NASA电动飞机X-57的电池系统设计（2）：热仿真与热失控测试

上篇对X-57的基本背景和电池系统总体方案进行了介绍，这里重点介绍下X-57在热失控方面的一些知识。为保证每篇的独立性，先对X-57的电池系统方案简单概括，随后，就热仿真进行介绍，最后是介绍它的热失控测试。

如上，X-57电池系统的构成由2个子PACK系统，平铺在飞机机体地板上，左右对称；每个PACK有8个模组，每个模组有16个brick组成，每个brick由20个电芯并联组成。

即：brick（20P1S）→模组（20P16S）→PACK（2560个电芯）→电池系统（5120颗电芯）。

电芯与电池系统的基本信息如下所示（这里的信息为X-57第2阶段的设计，该电池系统在该阶段之前的电量为47kWh，重约386kg，此处的方案明显进行了优化；X-57在第1阶段的电池系统与2阶段的设计变化很大，没有迭代到2阶段）。

电芯为Samsung SDI 18650-30Q，采用铝材料（型号6061）的蜂窝状结构设计，每个电芯放置在一个窝孔中，电芯的外表面用MIC纸包裹。

热仿真：

X-57电池系统的热仿真还没见到官方（NASA）的版本，这里参考了犹他州立大学的硕士论文的材料，在一些关键信息如电芯等，没有NASA分析的权威，但整体思路和结果价值还是有的。

仿真的顺序：brick建模→半个模组建模→模组建模

Brick的建模重点包括：1-boundary；2-Cylindertop；3-Fins for airflow；4-Holes in block for airflow；5-Screw area incylinder block。

Brick中其他结构件的基本性能信息如下：

电芯底部、侧面与接触面的热性能参数如下

在飞机一个完整的起飞、降落工作任务中，对于全模组（320个电芯）、半模组（160个电芯）进行模拟分析，模组初始温度为10℃，空气温度为40℃时，二者的温度的最大值分别为41.6和42.1，基本相同，表明模组的设计不会因电芯的增加而导致有热集中的现象，均热性设计较好。

建立起brick的热失控仿真，对模组热失控仿真分析表明，被触发的电芯温度最高达582.59℃，周边电芯温度在100℃左右，整个模组并没有发生热失控蔓延。

热失控测试：

NASA在太空用电池系统方面进行了大量的热失控测试，尤其是圆柱电池方面，X-57的电池系统设计（尤其是2017年之前的设计方案）。不过，这个最初的方案在进行热失控测试时，并没有通过，多个电芯被引发，发生的热失控蔓延，如下图所示；所以，在第2个阶段中，整个电池系统被重新进行了设计。

这个方案热失控测试失败的主要原因有两点：其一，黄色的Nomex paper不能很好保护电芯的侧面不被破坏；其二，电芯产生的热不能很好地散出去，该方案汇流排采用的镍，而镍并不是一个导热的好选择。

对于目前的方案，NASA模组的热失控测试，如下图所示，分别触发位于四个角的电芯。热失控触发的方法是利用直流电源对电芯进行高倍率充放，测试的顺序是电芯#1－电芯#4－电芯#3－电芯#2，每个电芯均单独进行监测。

在上述4个位置的热失控触发中，被触发电芯及周边关键位置的最大温度如下表，可以看出，2号电芯触发热失控失败，3号电芯和4号电芯触发热失控后的表现较相近，周边电芯的最大温度在93到113℃，这个结果与上面仿真的结果较吻合；被触发电芯的最大温度为320℃，这个与仿真的结果相差较大。

3号电芯与4号电芯的部分热失控视频如下，分别进行了8倍加速处理。

电芯3#：

电芯#4号：

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