在本文中，所应用的锂离子电池为240 Ah磷酸铁锂电池。电池尺寸为400.5 mm × 145.8 mm × 36.8 mm，质量是4735 g。磷酸铁锂电池的里面是由两个卷芯构成，工作电压范围为2.5~3.65 V，其能量约为768 Wh (25℃条件下)。为获得实验过程中电池的温度响应，实验中将直径为0.5 mm的K型热电偶置于电池前后表面，电压线连接电池正负极，温度和电压数据通过数据采集系统记录。

开展磷酸铁锂电池绝热加速量热实验主要是获得电池的产热性质， 图1 表示了磷酸铁锂电池的绝热加速量热仪的实验数据，其中自产热温度T₁为115.65℃、热失控开始的温度T₂为261.2℃、热失控最高温度T₃是671.2℃。上面实验得出的特征温度，可以得出产热速率和产热量，在后面搭建仿真模型时会用到。本文的砖砌式新构型模组选用四节电池组成，热蔓延抑制实验的目的是验证新构型模组在密闭箱体中的热抑制能力。在密闭箱体内砖砌式模组热蔓延抑制实验中，采用加热功率为2000 W的加热片侧向加热引发电池发生热失控。在本文中，采用薄片式加热片。并且，不锈钢夹具给电池模组添加的预紧力扭矩是5 N·m，以确保电池模组在实验中的稳定性。参与实验的四节电池均处于100%的荷电状态。

图2(a) 和 图2(b) 分别展示了新构型电池模组的布置示意图和密闭箱体内的热抑制实验的实物图。 图3(a) 中表示密闭箱体内储能电池的前后表面温度和电压，Tn、f表示电池前表面中心点的温度，Tn、b表示电池后表面中心点的温度，Vn表示电池电压。 图3(b) 展示了新构型模组热蔓延抑制实验之后的现象。从图中可得出，在密闭箱体内，电池模组应用新构型模组之后，在第一块电池发生热失控之后，相邻电池都没有发生热失控。可以看到相邻电池2和3的前表面温度最高不超过244℃，后表面温度最高不超过108℃。相邻电池4的前表面温度最高不超过115℃，后表面温度最高不超过90℃，三块相邻电池的膨胀阀没有遭到破坏，并且都没有打开，相邻电池都处于安全范围之内。随后在箱体环境冷却的作用下，相邻电池的前后表面温度缓慢下降到箱体内的温度，相邻电池符合安全标准，新构型电池模组抑制热蔓延效果出色。

在本研究中，使用仿真软件Starccm + 对应用砖砌式新构型电池模组之后，电池发生热失控引发的膨胀阀打开释放高温气体现象的过程开展模拟计算。

通过上面的磷酸铁锂电池绝热加速量热实验与密闭箱体内砖砌式模组热蔓延抑制实验得到搭建模型的关键数据，具体为以下关键温度数据：大容量磷酸铁锂电池的T₁、T₂、T₃ (自产热温度、热失控开始温度、热失控最高温度)与砖砌式新构型电池模组抑制热蔓延过程中全部电池前后表面的温度数据。利用仿真模拟软件Star-ccm + 开展模拟研究，对应用新构型模组后相邻电池之间的接触热阻进行多次合理运算，得出符合条件的数值。仿真模拟中的几何模型主要是由加热片、新构型电池模组构成，模型的能量平衡方程可以利用公式(1)得出，其中，∆E是单元格，Q是产热总量，Φ_ht是传热项。

$\Delta E=Q+{\Phi }_{\text{ht}}$ (1)

利用公式(2)得出第一节电池在热失控阶段内所放出的总能量H_total。在公式里，T₃表示电池热失控达到的最高温度，T₁表示电池自产热的起始温度，M_core为单节电池的质量，C_p为单节电池的比热容。当相邻电池之间利用固体界面进行传热时，可依据公式(3)来表达。在公式里，T代表温度场，即模型中不同位置的温度分布； $\nabla$为梯度算子，用于表达模型坐标上各个方向的偏导数；K为热导率张量，反映了固体在不同方向的导热性质；q表示单位时间内通过单位体积的热量。如果想要通过仿真模拟，得出两个固体界面间的接触热阻，可以依据公式(4)计算得到。在公式当中，R为接触热阻，q为单位时间内通过单位体积的热量，ΔT为接触面间的温度差。

$H_{\text{total}}=M_{\text{core}}\cdot C_p\cdot \left(T_3-T_1\right)$(2)

$\nabla \cdot \left(k\nabla T\right)=q$(3)

$R=q\cdot \Delta T$(4)

模型在第一节电池热失控发生的时间、热失控电池大面前后表面温度、相邻电池大面前后表面温度都需要和实验数据有一个好的契合，因此，模型需要多次计算调整。

几何模型如 图4(a) 所示，为了计算结果准确，本研究的仿真模型与实验进行1:1还原。搭建的模型里大约有500多万个网格，模型设置的最大的网格尺寸是20 mm，最小的尺寸是1 mm。如 图4(b) 为网格模型，在电池膨胀阀处和气体域出口边界上进行了网格加密，以确保仿真计算的收敛性能。

在电池热失控过程中，高温气体喷发流动现象可通过纳维–斯托克斯方程进行有效描述，该方程涵盖了质量守恒、能量守恒以及动量守恒三大基本原理。

质量守恒：

$\partial \rho +\nabla \left(\rho u\right)=0$(5)

其中， $\nabla$是梯度算子、ρ是热失控喷发气体的密度、uu是气体速度。

能量守恒：

$\rho C\left(\partial T/\partial t+u\cdot \nabla T\right)=\nabla \left(k\nabla T\right)$(6)

其中，ρ是热失控喷发气体密度、T是温度、C是比热容、u是速度、k是导热率。

动量守恒：

$\rho \left(\partial t/\partial u+u\cdot \nabla u\right)=-\nabla P+\mu \nabla 2u+\rho g$(7)

其中，ρ是热失控喷发气体密度、P是气体压力、u是速度、μ是动力粘度、t是时间、g是重力加速度。

$T_{\text{vent}}=\{\begin{array}{cc}{T}_{TR}& \left(t_{TR}<t<t_{TR}+t_s\right)\\ \text{environment}& \left(\text{else}\right)\end{array}$(8)

$q_{\text{vent}}=\{\begin{array}{cc}{q}_{TR}& \left(t_{TR}<t<t_{TR}+t_s\right)\\ 0& \left(\text{else}\right)\end{array}$(9)

本研究通过数值模拟对电池系统中单节电池发生热失控时的高温气体喷发过程进行了详细分析。在模拟场景中，热失控电池的喷发气体流量平均为1.3 g/s，喷发持续时间为100 s。为了更准确地反映实际情况，密闭箱体内的气体域的初始温度被设定为26℃，而电池喷发的气体温度则高达500℃，深入探究高温气体在电池系统内的传播特性及其对系统整体热安全的影响。

如 图5 所示，展示了密闭箱体内新构型电池模组热蔓延抑制仿真与实验数据对比，模型比较合理地还原实验过程，误差控制在15%以内。仿真结果表明，在热失控发生后，高温气体在箱体内的扩散过程呈现出比较明显的时空演变特征。在第626 s左右时，高温气体已扩散并覆盖了箱体内约一半的区域；到第651 s左右时，高温气体进一步扩散，几乎完全覆盖了整个箱体内的空气域，导致箱体内的温度急剧上升，最高温度超过100℃。这一过程中，高温烟气对相邻电池造成持续的对流换热作用，增加相邻电池发生热失控的风险。然而，尽管高温气体扩散比较快，但相邻电池的膨胀阀并未打开，且未发生热失控现象。整个密闭箱体内的气体域温度仍在上升，反映出热失控对系统整体热环境的深远影响。

如 图6 所示，表示密闭箱体内砖砌式新构型模组中单个磷酸铁锂电池出现热失控后高温气体的喷发与演化过程。高温气体主要汇集在电池膨胀阀附近，并在箱体内逐渐扩散。这一现象表明，高温气体对电池模组的热安全构成了显著威胁，因此，密闭箱体内电池模组的热安全能力需要达到很高的标准，需要充分考虑高温气体对电池模组的影响。在模拟过程中，第一节电池在加热片开启后约600 s时发生热失控。相邻电池的膨胀阀并未打开，且未出现热失控现象。新构型模组在一定程度上能够有效抑制热失控的传播。综上，在密闭箱体内部发生电池模组热失控时，深入探究高温气体在箱体里的流动特性及其对相邻电池的影响，对优化储能系统的热安全保护设计具有至关重要的意义。这不仅有助于提高电池系统的安全性，还能为未来电池模组的结构设计提供科学依据。这一结果验证了模型的可靠性和适用性，为其在其他类似场景中的推广提供了有力支持。