李浩亮，張?jiān)?，湯亞晶，?想，范丹丹

（南京工程學(xué)院汽車(chē)與軌道交通學(xué)院，南京 211167）

0 引言

21 世紀(jì)以來(lái)，全球的環(huán)境與能源問(wèn)題愈發(fā)嚴(yán)重，新能源汽車(chē)的占比越來(lái)越高。鋰離子電池憑借其充電高效、比能量高、密度小等優(yōu)點(diǎn)[1－3]，成為目前市場(chǎng)使用較多的電池能源之一。相對(duì)于傳統(tǒng)燃油汽車(chē)而言，新能源汽車(chē)發(fā)展時(shí)間較為短暫，整體技術(shù)尚未成熟，目前仍存在許多安全性問(wèn)題，單就鋰電池而言，熱濫用、過(guò)充電、短路或擠壓都會(huì)引起熱失控[4－7]，造成電池的燃燒爆炸，嚴(yán)重威脅到人的生命和財(cái)產(chǎn)安全，因此，研究電池?zé)峁芾砼c熱失控的問(wèn)題具有重要意義。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)汽車(chē)電池進(jìn)行了大量的研究，WU等[8]將PCM和熱管結(jié)合采用強(qiáng)制空冷對(duì)電池進(jìn)行熱管理；郭君等[9]通過(guò)對(duì)鋰離子電池的熱失控危險(xiǎn)性分析得出結(jié)論：不同SOC 的鋰離子電池發(fā)生熱失控時(shí)，其表面溫度峰值、溫升速率以及質(zhì)量損失均隨著SOC的增加而增加；李向梅等[7]通過(guò)添加阻燃劑來(lái)達(dá)到減小熱失控的影響并對(duì)電池進(jìn)行防護(hù)。近年來(lái)的電池?zé)峁芾硌芯炕蚴侵乜紤]電池的熱量管理以阻止電池出現(xiàn)熱失控，或是減少熱失控對(duì)電池組的影響，對(duì)于電池出現(xiàn)熱失控后的緊急處理依然較少，為解決熱失控后熱蔓延導(dǎo)致的汽車(chē)電池燃燒爆炸等問(wèn)題，本研究擬采用氣液兩態(tài)流體通過(guò)循環(huán)、釋放來(lái)實(shí)現(xiàn)電池?zé)峁芾硪约半姵責(zé)崾Э氐木o急阻延，一定程度上降低了汽車(chē)電池因熱失控而燃燒爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，極大地減少了經(jīng)濟(jì)損失，保障了人們的生命安全。

1 電池?zé)峁芾砼c熱失控阻延系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本研究參考了目前汽車(chē)電池的排列使用情況，設(shè)計(jì)出如圖1所示汽車(chē)電池?zé)峁芾砼c熱失控阻延系統(tǒng)。循環(huán)冷卻液箱2內(nèi)儲(chǔ)存有冷卻液，并安裝有用于冷卻循環(huán)冷卻液的制冷元件21，用于對(duì)循環(huán)過(guò)后的冷卻液進(jìn)行降溫，電池組箱1內(nèi)設(shè)置有用于儲(chǔ)存電池組的空腔，電池循環(huán)冷卻系統(tǒng)4包括冷卻循環(huán)管道，冷卻循環(huán)管道以類(lèi)S形走向布置在電池組排列空隙內(nèi)，可以極大減少空間的占用，在經(jīng)過(guò)布置于所述電池組箱1底部的溫度傳感器31時(shí)抬升一定高度提前彎折，給溫度傳感器預(yù)留下一定的空間，其兩端與循環(huán)冷卻液箱2連通，電池循環(huán)冷卻系統(tǒng)上安裝有用于使冷卻液循環(huán)流動(dòng)的冷管泵。

圖1 汽車(chē)電池?zé)峁芾砼c熱失控阻延系統(tǒng)立體示意圖

電池?zé)崾Э刈柩酉到y(tǒng)5 包括惰性氣體噴射裝置53 和液態(tài)制冷劑噴灑裝置52，噴射惰性氣體不僅能夠?qū)﹄姵亟M進(jìn)行一定程度的降溫，也可以在電池?zé)崾Э貢r(shí)將可燃?xì)怏w和氧氣排出箱體，達(dá)到阻燃阻爆的效果，噴灑液態(tài)制冷劑主要是對(duì)已經(jīng)熱失控的電池組進(jìn)行快速降溫，避免其燃燒爆炸?？紤]到惰性氣體密度問(wèn)題，惰性氣體噴射裝置53 安裝在電池組箱1內(nèi)部下方，液態(tài)制冷劑噴灑裝置52 安裝在電池組箱1 頂部，電池組箱2上方應(yīng)預(yù)留噴射空間，本研究?jī)?nèi)，單個(gè)液態(tài)制冷劑噴灑裝置52 對(duì)應(yīng)設(shè)置于一組布置形式為4×4 的電池組的中心上部，液態(tài)制冷劑噴灑裝置52設(shè)置個(gè)數(shù)由電池?cái)?shù)量決定；同時(shí)，電池組箱1內(nèi)側(cè)設(shè)置有若干個(gè)排氣孔，排氣孔的數(shù)量應(yīng)與需排出的惰性氣體量對(duì)應(yīng)。電池組箱1底部安裝有液態(tài)制冷劑廢液儲(chǔ)存箱54，用于儲(chǔ)存噴灑出的制冷液，其與電池組箱1通過(guò)液態(tài)制冷劑漏液孔連通，單個(gè)液態(tài)制冷劑漏液孔對(duì)應(yīng)設(shè)置于一組布置形式為4×4 的電池組的中心底部以及其左右兩側(cè)的電池排列間隙，其設(shè)置個(gè)數(shù)也由電池?cái)?shù)量決定，惰性氣體噴射裝置53以及液態(tài)制冷劑噴灑裝置52分別通過(guò)氣液連接管路與熱失控阻延介質(zhì)儲(chǔ)存箱連通，電池?zé)崾Э刈柩酉到y(tǒng)上安裝有用于使液態(tài)制冷劑及惰性氣體執(zhí)行噴射的冷液泵和氣體泵。

熱失控阻延介質(zhì)儲(chǔ)存箱內(nèi)設(shè)置有用于儲(chǔ)存液態(tài)制冷劑的空腔，空腔內(nèi)安裝有用于固定惰性氣體儲(chǔ)存罐51的固定板。

2 電池?zé)峁芾砼c熱失控阻延集成控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

集成控制系統(tǒng)3 包括泵體控制模塊、溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反饋模塊、報(bào)警模塊以及噴射裝置控制模塊，泵體控制模塊與冷管泵、冷液泵以及氣體泵信號(hào)連接，開(kāi)關(guān)循環(huán)、控制流速，溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反饋模塊中單個(gè)溫度傳感器31設(shè)置于一組布置形式為2×2 的電池組的中心底部，其個(gè)數(shù)由電池?cái)?shù)量決定。部分溫度傳感器內(nèi)部與冷卻循環(huán)管道以及和液態(tài)制冷劑漏液孔的布置如圖2所示，循環(huán)冷卻液箱2、冷卻循環(huán)管道進(jìn)出液口等處均設(shè)有溫度傳感器，用于監(jiān)測(cè)電池組、循環(huán)冷卻液箱等系統(tǒng)各處的溫度，溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反饋模塊與各溫度傳感器31信號(hào)連接，并基于溫度傳感器31監(jiān)測(cè)的溫度，將汽車(chē)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)各部分溫度在實(shí)時(shí)顯示屏上反饋，噴射裝置控制模塊與溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反饋模塊信號(hào)連接，溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反饋模塊精確定位并顯示所述電池組箱1內(nèi)各組電池的溫度，噴射裝置控制模塊通過(guò)所述溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反饋模塊傳遞的溫度定位信息驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)的液態(tài)制冷劑噴灑裝置52以及惰性氣體噴射裝置53執(zhí)行噴射任務(wù)，同一個(gè)液態(tài)制冷劑噴灑裝置52信號(hào)連接的4 個(gè)溫度傳感器31 中任意一個(gè)反饋的溫度信息到達(dá)電池?zé)崾Э貓?bào)警溫度時(shí)，液態(tài)制冷劑噴灑裝置11 便會(huì)開(kāi)啟工作，報(bào)警模塊能夠基于溫度傳感器31反饋的溫度值與報(bào)警值的比較結(jié)果來(lái)控制報(bào)警模塊是否向外發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

圖2 部分溫度傳感器布置示意圖

3 溫度傳感器布置合理性仿真分析

根據(jù)上述設(shè)計(jì)的溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反饋模塊以及溫度傳感器的具體分布，本研究使用ANSYS16.0 對(duì)電池組進(jìn)行了進(jìn)行三維放熱仿真模擬。

以本案的設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，將18650 單體電池簡(jiǎn)化為圓柱體，通過(guò)網(wǎng)格生成最終可獲得如圖3 單體電池網(wǎng)格，把16 個(gè)18650單體電池設(shè)為一組，每組電池按4×4的分布方式進(jìn)行排列，建立三維自然對(duì)流換熱模型，模擬電池工作時(shí)的放熱情況。

圖3 單體電池網(wǎng)格

本研究所設(shè)計(jì)的溫度監(jiān)測(cè)模塊，用于實(shí)時(shí)反饋電池組溫度及其他部件工作狀態(tài)，為分析電池組箱內(nèi)溫度傳感器分布的可行性，把模擬仿真分成電池組正常工作與個(gè)別電池發(fā)生熱失控兩部分。正常工作時(shí)，電池的發(fā)熱量一般包括反應(yīng)熱、化學(xué)反應(yīng)熱、歐姆電阻熱、有機(jī)電解質(zhì)和固體電解質(zhì)界面（SEI）分解熱[11]，其計(jì)算公式如下：

式中：Qtotal為電池的總發(fā)熱功率，W；Qr為化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的功率，W；Qp為電極極化過(guò)程中的發(fā)熱功率，W；Qi為歐姆內(nèi)阻在電池工作中的發(fā)熱功率，W。

18650 型鋰電池的正常工作時(shí)溫度不超過(guò)50 ℃，本研究重點(diǎn)在驗(yàn)證一定溫度下溫度傳感器的分布合理性，因此簡(jiǎn)化計(jì)算，將電池正常發(fā)熱功率設(shè)置為1 W。選擇湍流模型進(jìn)行求解最終可以得到如圖4 所示電池組自然放熱溫度分布俯視云圖。其中，電池組最高溫度為46 ℃，此時(shí)對(duì)應(yīng)溫度傳感器溫度為40 ℃，溫差大約為6 ℃，因此，在預(yù)設(shè)電池過(guò)熱溫度時(shí)，應(yīng)充分考慮不同型號(hào)電池的正常放熱功率以及傳感器具體設(shè)置位置對(duì)溫度檢測(cè)模塊精確性的影響，確保溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊的準(zhǔn)確性。

圖4 電池組自然放熱溫度分布俯視云圖

通過(guò)李頂根等[3]的研究可知，當(dāng)電池發(fā)生熱失控時(shí)，其發(fā)熱量又主要包括SEI膜分解放熱、正負(fù)極與電解液反應(yīng)放熱以及電解液分解放熱3部分，其計(jì)算公式如下：

式中：Qs為電池總的產(chǎn)熱量；Qsei為SEI膜分解產(chǎn)熱；Qneg為負(fù)極材料與電解液反應(yīng)產(chǎn)熱；Qpos為正極材料與電解液反應(yīng)產(chǎn)熱；Qele為電解液高溫條件下分解產(chǎn)熱。

當(dāng)18650型鋰電池發(fā)生熱失控時(shí)，電池溫度會(huì)超過(guò)70 ℃[9]，為模擬單體電池發(fā)生熱失控時(shí)的狀態(tài)，簡(jiǎn)化計(jì)算，設(shè)置單個(gè)熱失控電池發(fā)熱功率為4 W，其余條件不變，最終可以得到如圖5所示單體電池?zé)崾Э貢r(shí)電池組溫度分布俯視云圖。其中，熱失控單體電池最高溫度為71 ℃，此時(shí)對(duì)應(yīng)溫度傳感器溫度為54 ℃，溫差為17 ℃，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)僅有單體電池發(fā)生熱失控時(shí)，由于溫度傳感器針對(duì)環(huán)境測(cè)溫的局限性，電池溫度與溫度傳感器溫度溫差較大，電池溫度將無(wú)法被準(zhǔn)確測(cè)定，因此，本研究對(duì)集成控制系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)優(yōu)化。

圖5 單體電池?zé)崾Э貢r(shí)電池組溫度分布俯視云圖

圖6 所示為集成控制系統(tǒng)工作優(yōu)化流程，電池組正常工作或整體溫度過(guò)高時(shí)，溫度傳感器溫度趨于一致，集成控制系統(tǒng)正常工作；特殊情況下單體電池發(fā)生熱失控時(shí)，對(duì)應(yīng)溫度傳感器溫度將明顯高于其余溫度傳感器，當(dāng)某傳感器反饋的溫度超出其余溫度傳感器5 ℃時(shí)，集成控制系統(tǒng)啟用特殊工作模式，該模式下預(yù)設(shè)有較正常工作時(shí)更低的電池過(guò)熱溫度和電池?zé)崾Э貓?bào)警溫度，用以彌補(bǔ)溫差帶來(lái)的監(jiān)測(cè)不準(zhǔn)確性。特殊工作模式下的集成控制系統(tǒng)會(huì)通過(guò)比較不同溫度傳感器監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)電池溫度以及實(shí)時(shí)溫升變化來(lái)定位異常電池組，并在其達(dá)到熱失控阻延條件時(shí)控制熱失控阻延系統(tǒng)對(duì)相應(yīng)電池組進(jìn)行局部緊急阻延。

圖6 集成控制系統(tǒng)工作優(yōu)化流程

4 惰性氣體（二氧化碳）在電池組箱內(nèi)的阻燃效果分析

對(duì)于惰性氣體的選擇，需要考慮系統(tǒng)的特殊性、惰性氣體密度以及降溫效果等因素，氣體種類(lèi)并不單一，本研究以二氧化碳為例。通過(guò)苗宇[10]的研究報(bào)告可知，使用二氧化碳將氧氣濃度降至12%時(shí)可以達(dá)到阻燃效果，將氧氣濃度降至14.6%便可阻爆。因此，研究惰性氣體的阻燃效果，可以從惰性氣體噴入箱體后的擴(kuò)散情況著手，通過(guò)研究二氧化碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化進(jìn)而判斷系統(tǒng)阻燃效果。

為方便計(jì)算，將電池組箱簡(jiǎn)化為二維模型，并根據(jù)本研究設(shè)計(jì)的熱失控阻延系統(tǒng)，使用ANSYS16.0 對(duì)惰性氣體進(jìn)入電池組箱進(jìn)行仿真模擬分析。

圖7所示電池組箱體網(wǎng)格為二維組分運(yùn)輸模型。將電池組1視作整體，忽略電池間的排列空隙，惰性氣體從氣體進(jìn)口2進(jìn)入，排氣孔3則用于排出箱體內(nèi)原本的氣體，作為后續(xù)氣體出口。

考慮到實(shí)際設(shè)備限制，氣體噴射速度相對(duì)緩慢，因此選擇層流模型求解，設(shè)置氣體入口速度為0.5 m/s，以二氧化碳為惰性氣體，設(shè)定濃度為1并考慮重力影響，進(jìn)行瞬態(tài)模擬仿真，最終可以得到不同時(shí)間點(diǎn)二氧化碳在電池組箱內(nèi)的擴(kuò)散情況。圖8所示為熱失控阻延系統(tǒng)啟動(dòng)20 s后二氧化碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布云圖（氣體入口速度0.5 m/s），可以看出，離噴射裝置越遠(yuǎn)，二氧化碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)也相對(duì)越低，因此，為合理判斷二氧化碳整體擴(kuò)散情況，本研究對(duì)箱體中央、右側(cè)箱體底部以及距噴射裝置最遠(yuǎn)的電池間隙3處進(jìn)行二氧化碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化觀測(cè)，判斷其整體擴(kuò)散情況。

圖8 熱失控阻延系統(tǒng)啟動(dòng)20 s 后二氧化碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布云圖（氣體入口速度0.5 m/s）

圖9 所示為進(jìn)氣速度為0.5 m/s 時(shí)二氧化碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化曲線(xiàn)圖，結(jié)合數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，箱體中央二氧化碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升最快，進(jìn)氣10 s 后質(zhì)量分?jǐn)?shù)已經(jīng)達(dá)到93%，電池間隙處二氧化碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升最慢，70 s 后才達(dá)到91%，最終完成惰性氣體的擴(kuò)散。實(shí)際條件下，70 s的擴(kuò)散時(shí)間過(guò)于漫長(zhǎng)，可能會(huì)出現(xiàn)電池燃燒先于擴(kuò)散完成的危險(xiǎn)情況，因此，需對(duì)惰性氣體阻延系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。

圖9 進(jìn)氣速度0.5 m/s下二氧化碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化曲線(xiàn)

通過(guò)張萌啟[13]的研究可知，不同SOC 下的鋰電池完全熱失控的時(shí)間各不相同，其中，在電池初始SOC 為80%，充電倍率為1C 時(shí)，預(yù)警時(shí)間最短，僅有15 s，其余熱失控時(shí)間集中在30 s 以上；為達(dá)到預(yù)定惰性氣體擴(kuò)散效果，需將氣體入口速度提高，為避免過(guò)高的流速對(duì)電池造成有害影響，同時(shí)考慮到實(shí)際裝置限制，應(yīng)盡量降低入口流速；多次仿真實(shí)驗(yàn)之后，確定將氣體入口速度設(shè)為2.5 m/s，其余條件不變，可得如圖10 所示熱失控阻延系統(tǒng)啟動(dòng)20 s 后二氧化碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布云圖（氣體入口速度2.5 m/s）。

圖10 熱失控阻延系統(tǒng)啟動(dòng)20 S 后二氧化碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布云圖(氣體入口速度2.5 m/s)

通過(guò)提高氣體入口速度可以明顯加快二氧化碳的擴(kuò)散速度，同樣取上述研究的觀測(cè)點(diǎn)可得圖11 所示進(jìn)氣速度為2.5 m/s 時(shí)二氧化碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化曲線(xiàn)，結(jié)合數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在惰性氣體進(jìn)入箱體20 s 后，箱體中央、右側(cè)箱體底部以及距噴射裝置最遠(yuǎn)的電池間隙3 處的二氧化碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為99%、91%和89%，惰性氣體基本完成擴(kuò)散。

圖11 進(jìn)氣速度2.5 m/s下二氧化碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化曲線(xiàn)

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)李頂根等[3]的研究可知，水管數(shù)、流量以及填充材料會(huì)對(duì)電池液冷效果產(chǎn)生一定的影響；張青松等[12]研究發(fā)現(xiàn)，含三乙醇胺細(xì)水霧對(duì)電池表面溫度冷卻效果最佳。本文著重驗(yàn)證溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的合理性以及惰性氣體的阻燃性，在提出一種電池?zé)峁芾砼c熱失控阻延系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，分析其結(jié)構(gòu)、組成及控制單元工作的原理，通過(guò)鋰離子電池的三維放熱仿真模擬以及惰性氣體擴(kuò)散的二維仿真模擬，確定了集成控制系統(tǒng)以及熱失控阻延裝置設(shè)計(jì)的合理性，通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果的分析，可以得出以下結(jié)論。

（1）由于溫度傳感器僅針對(duì)環(huán)境測(cè)溫，受電池發(fā)熱不均、熱量散失以及實(shí)際測(cè)量精度等影響，單一工作模式的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在單體電池?zé)崾Э貢r(shí)存在較大的電池溫度誤判，嚴(yán)重影響系統(tǒng)運(yùn)行效率，雙模式溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)與其他溫度傳感器測(cè)量值的對(duì)比，基于電池溫度不一致性的判斷大大降低了溫度誤判的影響。

（2）以二氧化碳為惰性氣體，其一定濃度下?lián)碛凶枞甲璞男Ч紤]到理論分析與實(shí)際存在一定誤差，視二氧化碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到90%為氣體完成擴(kuò)散且擁有較好阻燃效果，通過(guò)惰性氣體在電池組箱內(nèi)擴(kuò)散的仿真結(jié)果可知，進(jìn)氣速度為0.5 m/s 時(shí)，二氧化碳進(jìn)入箱體50 s 后，距離箱體進(jìn)氣口最遠(yuǎn)處的惰性氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)才可達(dá)到91%，完成氣體擴(kuò)散，擴(kuò)散時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，為滿(mǎn)足氣體完成擴(kuò)散先于電池完全熱失控的條件，應(yīng)將惰性氣體擴(kuò)散時(shí)間控制在20 s 以?xún)?nèi)，因此可以通過(guò)提高進(jìn)氣速度或增加進(jìn)氣口等方法提高惰性氣體擴(kuò)散速度，本研究選擇前者，綜合考慮，提高氣體的進(jìn)口速度至2.5 m/s，經(jīng)過(guò)仿真分析可知，此時(shí)系統(tǒng)可以滿(mǎn)足快速擴(kuò)散的要求。