Numerical Modelling of Gas-Phase Turbulent Combustion Phenomena from Li-Ion Battery Module Undergoing Thermal Runaway

La prévention du risque d’emballement thermique par les batteries Li-ion est un enjeu de sécurité actuel avec l’essor des transports électriques. Le phénomène d’emballement thermique entraîne une libération par la cellule d’une quantité de chaleur significative résultant des réactions chimiques internes. La cellule éjecte alors un mélange turbulent de gaz et de particules toxiques et inflammables au contact de l’air créant ainsi un risque d’incendie majeur. Une analyse en profondeur de ce phénomène notamment des conditions d’allumage du mélange gazeux émis par la cellule est menée. Pour ce projet de recherche, la géométrie étudiée consiste en un module de batterie. Dans ce mémoire, trois modèles de combustion (Eddy Dissipation Concept, Non Premixed Combustion et Partially Premixed Combustion) sont comparés sur le solveur commercial ANSYS Fluent. Une méthodologie de modélisation numérique est développée pour chaque modèle en couplant la phase de venting, la turbulence et les réactions de combustion en phase gazeuse. Différents outils, comme la moyenne de température axiale extérieure, sont employés pour étudier les conditions d’allumage du mélange émis par la cellule. Les modèles Non Premixed Combustion (NPC) et Partially Premixed Combustion (PPC) permettent d’étudier la région d’allumage sans pouvoir prédire un délai d’auto-allumage pour chaque température de mélange. Le modèle Eddy Dissipation Concept (EDC) permet également d’étudier la région d’allumage tout en permettant une estimation du délai d’auto-allumage du mélange. En termes de performance de calculs, les modèles NPC et PPC permettent de réduire les coûts comparés au modèle EDC. Cette comparaison est poursuivie par une analyse de sensibilité réalisée sur le modèle EDC afin d’observer l’effet de quelques paramètres d’influence sur les conditions d’auto-allumage du mélange gazeux. Une pression d’ouverture de l’évent plus élevée (50 PSI) a un faible impact sur les conditions d’auto-allumage, tandis que le nombre de sources de dégazage dans le module a une influence significative sur les conditions d’auto-inflammation du mélange empêchant la stabilisation de la région d’allumage dans le domaine