储能安全：电池热失控传播模型将朝着更高精度、更大尺度和多场耦合的方向迈进！

锂离子电池具有能量密度高、循环性能好以及绿色环保等优点，在电动汽车以及储能领域得到了广泛的应用。然而，近年来热失控引发的火灾和爆炸事故激增，成为制约锂离子电池大规模应用的桎梏。因此，锂离子电池的热安全问题成为储能领域的研究热点，其中仿真模拟技术凭借其能够降低经济和时间成本的优势，成为研究电池热失控特征和促进锂离子安全应用的重要手段。

本文总结了锂离子电池热失控传播的模型进展，旨在为行业的安全设计提供一个可参考借鉴的研究工具。

在电池模组中，热失控电池可以通过热传导、热辐射等换热路径与周围正常电池进行传热，进而诱发相邻电池发生热失控，造成热失控传播。如图4所示，目前对于锂离子电池热失控传播行为的建模主要分为两类：基于集总参数的热阻网络模型以及CFD模型。本节将对这两种模型的建模方法以及适用场景进行总结。

热阻网络模型将单体电池视为一个节点，将电池的平均温度作为节点温度，其关注的重点在于电池温度随时间的变化情况，而忽略了电池内部温度梯度。

CHEN等建立了一维热阻网络模型，并添加气体热阻以模拟电池的膨胀和破裂行为。JIANG等针对串联和并联的大型电池组构建了热阻网络模型，并通过电路类比的方式对每个电池的能量平衡和电池间的换热进行求解。JIA等则是针对18650锂离子电池模组构建了热电耦合的热阻网络模型，并研究了环境温度、封装间距和堆叠形式对热失控传播行为的影响。

一般而言，热阻网络模型的构建主要包括以下几个步骤：①确定单体电池的产热模型；②根据电池模组的几何结构以及传热特征，确定电池节点间的网络连接方式；③计算各个节点间的热阻；④将热阻网络转化为常微分方程组进行求解。

在上述步骤中，电池节点间的网络连接方式以及热阻值的确定是热阻网络模型构建的核心问题。而在求解过程中，电池节点间的连接与热阻通常被表示为微分形式的能量平衡方程：

式中，与单体电池相接连的热阻由两部分组成：相邻电池间的热阻，表示为 Rcell；电池与周围环境的热阻，表示为R∞。由于电池与外界连接的复杂性，R∞通常由多个热阻并联组成，包括导热热阻、对流热阻以及辐射热阻。热阻网络模型通常只需要求解多个微分方程，因此计算速度较快，并且无需对电池的几何模型进行构建。由于其计算的高效性，热阻网络模型在预测大规模锂离子电池热失控传播行为上有着巨大的潜力。

对于高容量的大型锂离子电池，由于其表面积/体积较小，内部温度分布不均匀性较高，因此需要通过基于CFD的三维数值热失控模型对电池的热失控传播进行预测。

FENG等针对大型锂离子电池模组建立了三维的热失控传播模型，通过经验公式简化了反应动力学方程。根据计算结果，他们提出了抑制热失控传播的四类方法：提高热失控触发温度、减少热失控电能释放、增强散热以及增大电池间的热阻。QI等建立了电化学模型与热滥用耦合的锂离子电池组热失控模型，并研究了过充条件下的热失控传播行为。

此外，一些研究者将锂离子电池热失控的热-电模型与热管理系统进行耦合，对热失控传播的抑制措施进行探究。KIZILEL等采用数值计算的手段比较了相变材料(Phase changematerial, PCM)热管理系统和传统主动冷却系统对热失控传播的抑制效果，结果表明 PCM-石墨基体依靠对热量的吸收作用可以防止热失控的传播。LI等建立了一个被动热管理系统下的三维多物理场热失控模型，并研究了阻隔材料对热失控缓解的影响。JINDAL等开发了一个由电化学-热滥用-传热组成的多物理场模型，对主动热管理系统下的锂离子电池组热失控行为进行研究。

总体而言，三维的锂离子电池CFD数值模型增加了计算的复杂程度和模拟时间，但提供了锂离子电池内部详细的温度分布情况，适合于大型以及结构复杂的锂离子电池组模拟。然而在当前的锂离子电池组热失控传播模型中，大都未考虑排放气体燃烧对传播行为的影响，因此还需要进一步的完善和研究。

尽管锂离子电池的仿真建模研究经过了近二十年的发展，但仍然面临着许多的不足和挑战。随着锂离子电池应用场景规模的扩大以及仿真精度需求的提高，未来的锂离子电池热动力学模型将向着大尺度空间和多物理场耦合的方向迈进。

参考文献：

[1]王功全,孔得朋,平平,等.锂离子电池热失控模型综述[J].电气工程学报, 2022, 17(4):11.DOI:10.11985/2022.04.008.