【導讀】當電池超出其正常工作範圍、受(shou)損(sun)或(huo)發(fa)生(sheng)短(duan)路(lu)時(shi)，就(jiu)會(hui)像(xiang)上(shang)述(shu)極(ji)端(duan)一(yi)樣(yang)經(jing)曆(li)熱(re)失(shi)控(kong)。在(zai)這(zhe)個(ge)過(guo)程(cheng)中(zhong)，一(yi)個(ge)電(dian)池(chi)單(dan)元(yuan)會(hui)不(bu)受(shou)控(kong)製(zhi)地(di)升(sheng)溫(wen)
，並(bing)引(yin)發(fa)鄰(lin)近(jin)電(dian)池(chi)效(xiao)仿(fang)。當(dang)過(guo)多(duo)的(de)熱(re)量(liang)產(chan)生(sheng)卻(que)沒(mei)有(you)足(zu)夠(gou)的(de)散(san)熱(re)來(lai)抵(di)消(xiao)時(shi)，整(zheng)塊(kuai)電(dian)池(chi)就(jiu)會(hui)出(chu)現(xian)熱(re)失(shi)控(kong)。這(zhe)會(hui)迅(xun)速(su)損(sun)壞(huai)整(zheng)個(ge)電(dian)池(chi)組(zu)，使(shi)其(qi)無(wu)法(fa)使(shi)用(yong)。壞(huai)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)
，極(ji)端(duan)高(gao)溫(wen)甚(shen)至(zhi)會(hui)引(yin)發(fa)火(huo)災(zai)，造(zao)成(cheng)極(ji)其(qi)嚴(yan)重(zhong)的(de)後(hou)果(guo)。

設想一個場景：一個電池組連接到充電器上正在充電。第 1 fenzhong，yiqiezhengchang，diannengzhengchangliurudianchizu。turan，yigedianchidanyuanfashengduanlubingxunsushengwen，jineryinfaliansuofanying，dianchizuzhongdeqitadianchifenfenxiaofang。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
、受(shou)損(sun)或(huo)發(fa)生(sheng)短(duan)路(lu)時(shi)，就(jiu)會(hui)像(xiang)上(shang)述(shu)極(ji)端(duan)一(yi)樣(yang)經(jing)曆(li)熱(re)失(shi)控(kong)。在(zai)這(zhe)個(ge)過(guo)程(cheng)中(zhong)，一(yi)個(ge)電(dian)池(chi)單(dan)元(yuan)會(hui)不(bu)受(shou)控(kong)製(zhi)地(di)升(sheng)溫(wen)
，並(bing)引(yin)發(fa)鄰(lin)近(jin)電(dian)池(chi)效(xiao)仿(fang)。當(dang)過(guo)多(duo)的(de)熱(re)量(liang)產(chan)生(sheng)卻(que)沒(mei)有(you)足(zu)夠(gou)的(de)散(san)熱(re)來(lai)抵(di)消(xiao)時(shi)，整(zheng)塊(kuai)電(dian)池(chi)就(jiu)會(hui)出(chu)現(xian)熱(re)失(shi)控(kong)。這(zhe)會(hui)迅(xun)速(su)損(sun)壞(huai)整(zheng)個(ge)電(dian)池(chi)組(zu)，使(shi)其(qi)無(wu)法(fa)使(shi)用(yong)。壞(huai)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)
，極(ji)端(duan)高(gao)溫(wen)甚(shen)至(zhi)會(hui)引(yin)發(fa)火(huo)災(zai)，造(zao)成(cheng)極(ji)其(qi)嚴(yan)重(zhong)的(de)後(hou)果(guo)。

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 個ge串chuan聯lian的de單dan個ge電dian池chi。在zai這zhe個ge示shi例li模mo型xing中zhong，我wo們men添tian加jia了le兩liang個ge塑su料liao支zhi架jia，用yong於yu將jiang電dian池chi保bao持chi在zai各ge自zi的de位wei置zhi以yi及ji固gu定ding電dian池chi與yu電dian池chi之zhi間jian的de距ju離li。在zai電dian池chi圓yuan筒tong中zhong間jian
，模mo型xing還hai包bao括kuo焊han接jie在zai串chuan行xing連lian接jie器qi上shang的de並bing行xing連lian接jie器qi（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。raner
，youyuzhiyouyigedianchijinglilezhezhongwendudejijushangsheng，dianchizudepingjunwendujinyouqingweideshangsheng。womenguanchadaoyigeqianfuqi
，zaiciqijian，linjindedianchibeiwentidianchijiare，zhidaolingyigedianchibeichufashunjianshengwen。

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，suizhedianchizuzhengtireliangdezengjia，dianchixiangjishikongdeshijianjiangebiandegengduan。weilemonidianjiezhideliushiheyoucidaozhidedianchineibudianzuzengjia，zaichufareshijianshi，dianchideneibuoumudianzubeishedingweizengjiayuelianggeshuliangji。

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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