wei增zeng加jia約yue兩liang個ge數shu量liang級ji。

電池組內電池溫度隨時間的變化情況。

在第 10 分(fen)鍾(zhong)時(shi)
，已(yi)經(jing)達(da)到(dao)充(chong)電(dian)電(dian)壓(ya)限(xian)製(zhi)
，充(chong)電(dian)器(qi)關(guan)閉(bi)。但(dan)這(zhe)時(shi)已(yi)無(wu)法(fa)阻(zu)止(zhi)電(dian)池(chi)的(de)進(jin)一(yi)步(bu)損(sun)壞(huai)，熱(re)失(shi)控(kong)繼(ji)續(xu)蔓(man)延(yan)到(dao)電(dian)池(chi)組(zu)的(de)其(qi)他(ta)部(bu)分(fen)。短(duan)短(duan)幾(ji)分(fen)鍾(zhong)後(hou)， 20 個電池全部損壞。到 20 分鍾時
，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。

防患於未然

電(dian)池(chi)長(chang)時(shi)間(jian)處(chu)於(yu)高(gao)溫(wen)狀(zhuang)態(tai)，以(yi)不(bu)安(an)全(quan)的(de)方(fang)式(shi)運(yun)行(xing)或(huo)者(zhe)受(shou)損(sun)，都(dou)可(ke)能(neng)引(yin)發(fa)熱(re)失(shi)控(kong)事(shi)件(jian)。當(dang)係(xi)統(tong)的(de)某(mou)個(ge)部(bu)分(fen)開(kai)始(shi)過(guo)熱(re)時(shi)，情(qing)況(kuang)就(jiu)會(hui)迅(xun)速(su)惡(e)化(hua)。通(tong)過(guo)模(mo)擬(ni)這(zhe)些(xie)事(shi)件(jian)，用(yong)戶(hu)可(ke)以(yi)在(zai)虛(xu)擬(ni)環(huan)境(jing)中(zhong)測(ce)試(shi)電(dian)池(chi)設(she)計(ji)，並(bing)驗(yan)證(zheng)如(ru)電(dian)池(chi)熱(re)管(guan)理(li)係(xi)統(tong)的(de)有(you)效(xiao)性(xing)，以(yi)及(ji)在(zai)潛(qian)在(zai)部(bu)署(shu)位(wei)置(zhi)的(de)係(xi)統(tong)溫(wen)度(du)調(tiao)節(jie)能(neng)力(li)等(deng)。通(tong)過(guo)多(duo)物(wu)理(li)場(chang)仿(fang)真(zhen)的(de)方(fang)法(fa)，電(dian)池(chi)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)可(ke)以(yi)更(geng)深(shen)入(ru)地(di)理(li)解(jie)熱(re)失(shi)控(kong)事(shi)件(jian)
，並(bing)有(you)效(xiao)避(bi)免(mian)這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)發(fa)生(sheng)。

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