动力电池“史上最严”新国标落地要求热失控后不起火、不爆炸
最新发布的GB 38031-2025《电动汽车用动力蓄电池安全要求》新国标对动力电池安全提出了严苛要求。其核心目标首次将 “不起火、不爆炸” 列为强制性要求，终结行业对热失控风险的侥幸心理，推动动力电池安全进入 “零容忍” 时代。对比旧国标仅要求热失控后 5 分钟内发出报警信号，允许起火但需提供逃生时间，新国标规定触发单体热失控后，电池包或系统需在至少 2 小时观察期内无起火、爆炸现象，且所有监测点温度≤60℃，同时热失控后 5 分钟内必须发出报警信号，且烟气不得进入乘员舱。面对这一严峻挑战，仿真技术成为破局的核心解决方案之一。接下来跟我们一起探索仿真如何精确模拟热失控现象。
什么是热失控
电池热失控是一种危险现象，表现为电池单体失控过热。当电池受到一定程度的加热且未得到控制时，会形成一个自我维持的反馈循环，进而触发电池内部的一系列化学反应。
这些反应会释放更多的热量和气体，导致电池内部压力急剧升高。随后，电池会喷出极热（超过 1000 摄氏度！）且可燃的排气。当这些气体被点燃时，火势会蔓延到其他电池单体，可能对电动汽车和财产造成灾难性破坏，当然也会对生命构成高风险。
是时候测试了？—— 加速量热法（ARC）
了解电池在热失控过程中行为的最直观方法是复现热失控的原因并观察电池反应。对于过热情况，研究电池放热特性的常用方法是加速量热法Accelerated rate calorimetry（ARC）测试。这些测试能提供清晰的洞察，但也存在一些问题：主要是测试成本高昂、需要使用专业测试设施，且必须有电池单体的物理原型！当然，这正是仿真技术的用武之地，在设计周期早期就可基于安全考量进行快速设计迭代。
Simcenter STAR-CCM+ 已具备丰富的电池建模和安全分析功能，涵盖从3D 电芯设计到完整电池包建模，以及热失控过程中的热扩散模拟。在 2502 版本中，我们进一步升级了功能，主要是通过均相多相复杂化学Homogeneous Multiphase Complex Chemistry (HMMC)模型对电芯级热失控进行详细建模。
热失控化学反应 —— 细节决定成败
当我们分析电池单体内部时，会发现其中包含多种固体（正极、负极和隔膜）以及液态电解质。热失控反应发生时，这些成分会发生反应并分解，释放出氢气、甲烷等可燃气体，形成多相相互作用的复杂场景。
为了捕捉这种复杂性，我们开发了一个框架，可通过详细的化学反应建模模拟热失控事件的早期阶段。这使设计人员能够明确建模热失控过程中触发的基础反应。我们将反应视为均匀混合物，以便结合我们的混合多相模型实现简单便捷的设置。此外，所有这些功能均构建在我们成熟的复杂化学求解器之上，支持通过导入标准 Chemkin（一种描述化学反应机理的文本格式） 文件轻松定义反应，并考虑相内和相间反应。这一独特的建模功能可帮助深入理解电池在热失控过程中的行为。
图：热失控测试的导入反应示例
例如，我们可以直接为 SEI 膜分解 / 生成、导电盐分解、氟化氢生成和正极分解等反应建立模型（参见上图中热失控测试的导入反应示例）。
开始 “烹饪”—— 加热 - 等待 - 寻找 Heat – Wait - Seek（HWS）
借助这一全新建模工具，我们将其应用于 ARC 测试仿真，观察其表现。ARC 测试中，先逐步加热电池，然后等待观察是否开始放热反应。当这些反应开始后，停止对电池加热，使其继续反应 / 自身产热，直至热失控发生。
Simcenter STAR-CCM+ 内置的物理建模功能有一个显著优势：我们可以充分利用其自动化能力。无需任何脚本编程，仅通过Simulation Operations和Stages功能即可轻松复现加速量热法（ARC）测试流程。而且仿真结果非常出色：
如所见，我们新的均相多相复杂化学（HMMC）模型能够精确捕捉放热反应和热失控的起始点。
通过准确捕捉这一行为，使工程师可以在设计过程中更早地以安全且经济高效的方式实施有效的应对措施或缓解策略，例如使用隔热阻燃材料。例如，此次仿真预测的产热量可直接作为精确计算的热源输入到更大规模的电池包级模型中，或者将预测的排气成分用于进一步的燃烧分析。
