一種汽車電池熱管理與熱失控阻延結構設計與分析*

李浩亮，張袁元，湯亞晶，李 想，范丹丹

（南京工程學院汽車與軌道交通學院，南京 211167）

0 引言

21 世紀以來，全球的環(huán)境與能源問題愈發(fā)嚴重，新能源汽車的占比越來越高。鋰離子電池憑借其充電高效、比能量高、密度小等優(yōu)點[1－3]，成為目前市場使用較多的電池能源之一。相對于傳統(tǒng)燃油汽車而言，新能源汽車發(fā)展時間較為短暫，整體技術尚未成熟，目前仍存在許多安全性問題，單就鋰電池而言，熱濫用、過充電、短路或擠壓都會引起熱失控[4－7]，造成電池的燃燒爆炸，嚴重威脅到人的生命和財產安全，因此，研究電池熱管理與熱失控的問題具有重要意義。

近年來，國內外學者對汽車電池進行了大量的研究，WU等[8]將PCM和熱管結合采用強制空冷對電池進行熱管理；郭君等[9]通過對鋰離子電池的熱失控危險性分析得出結論：不同SOC 的鋰離子電池發(fā)生熱失控時，其表面溫度峰值、溫升速率以及質量損失均隨著SOC的增加而增加；李向梅等[7]通過添加阻燃劑來達到減小熱失控的影響并對電池進行防護。近年來的電池熱管理研究或是著重考慮電池的熱量管理以阻止電池出現熱失控，或是減少熱失控對電池組的影響，對于電池出現熱失控后的緊急處理依然較少，為解決熱失控后熱蔓延導致的汽車電池燃燒爆炸等問題，本研究擬采用氣液兩態(tài)流體通過循環(huán)、釋放來實現電池熱管理以及電池熱失控的緊急阻延，一定程度上降低了汽車電池因熱失控而燃燒爆炸的風險，極大地減少了經濟損失，保障了人們的生命安全。

1 電池熱管理與熱失控阻延系統(tǒng)結構設計

本研究參考了目前汽車電池的排列使用情況，設計出如圖1所示汽車電池熱管理與熱失控阻延系統(tǒng)。循環(huán)冷卻液箱2內儲存有冷卻液，并安裝有用于冷卻循環(huán)冷卻液的制冷元件21，用于對循環(huán)過后的冷卻液進行降溫，電池組箱1內設置有用于儲存電池組的空腔，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S形走向布置在電池組排列空隙內，可以極大減少空間的占用，在經過布置于所述電池組箱1底部的溫度傳感器31時抬升一定高度提前彎折，給溫度傳感器預留下一定的空間，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)流動的冷管泵。

圖1 汽車電池熱管理與熱失控阻延系統(tǒng)立體示意圖

電池熱失控阻延系統(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對電池組進行一定程度的降溫，也可以在電池熱失控時將可燃氣體和氧氣排出箱體，達到阻燃阻爆的效果，噴灑液態(tài)制冷劑主要是對已經熱失控的電池組進行快速降溫，避免其燃燒爆炸?？紤]到惰性氣體密度問題，惰性氣體噴射裝置53 安裝在電池組箱1內部下方，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上方應預留噴射空間，本研究內，單個液態(tài)制冷劑噴灑裝置52 對應設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設置個數由電池數量決定；同時，電池組箱1內側設置有若干個排氣孔，排氣孔的數量應與需排出的惰性氣體量對應。電池組箱1底部安裝有液態(tài)制冷劑廢液儲存箱54，用于儲存噴灑出的制冷液，其與電池組箱1通過液態(tài)制冷劑漏液孔連通，單個液態(tài)制冷劑漏液孔對應設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的電池排列間隙，其設置個數也由電池數量決定，惰性氣體噴射裝置53以及液態(tài)制冷劑噴灑裝置52分別通過氣液連接管路與熱失控阻延介質儲存箱連通，電池熱失控阻延系統(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。

熱失控阻延介質儲存箱內設置有用于儲存液態(tài)制冷劑的空腔，空腔內安裝有用于固定惰性氣體儲存罐51的固定板。

2 電池熱管理與熱失控阻延集成控制系統(tǒng)設計

集成控制系統(tǒng)3 包括泵體控制模塊、溫度實時監(jiān)測反饋模塊、報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連接，開關循環(huán)、控制流速，溫度實時監(jiān)測反饋模塊中單個溫度傳感器31設置于一組布置形式為2×2 的電池組的中心底部，其個數由電池數量決定。部分溫度傳感器內部與冷卻循環(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)管道進出液口等處均設有溫度傳感器，用于監(jiān)測電池組、循環(huán)冷卻液箱等系統(tǒng)各處的溫度，溫度實時監(jiān)測反饋模塊與各溫度傳感器31信號連接，并基于溫度傳感器31監(jiān)測的溫度，將汽車電池熱管理系統(tǒng)各部分溫度在實時顯示屏上反饋，噴射裝置控制模塊與溫度實時監(jiān)測反饋模塊信號連接，溫度實時監(jiān)測反饋模塊精確定位并顯示所述電池組箱1內各組電池的溫度，噴射裝置控制模塊通過所述溫度實時監(jiān)測反饋模塊傳遞的溫度定位信息驅動對應的液態(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，同一個液態(tài)制冷劑噴灑裝置52信號連接的4 個溫度傳感器31 中任意一個反饋的溫度信息到達電池熱失控報警溫度時，液態(tài)制冷劑噴灑裝置11 便會開啟工作，報警模塊能夠基于溫度傳感器31反饋的溫度值與報警值的比較結果來控制報警模塊是否向外發(fā)出報警信號。

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

根據上述設計的溫度實時監(jiān)測反饋模塊以及溫度傳感器的具體分布，本研究使用ANSYS16.0 對電池組進行了進行三維放熱仿真模擬。

以本案的設計為基礎，將18650 單體電池簡化為圓柱體，通過網格生成最終可獲得如圖3 單體電池網格，把16 個18650單體電池設為一組，每組電池按4×4的分布方式進行排列，建立三維自然對流換熱模型，模擬電池工作時的放熱情況。

圖3 單體電池網格

本研究所設計的溫度監(jiān)測模塊，用于實時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別電池發(fā)生熱失控兩部分。正常工作時，電池的發(fā)熱量一般包括反應熱、化學反應熱、歐姆電阻熱、有機電解質和固體電解質界面（SEI）分解熱[11]，其計算公式如下：

式中：Qtotal為電池的總發(fā)熱功率，W；Qr為化學反應產生的功率，W；Qp為電極極化過程中的發(fā)熱功率，W；Qi為歐姆內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溫度不超過50 ℃，本研究重點在驗證一定溫度下溫度傳感器的分布合理性，因此簡化計算，將電池正常發(fā)熱功率設置為1 W。選擇湍流模型進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 ℃，此時對應溫度傳感器溫度為40 ℃，溫差大約為6 ℃，因此，在預設電池過熱溫度時，應充分考慮不同型號電池的正常放熱功率以及傳感器具體設置位置對溫度檢測模塊精確性的影響，確保溫度實時監(jiān)測模塊的準確性。

圖4 電池組自然放熱溫度分布俯視云圖

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

式中：Qs為電池總的產熱量；Qsei為SEI膜分解產熱；Qneg為負極材料與電解液反應產熱；Qpos為正極材料與電解液反應產熱；Qele為電解液高溫條件下分解產熱。

當18650型鋰電池發(fā)生熱失控時，電池溫度會超過70 ℃[9]，為模擬單體電池發(fā)生熱失控時的狀態(tài)，簡化計算，設置單個熱失控電池發(fā)熱功率為4 W，其余條件不變，最終可以得到如圖5所示單體電池熱失控時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 ℃，此時對應溫度傳感器溫度為54 ℃，溫差為17 ℃，可以發(fā)現，當僅有單體電池發(fā)生熱失控時，由于溫度傳感器針對環(huán)境測溫的局限性，電池溫度與溫度傳感器溫度溫差較大，電池溫度將無法被準確測定，因此，本研究對集成控制系統(tǒng)進行了改進優(yōu)化。

圖5 單體電池熱失控時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高時，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，對應溫度傳感器溫度將明顯高于其余溫度傳感器，當某傳感器反饋的溫度超出其余溫度傳感器5 ℃時，集成控制系統(tǒng)啟用特殊工作模式，該模式下預設有較正常工作時更低的電池過熱溫度和電池熱失控報警溫度，用以彌補溫差帶來的監(jiān)測不準確性。特殊工作模式下的集成控制系統(tǒng)會通過比較不同溫度傳感器監(jiān)測的實時電池溫度以及實時溫升變化來定位異常電池組，并在其達到熱失控阻延條件時控制熱失控阻延系統(tǒng)對相應電池組進行局部緊急阻延。

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）在電池組箱內的阻燃效果分析

對于惰性氣體的選擇，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，氣體種類并不單一，本研究以二氧化碳為例。通過苗宇[10]的研究報告可知，使用二氧化碳將氧氣濃度降至12%時可以達到阻燃效果，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散情況著手，通過研究二氧化碳質量分數的變化進而判斷系統(tǒng)阻燃效果。

為方便計算，將電池組箱簡化為二維模型，并根據本研究設計的熱失控阻延系統(tǒng)，使用ANSYS16.0 對惰性氣體進入電池組箱進行仿真模擬分析。

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

考慮到實際設備限制，氣體噴射速度相對緩慢，因此選擇層流模型求解，設置氣體入口速度為0.5 m/s，以二氧化碳為惰性氣體，設定濃度為1并考慮重力影響，進行瞬態(tài)模擬仿真，最終可以得到不同時間點二氧化碳在電池組箱內的擴散情況。圖8所示為熱失控阻延系統(tǒng)啟動20 s后二氧化碳的質量分數分布云圖（氣體入口速度0.5 m/s），可以看出，離噴射裝置越遠，二氧化碳質量分數也相對越低，因此，為合理判斷二氧化碳整體擴散情況，本研究對箱體中央、右側箱體底部以及距噴射裝置最遠的電池間隙3處進行二氧化碳質量分數的變化觀測，判斷其整體擴散情況。

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

圖9 所示為進氣速度為0.5 m/s 時二氧化碳質量分數變化曲線圖，結合數據可以發(fā)現，箱體中央二氧化碳質量分數上升最快，進氣10 s 后質量分數已經達到93%，電池間隙處二氧化碳質量分數上升最慢，70 s 后才達到91%，最終完成惰性氣體的擴散。實際條件下，70 s的擴散時間過于漫長，可能會出現電池燃燒先于擴散完成的危險情況，因此，需對惰性氣體阻延系統(tǒng)進行改進優(yōu)化。

圖9 進氣速度0.5 m/s下二氧化碳質量分數變化曲線

通過張萌啟[13]的研究可知，不同SOC 下的鋰電池完全熱失控的時間各不相同，其中，在電池初始SOC 為80%，充電倍率為1C 時，預警時間最短，僅有15 s，其余熱失控時間集中在30 s 以上；為達到預定惰性氣體擴散效果，需將氣體入口速度提高，為避免過高的流速對電池造成有害影響，同時考慮到實際裝置限制，應盡量降低入口流速；多次仿真實驗之后，確定將氣體入口速度設為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20 s 后二氧化碳的質量分數分布云圖（氣體入口速度2.5 m/s）。

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

通過提高氣體入口速度可以明顯加快二氧化碳的擴散速度，同樣取上述研究的觀測點可得圖11 所示進氣速度為2.5 m/s 時二氧化碳質量分數變化曲線，結合數據可以發(fā)現，在惰性氣體進入箱體20 s 后，箱體中央、右側箱體底部以及距噴射裝置最遠的電池間隙3 處的二氧化碳質量分數分別為99%、91%和89%，惰性氣體基本完成擴散。

圖11 進氣速度2.5 m/s下二氧化碳質量分數變化曲線

5 結束語

通過李頂根等[3]的研究可知，水管數、流量以及填充材料會對電池液冷效果產生一定的影響；張青松等[12]研究發(fā)現，含三乙醇胺細水霧對電池表面溫度冷卻效果最佳。本文著重驗證溫度監(jiān)測系統(tǒng)的合理性以及惰性氣體的阻燃性，在提出一種電池熱管理與熱失控阻延系統(tǒng)的基礎上，分析其結構、組成及控制單元工作的原理，通過鋰離子電池的三維放熱仿真模擬以及惰性氣體擴散的二維仿真模擬，確定了集成控制系統(tǒng)以及熱失控阻延裝置設計的合理性，通過對仿真結果的分析，可以得出以下結論。

（1）由于溫度傳感器僅針對環(huán)境測溫，受電池發(fā)熱不均、熱量散失以及實際測量精度等影響，單一工作模式的溫度監(jiān)測系統(tǒng)在單體電池熱失控時存在較大的電池溫度誤判，嚴重影響系統(tǒng)運行效率，雙模式溫度監(jiān)測系統(tǒng)通過與其他溫度傳感器測量值的對比，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?，考慮到理論分析與實際存在一定誤差，視二氧化碳質量分數達到90%為氣體完成擴散且擁有較好阻燃效果，通過惰性氣體在電池組箱內擴散的仿真結果可知，進氣速度為0.5 m/s 時，二氧化碳進入箱體50 s 后，距離箱體進氣口最遠處的惰性氣體質量分數才可達到91%，完成氣體擴散，擴散時間相對較長，為滿足氣體完成擴散先于電池完全熱失控的條件，應將惰性氣體擴散時間控制在20 s 以內，因此可以通過提高進氣速度或增加進氣口等方法提高惰性氣體擴散速度，本研究選擇前者，綜合考慮，提高氣體的進口速度至2.5 m/s，經過仿真分析可知，此時系統(tǒng)可以滿足快速擴散的要求。