在当今倡导低碳的社会背景下，在追求碳达峰、碳中和的时代潮流下，新能源在我国乃至全世界范围内快速发展^[1]，受关注度也越来越高。随着新能源理念的传播，电动汽车也得到了迅猛发展^[2-3]，作为电动汽车动力源的锂离子电池也成为了广大学者讨论和研究的热点。与此同时，锂离子电池所带来的安全问题也随之凸显，目前，对于锂离子动力电池热失控防护技术的研究是汽车领域的热点问题^[4-6]，也是能源领域的重点问题。有效且合理的动力电池热失控排气方案不仅可以降低电动汽车失事风险，而且还能维护人类生命安全，提升电动汽车驾驶安全性。

三元锂离子电池具有能量高、大倍率充放电性能好等优势被广泛应用于汽车领域^[7]，但三元锂离子电池更易发生热失控，且热失控时会产生大量可燃性气体^[8]。如果无法快速将气体从电池包内部排出，导致气体在电池包内部的堆积，随着热失控电池温度的升高，随时会发生燃烧、爆炸等安全事故^[9]。现阶段有许多对动力电池热失控及热扩散管理的研究，但针对动力电池排气后气体在电池包内部扩散特性的研究较少。王贺武等^[10]采用高速摄影方法，观测到锂电池初次喷发和二次喷发的形状。郭志慧等^[11]对高镍三元锂离子电池做了加热热失控实验并收集了热失控排出的气体，测得了爆炸极限值和火焰温度等数据，揭示了其火灾爆炸危险程度。Golubkov等^[12]利用ARC和气相色谱仪(GC)测得热失控喷射气体主要由CO、CO₂和H₂组成。美国国家职业安全与健康研究所(NIOSH)的研究人员Yuan等^[13]用ARC对不同电化学成分的锂电池做了热失控实验，并用GC分析了热失控气体成分和浓度。Kim等^[14]研究了发生热失控的18650锂离子电池的排气、内部压力和气相动力学行为，发现气体的传播受SOC(荷电状态)影响很大，同时指出电池热失控过程中喷射主要以第二次喷射为主。Chen等^[15]利用自制半封闭空间装置测试了锂离子电池热失控时气体喷射的冲击压力和伤害特性，揭示了锂电池气体喷射时压力变化特征和温度变化率。目前，广大学者对锂离子电池热失控排气的研究多集中于分析喷射气体的成分、浓度、有害性和喷射造成的应力应变，且大多研究都是圆柱形电池，对方形电池热失控时喷射气体在电池包内部的扩散情况研究较少。在工程实践中，不论是电化学储能还是电动汽车领域，研究喷射的气体在整个电池包内部的扩散情况，掌握气体传播规律，明确气体排出电池包外部所用时间，确定电池包最优排气方案，对于促进锂离子电池的发展和提升现代新能源工程的安全可靠性有重要意义。

本文所涉及的研究采用CONVERGE的CFD代码执行，对100%SOC状态下方形三元锂电池做电池包级别模拟仿真，电芯和电池包均采用1∶1的比例深度还原实际工况，探究喷射气体在整个电池包内部的扩散规律和在电池包排气口处的流速和堆积情况，以及喷射气体在电池包内部的残余量，为锂离子电池使用中分析热失控气体传播规律、明确喷射的总混合气的流动与流出电池包的情况、制定合理的电池包排气方案提供参考。

CONVERGE中流体流动的动力学由描述质量、动量和能量守恒的方程控制，在输入的求解器设置模块可以指定求解的方程，每个守恒方程可以单独求解，也可以与其他方程组合求解，此外，还可以指定模拟中的流体是可压缩还是不可压缩的，本次仿真中选择可压缩的气体。

CONVERGE的CFD代码模拟时主要的控制方程有：

质量守恒方程

其中，ρ是密度；t是时间；u是速度；S是源项。

动量守恒方程

其中，ρ是密度；t是时间；u是速度；P是压力；σ是黏性应力张量；S是源项。

黏性应力张量由式(3)给出

其中，μ是速度；μ'为膨胀黏度(设为零)；δij是克罗内克函数。

状态方程

其中，P是压力；ρ是密度；T是温度；R是理想气体常数；MW是分子量。

能量守恒方程

其中，ρ是密度；Ym是组分m的质量分数；D是质量扩散系数；P是压力；e是比内能；K是热导率；hm是组分比焓；Cp和Cv分别是恒定压力和体积下的比热容；γ是比热比。

组分守恒方程

其中，u是速度；ρ是密度；ρm是组分密度；Ym是组分m的质量分数；D是质量扩散系数；Sm是源项。

除此之外，CONVERGE还包含几种类型的湍流模型，包括雷诺平均N-S方程(RANS)、大涡模拟和分离涡模拟，本次仿真采用RANS湍流模型进行求解。

电池包的物理模型如图1所示，电池包的整体尺寸为950 mm×618 mm×311 mm，电池包内部共有80个电芯，各电芯之间用隔板隔开，隔板尺寸为140 mm×80 mm×3 mm，5个电芯组成一个模组，模组之间也采用相同规格隔板间隔开，本次模拟重在研究热失控喷射气体的扩散规律，所以在模型中未定义隔板的材料属性，同时省略电气设备和总线布置。如图1(b)所示，为了更加清晰地观测到热失控电芯气体喷射时在电池包内部的扩散情况及其对周围电芯的影响，本次仿真将热失控电芯设置在箱体左侧的靠中心位置，且泄压阀设置在热失控电芯的侧面。

模型的网格策略如图2所示，本模型采用的基础网格尺寸为dx、dy、dz：90 mm、78 mm、125 mm，总网格数27604，并在重要流动区域启动网格加密策略，包括局部固定嵌入和自适应网格细化，以此来确保模拟精度。

为研究热失控电芯喷射气体在电池包内部的扩散和在电池包排气口处的变化规律，以及气体在电池包内部的堆积情况，本次仿真选用四种方案来具体观测。如图3所示，方案1中设置1个位于电池包箱体底槽后侧的排气口；方案2也设置一个排气口，位于电池包箱体盖板侧面，与方案1作对比；方案3设置两个排气口，分别位于电池包箱体底槽左后侧和右后侧；方案4同时也设置两个排气口，分别位于电池包箱体盖板的左侧和右侧，与方案3作对比。各方案排气口参数见表1。

本次仿真采用基于雷诺平均N-S方程的RNG k-ε模型来模拟气体流动过程，热失控电芯排气阀设置为入口边界条件，为了最大程度还原锂离子电池热失控过程气体喷射情况，速度采用自定义质量流量速度边界，即喷射过程分为两段，第一段喷射为0.02 s左右的时间间隔，喷射产物主要为电解质受热分解后的气态物^[12]，第二段喷射为14 s左右的时间间隔，喷射物为电芯热失控后内部化学反应产物，主要气体为CO₂、CO。介于目前国内外对方形电池热失控气体喷射规律研究有限，上述入口边界条件处的质量流量借鉴参考文献[14]。温度边界条件为300 K，除此之外，还定义了组分边界条件，在组分边界条件中定义了热失控电芯喷射气体中各组分的质量分数^[14]，见表2。为了清楚地观测到总喷射气体从排气阀喷出后在电池包内部的总体扩散情况，在计算时，对总气体进行标记。将电池包排气口设置为出口边界条件，出口处速度由软件自动拟合，同时，为了最大程度模拟现实工况，在出口处设置回流。仿真中应用的模型见表3。

本次热失控电芯喷气仿真总时间为90 s，包括第一次喷气的10.7～10.72 s时间间隔和第二次喷气的37.7～52.2 s时间间隔，第一次喷射持续时间过短，主要研究第二次喷射阶段，观测标记的总气体的扩散过程，具体过程参见图4和图5。

从图4(a)、4(d)可以看出，在热失控电芯第二次开始喷射后4.3 s时，方案1中热失控电芯喷射出的气体已经从电芯侧面的排气阀处扩散至电池包箱体盖板内部，并沿着盖板向周围散开，方案2中的气体在同一时刻升至盖板处的量要比方案1的少，且扩散至盖板顶部气体的质量分数要比方案1的低。从图4(b)、4(e)可以看出，在第二次开始喷射后22.3 s时，方案1中气体已经扩散至整个电池包，只有电池包内部左上侧部分空间气体的量较少，因为标记气体正在从右后侧排气口往外排，与此同时，方案2中上半部分也被大量气体填充，但是右下侧可以明显看到有部分空间未被扩散气体填充。最后从图4(c)、4(f)可以看出，在仿真结束时，即在第二次气体开始喷射后52.3 s时，方案1中气体聚集在电池包整个下半部分和右上侧，而没有排气孔布置的左上侧气体聚集量较少，但是气体浓度是最高的，方案2中气体多聚集在电池包上半部分，下半部分气体量较少，伴随有明显的气体分层现象，总体来看，方案1中电池包内部气体浓度明显高于方案2中气体浓度。

观测图5(a)、5(d)可以看出，在第二次气体开始喷射后4.3 s时，方案3和方案4中气体都扩散至电池包盖板顶部，并且已经在向周围发散，在22.3 s时，从图5(b)、5(e)可以看出，相较于方案4，方案3中气体在电池包顶部产生严重堆积现象，且顶部气体堆积的浓度要高于方案4，气体在电池包内部扩散的范围，方案3要更广，气体已经完全包围电池包整个下半部分。比较图5(c)、5(f)可以发现，在仿真结束时，方案4中的喷射气体无法扩散至整个电池包，并且标记气体也出现了明显的分层现象，在电池包内部，没有整块气体连续堆积情况，块与块之间有间隙隔开，但是方案3中气体已经完全充满整个电池箱体，且能观察到较大范围的整块气体堆积现象。

结合图4(c)和图5(c)可以发现，在整个仿真结束时刻，方案1和方案3中由电芯热失控喷射的气体都扩散至整个电池包，但是方案1中气体的整体浓度要高于方案3中气体的浓度，从4(a)、4(d)和图5(a)、5(d)可以看出，在气体喷射初始时刻，方案2中气体扩散速度最慢，方案1和方案3扩散速度大致相同，但方案1要稍快于方案3，方案4中标记气体扩散范围最广。

本次仿真中，电池包的排气情况，可以从出口边界观测，图6为四种方案排气口处气体的质量流量。在第一次气体喷射阶段，可以很明显地观察到流量在极短的时间间隔内有大幅度的波动，这是因为计算时在出口边界条件处定义了回流项，虽然第一阶段气体喷射时间很短，但是流速却很大，最大值接近28 g/s，这将导致原来存在于电池包内部的气体被突然喷射的气体挤出电池包，此时电池包内部压力也会发生变化，虽然变化很小，但是由于电池包内部和外界的压差，少量气体又会被压回电池包，随着第一阶段喷射气体的流量逐渐减小，排气口处的气体回流也越来越少，并慢慢趋于平衡，但是随着第二次气体喷射的发生，喷射的气体会在电池包内部扩散开，并会发生堆积现象，此时排气口处的质量流量全为正值，不再有回流发生。

从图6可以观察出，在第一次气体喷射阶段，入口边界设置相同的条件下，方案4在电池包排气口处有最大的气体流出量，方案2有最大的气体回流量，方案4伴随着最快的回流现象消失，即最快达到内外平衡状态。在第二次气体喷射阶段，四种方案在出口处气体流量变化趋势相同，虽然四种方案峰值接近，但是方案2流量峰值要略高于其他方案，结合图4(d)可以发现，方案2中标记气体在电池包内部扩散较慢，所以在二次喷射后，方案2相比于其他方案更容易产生标记气体堆积，结果导致出口处的标记气体质量流量峰值要略高于其他方案，但这只是气体扩散中期产生的现象，在仿真结束时的后期结果并非如此。

本次仿真模型排气口处气体流速由软件自动拟合的出口速度边界得到并记录，如图7所示，在第一次气体喷射阶段，方案2对应着最大的流出排气口的速度3.0 m/s和流入排气口的速度-2.65 m/s，与方案1和方案2相比，剩下的两种方案在排气口处的流速变化幅度较平缓，且在第一次气体喷射结束时，方案4中的流速最先趋于零，方案1中回流波动较明显。在第二次气体喷射阶段，方案2有着最大的峰值速度1.03 m/s，方案3和方案4中排气口流速相差甚微，且变化趋势也极为相似，峰值流速为0.6 m/s，与图6对照分析，不难发现，在第二次喷射阶段，四种方案排气口处标记气体质量流量和流速变化规律相同，再次结合图4(d)中标记气体在电池包内部的扩散情况，很容易得出方案2在出口处有较高的流速是因为气体扩散的慢，导致中期堆积的发生，堆积的量最多，因此与外界有最大的压力差，导致气体在排气口处的流速最大。

从图4和图5可以观测到，在仿真结束时，四种方案中热失控电芯喷射气体在电池包内部均有残留，为了观察气体在排气口的堆积情况，做四种方案90 s时排气口处气体浓度等值面如图8所示，分析图8不难得到，在仿真结束时，方案1的排气口处气体堆积量最多，排气口周围较大范围内都有不少的气体堆积现象，且堆积气体浓度梯度较大，方案4中排气口处气体堆积量最少，排气口周围气体堆积量也很少，同时对应着较缓和的气体浓度分布，但是在距离排气口较远的角落处存在少量高浓度气体堆积现象，方案2和方案3排气口周围气体堆积也很明显，但是相较于方案3，方案2中气体堆积现象更加突出，对比四种方案排气口处标记气体堆积情况，不难看出，方案1和3中标记气体在排气口周围的分布很相似，浓度梯度变化也大致相同，但是方案1中标记气体堆积浓度明显高于方案3。

结合图9可以清晰观察到，在第二次气体喷射阶段，随着时间的推移，四种方案中喷射气体在电池包内部的堆积量呈直线上升趋势，并最终在气体喷射结束时达到峰值，随后逐渐下降。分析图9可以得到，方案1和方案3中喷射气体在电池包内部的堆积量变化趋势大致相同，方案2和方案4中喷射气体在电池包内部的堆积量变化趋势大致相同，且方案1有最大气体残余量峰值，同时在气体喷射结束后，电池包内部气体残余量减少的趋势不大，而最小气体残余量峰值对应着方案4，并且在气体残余量减少阶段表现为最快气体量减少现象。在最后时刻，方案1电池包内部气体残余量最多，有5.04 g，而方案4电池包内部气体残余量为最小值2.49 g。

图10全面比较了四种方案在残余气体量、有效排气率和排气口气体流速三方面的性能，方案4对应着最少的气体残余量和最高的排气效率，方案1在排气口处流速很快，但是不利于电池包内部的热失控气体排出，排气效率低下，方案2和方案3各项性能均为中等水准。

通过对锂离子电池单体热失控喷射气体的仿真，并分析气体喷射过程后和在电池包内部的扩散行为，可以得到以下结论。

（1）锂离子电池单体发生热失控喷射气体时，气体会在电池包内部扩散，喷射的气体从泄压阀出来后会先向上扩散至电池包箱体盖板的顶部，随后在顶部产生堆积现象，再逐渐向四周扩散开来。

（2）锂离子电池包排气口的设置，会影响热失控电芯喷射的气体在整个电池包内部的扩散情况，同时也会影响气体在电池包排气口处的流速，排气口数量会对气体扩散产生直接影响，但也并不是数量越多排气越顺畅，将排气口设置在箱体上方，并同时增加数量会更有利于气体的排出。

（3）单纯依靠在电池包上设置排气口的方式，无法做到将电池包内部热失控气体全部排出，气体在排气口周围和电池包角落处都有堆积现象发生，需要通过别的手段改变电池包内部和外界的压差，才有望将热失控气体大量有效地排出。