鋰離子電池箱爆炸危險(xiǎn)性仿真及泄爆設(shè)計(jì)

郭志慧,趙林雙

(北京理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院,北京 100081)

目前常見鋰離子電池的正極材料有磷酸鐵鋰(LiFe-PO4)、三元材料(LiNixCoyAl1-x-yO2、LiNi1-x-yCoxMnyO2)、鈷酸鋰(LiCoO2)和錳酸鋰(Li2MnO4)等。LiFePO4材料的性質(zhì)穩(wěn)定,發(fā)生大規(guī)?；馂?zāi)的可能性較小;三元材料的分解溫度低,火災(zāi)危險(xiǎn)性高。使用這兩種正極材料的鋰離子電池在特定條件下[一定荷電狀態(tài)(SOC)和具體電池類型],都可能發(fā)生熱失控并產(chǎn)生大量可燃?xì)怏w。在密閉的空間中,如有點(diǎn)火源或氣體壓力沖破電池箱,都可能發(fā)生爆炸,所產(chǎn)生的高溫會(huì)持續(xù)加熱其他電池及周圍的可燃物,可能引起更大規(guī)模的火災(zāi),因此電池箱內(nèi)氣體爆炸的危險(xiǎn)性亟待研究。

鋰離子電池爆炸危險(xiǎn)性研究主要從電池爆炸壓力和氣體爆炸特性等方面開展。V.Somandepalli等[1]將LiCoO2鋰離子電池?zé)崾Э貧怏w直接排放到20 L球形燃燒室中,測(cè)試爆炸極限。趙春朋等[2]研究正極材料為L(zhǎng)iNi0.5Co0.2Mn0.3O2的18650型鋰離子電池在不同SOC下的燃爆特性,發(fā)現(xiàn)最大壓力與SOC呈正相關(guān),當(dāng)SOC達(dá)到100%時(shí),罐內(nèi)的最大壓力可達(dá)4.069 MPa。

有關(guān)鋰離子電池氣體擴(kuò)散及爆炸危險(xiǎn)性的模擬研究仍較少,大多針對(duì)較大空間規(guī)模,如牛志遠(yuǎn)等[3]利用Flacs軟件,研究由鋰離子電池?zé)崾Э匾l(fā)的單一儲(chǔ)能艙爆炸對(duì)周圍儲(chǔ)能艙的沖擊性,探索加裝隔離措施對(duì)爆炸蔓延的防護(hù)性。吳泳等[4]通過改變通風(fēng)速率、尺寸和位置等,對(duì)儲(chǔ)能電站氣體擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行模擬,為實(shí)際氣體探測(cè)預(yù)警提供依據(jù)。

綜上所述,目前的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)仍在較理想的情況下進(jìn)行?，F(xiàn)有模擬研究均對(duì)可燃物成分進(jìn)行了簡(jiǎn)化,加之電動(dòng)汽車的電池箱相關(guān)防爆設(shè)計(jì)欠缺,因此,本文作者利用流體力學(xué)軟件Fluent和爆炸模擬軟件Flacs,結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)中已有的鋰離子電池?zé)崾Э貧怏w實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),對(duì)電池箱內(nèi)氣體擴(kuò)散及爆炸規(guī)律進(jìn)行模擬,并在此基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)電池箱泄爆方式,以期為電動(dòng)汽車相關(guān)安全技術(shù)措施的制定提供參考。

1 數(shù)值模擬

1.1 數(shù)學(xué)模型

Fluent軟件是常用的流體動(dòng)力學(xué)軟件,在流體流動(dòng)、燃燒和傳熱等方面應(yīng)用廣泛;Flacs軟件是專門的爆炸仿真軟件,在特定的邊界條件、初始條件下,對(duì)數(shù)值模擬計(jì)算區(qū)域中的超壓、溫度等參數(shù)進(jìn)行求解。連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程、組分質(zhì)量守恒方程、湍流動(dòng)能方程和耗散率方程等,可用統(tǒng)一微分方程表示,如式(1)所示:

1.2 模擬假設(shè)

電池箱實(shí)際使用時(shí)會(huì)裝滿電池,剩余空間很小,為了放大爆炸效果并留有更多安全設(shè)計(jì)余量,在不影響結(jié)果準(zhǔn)確性的情況下,假設(shè)電池箱內(nèi)只有1只電池發(fā)生熱失控。

1.3 幾何模型及參數(shù)設(shè)置

1.3.1 擴(kuò)散模型及參數(shù)設(shè)置

按電池箱1∶1建模(圖1),長(zhǎng)、寬、高分別為1 000 mm、800mm、300mm,采用非結(jié)構(gòu)均勻網(wǎng)格,網(wǎng)格總數(shù)47 195。模型為標(biāo)準(zhǔn)湍流流動(dòng)模型、氣體輸運(yùn)模型,其余為默認(rèn)設(shè)定值。

圖1 擴(kuò)散模型Fig.1 Diffusion model

出口速度以及氣體成分:按噴氣平均速度7.0 m/s、最大速度10.5m/s和持續(xù)時(shí)間240 s進(jìn)行用戶自定義函數(shù)輸入,氣體成分及含量按相應(yīng)工況輸入,驗(yàn)證網(wǎng)格無關(guān)性與擴(kuò)散模擬。

1.3.2 爆炸模型及參數(shù)設(shè)置

按電池箱1∶1建模(圖2),長(zhǎng)、寬、高分別為1 000 mm、800mm、300mm,網(wǎng)格控制范圍4 mm×4mm×2 mm。將物體盡量沿網(wǎng)格線布置,以提高精度。

圖2 爆炸模型Fig.2 Explosion model

氣云成分體積:設(shè)置充滿整個(gè)電池箱的均勻預(yù)混氣體,按相應(yīng)工況電池?zé)崾Э馗鳉怏w成分占比輸入。

點(diǎn)火設(shè)置:點(diǎn)火時(shí)間0,并設(shè)置點(diǎn)火位置。

邊界條件:歐拉(ERULER)方法。

輸出控制:模擬時(shí)間至少為0.5 s,聲速尺度(CFLC)、流速尺度(CFLV)分別為5.0、0.5。

泄壓板:重新建模,建立帶有泄壓板的電池箱,泄壓方式為彈出(POPOUT),泄壓板承壓3 000 Pa,泄壓板的質(zhì)量面密度為1 kg/m2,泄壓板邊角尺寸為0.01 m×0.01m。

監(jiān)測(cè)點(diǎn):內(nèi)部中心以及泄爆處外30 cm、70 cm各一個(gè)測(cè)點(diǎn),輸出溫度和壓力值。

1.3.3 爆炸模型的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

爆炸模型與泄爆模型的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證見圖3。

圖3 爆炸模型與泄爆模型的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證Fig.3 Experimental verification of explosion model and explosion venting model

參照文獻(xiàn)[5]中5 L密閉容器簡(jiǎn)化建模,初始條件300 K、105Pa,中心點(diǎn)火,9.2% CH4和1% H2與空氣混合的爆炸壓力最大值7.5×105Pa,與實(shí)驗(yàn)值 7.29×105Pa、理論值 8.72×105Pa較為接近,模擬最大爆炸超壓到達(dá)時(shí)間為0.05 s,與實(shí)驗(yàn)所得0.07 s也較為接近,如圖3所示,可認(rèn)為模型合理。建立文獻(xiàn)[6]中容積64.0m3、開口 2.7 m2的空間,模擬與實(shí)驗(yàn)最大爆炸超壓和到達(dá)爆炸超壓的時(shí)間幾乎一致,泄爆模型合理。

此外,對(duì)爆炸和泄爆模型所用網(wǎng)格進(jìn)行無關(guān)性驗(yàn)證,發(fā)現(xiàn)爆炸模型受網(wǎng)格影響較小,泄爆模型在100×100×50之后繼續(xù)增大網(wǎng)格,計(jì)算時(shí)間明顯增長(zhǎng),而爆炸參數(shù)已趨于穩(wěn)定。

1.4 模擬工況

20 Ah LiFePO4電池(天津產(chǎn))長(zhǎng)、寬、高為70mm×30mm×130 mm,額定電壓3.65 V。3.35 Ah 18650型LiFePO4鋰離子電池、1.1 Ah 18650型LiNi0.8Co0.15Al0.05O2鋰離子電池、2.1 Ah LiCoO2鋰離子電池分別為市售產(chǎn)品[7-8]。通過對(duì)電池箱內(nèi)不同擴(kuò)散時(shí)間、不同點(diǎn)火位置、不同電池類型氣體和不同SOC下的氣體爆炸特性以及不同泄爆方式下的爆炸情況進(jìn)行模擬,得到電池箱內(nèi)氣體爆炸規(guī)律特性及泄爆規(guī)律。模擬工況如表1所示。

表1 模擬工況 Table 1 Simulation working conditions

第4、5、6步模擬時(shí),根據(jù)氣體成分,取爆炸效果最大時(shí)的濃度。

2 結(jié)果與討論

2.1 擴(kuò)散模擬結(jié)果

模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn),電池箱內(nèi)氣體的表面濃度與中心濃度相差不大,可近似取表面濃度。圖4為20 s時(shí)H2濃度(體積分?jǐn)?shù))分布圖。

圖4 20 s時(shí)電池箱內(nèi)H2濃度Fig.4 H2 concentration in the battery box at20 s

電池箱內(nèi)電池?zé)崾Э睾?產(chǎn)生的氣體以一定的噴射速度噴出,先到達(dá)電池箱頂部,沿著箱壁流動(dòng),之后往中部填充。不同時(shí)刻各氣體的大致濃度見表2。

表2 不同擴(kuò)散時(shí)間下氣體的濃度Table 2 Gas concentration under different diffusion time

從圖4和表2可知,10 s時(shí)氣體基本充滿整個(gè)空間,此時(shí)氣體較稀薄;隨著氣體的繼續(xù)釋放,電池箱內(nèi)氣體濃度繼續(xù)上升(20 s時(shí));40 s時(shí)已混合均勻,可燃?xì)庹急容^大,氧氣濃度已較低。由于氣體速度為經(jīng)驗(yàn)取值,此處擴(kuò)散時(shí)間具備一定定性分析價(jià)值,取20 s時(shí)的濃度,爆炸效果明顯且能代表電池箱內(nèi)可燃?xì)鉂舛容^大的特點(diǎn)。

2.2 電池箱內(nèi)氣體爆炸特性分析

對(duì)表1中2、3、4、5和6步進(jìn)行爆炸仿真,結(jié)果見表3。

表3 不同工況氣體爆炸特性Table 3 Gas explosion characteristics under different working conditions

電池箱的空間狹小,壓力上升情況與其他較大密閉和狹長(zhǎng)空間及連通容器等明顯不同,內(nèi)部各點(diǎn)壓力值相同,無壓力梯度。從表3可知,10 s時(shí),可燃物濃度較低、壓力上升速率緩慢、爆炸時(shí)間較長(zhǎng);40 s時(shí),由于可燃物氣體濃度已經(jīng)很大,不會(huì)爆炸;在10～20 s,存在爆炸效果最大的情況。

20 s時(shí),封閉空間中心點(diǎn)火后,爆炸壓力達(dá)到0.58×106Pa,由于仿真環(huán)境為絕熱,壓力達(dá)到最大爆炸壓力之后并未繼續(xù)下降。雖然實(shí)際情況下壓力會(huì)因?yàn)樯岬纫蛩赜兴陆?但此時(shí)壓力早已超過電池箱的承受能力(1.5×105Pa),說明需要安裝泄爆及抗爆裝置。此外,由表3仿真結(jié)果可知,電池箱內(nèi)中心點(diǎn)火會(huì)比一側(cè)點(diǎn)火更快達(dá)到超壓峰值,最大爆炸超壓相差不大,中心點(diǎn)火爆炸強(qiáng)度更大;不同SOC下,LiFePO4鋰離子電池?zé)崾Э貧怏w爆炸超壓峰值整體呈小幅增長(zhǎng),變化不大,但達(dá)到最大爆炸超壓所需時(shí)間隨著SOC的增加逐漸減少,0%SOC的LiFePO4鋰離子電池不會(huì)發(fā)生爆炸,說明隨著SOC的增加,氣體爆炸危險(xiǎn)性提高,對(duì)比氣體成分分析(表4),可能是H2、CO和C2H6等可燃?xì)怏w的體積分?jǐn)?shù)隨著SOC的增加而明顯增大的緣故。另外,不同正極活性材料電池?zé)崾Э貧怏w的爆炸超壓與熱失控危險(xiǎn)性的關(guān)系不大,LiCoO2鋰離子電池氣體爆炸危險(xiǎn)性最高,LiFePO4鋰離子電池氣體爆炸危險(xiǎn)性高于LiNi0.8Co0.15Al0.05O2鋰離子電池。爆炸引起的高溫會(huì)使本身材料穩(wěn)定性較差(熔點(diǎn)較低等)的LiNi0.8Co0.15Al0.05O2鋰離子電池和LiCoO2鋰離子電池發(fā)生二次火災(zāi)爆炸,后果可能比LiFePO4鋰離子電池嚴(yán)重。

表4 不同電池?zé)崾Э貧怏w成分[7-8]Table 4 Thermal runaway gas composition of different batteries

2.3 電池箱泄爆設(shè)計(jì)仿真

為避免爆炸造成人員傷害,控制爆炸的程度,電池箱防爆泄壓閥建議安裝于外殼強(qiáng)度最薄弱處,且泄放的氣體不能進(jìn)入乘客艙,設(shè)置泄壓板的開啟壓力為3 000 Pa。電池箱泄壓板的不同布置方式和瞬間火焰圖如圖5所示。

圖5 不同泄壓布置方式泄壓瞬間火焰圖Fig.5 Flame diagrams of different pressure relief arrangements at the moment of pressure relief

實(shí)驗(yàn)時(shí),短側(cè)單口、短側(cè)雙口和長(zhǎng)側(cè)單口的泄壓口面積都是0.04 m2(0.2 m×0.2 m),短側(cè)大單口泄壓口面積是0.12m2(0.6m×0.2 m)。

以長(zhǎng)側(cè)單口泄壓為例,說明爆炸和火焰發(fā)展過程特點(diǎn)。如圖5所示:從中心點(diǎn)火發(fā)生爆炸,火焰先到達(dá)短邊,后到達(dá)長(zhǎng)邊,泄壓初始火焰為火球狀;隨著外部空氣進(jìn)入,內(nèi)部反應(yīng)會(huì)加劇,外部射流會(huì)進(jìn)一步加長(zhǎng),直至內(nèi)外部達(dá)到平衡后,內(nèi)部反應(yīng)衰減直至反應(yīng)結(jié)束。泄爆后的相關(guān)參數(shù)見表5。不同泄壓方式內(nèi)外部最高壓力和最高溫度曲線見圖6。

由于壓力和溫度本身特性,內(nèi)外部壓力的變化比溫度變化更迅速。電池箱尺寸較小,預(yù)混氣體爆炸傳播距離有限,內(nèi)部壓力上升速度較快,泄壓板在達(dá)到相應(yīng)屈服壓力時(shí)會(huì)立即泄壓。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),泄壓板的屈服壓力對(duì)電池箱內(nèi)部爆炸強(qiáng)度影響很小,而泄壓板的位置和面積對(duì)泄壓程度影響較大。

從表5、圖6可知,短側(cè)單口和短側(cè)大單口幾乎同時(shí)泄壓,短側(cè)雙口的泄壓開始時(shí)間較晚,長(zhǎng)側(cè)單口泄壓時(shí)間最早。短側(cè)單口泄壓和短側(cè)大單口泄壓時(shí),內(nèi)部壓力仍然很高,原因是非平衡泄爆泄出的物質(zhì)較少,大部分燃燒爆炸仍在電池箱中進(jìn)行,Flacs軟件不能模擬破壞情況,但足以說明這兩種泄放效果不好。當(dāng)增加短側(cè)的泄爆面積時(shí),內(nèi)部壓力降低明顯,外部壓力也很低,說明該方式經(jīng)過一定調(diào)整是可取的。短側(cè)雙口泄壓較好,內(nèi)外部壓力均較低,在達(dá)到泄壓?jiǎn)?dòng)壓力時(shí)立即泄壓,使超壓開始下降,由于將可燃物質(zhì)從兩邊分散,危險(xiǎn)性大為降低。長(zhǎng)側(cè)單口也為平衡泄爆,由于泄壓后距離外部爆炸較近,內(nèi)部壓力仍有所上升,但外部溫度低于其他3種布置方式?？傮w來看,幾種布置方式都不能很好地抑制高溫,需與其他配套消防設(shè)施及泄爆形式聯(lián)合使用。

圖6 不同泄壓方式內(nèi)外部最高壓力和最高溫度曲線Fig.6 The maximum internal and external pressure and temperature curves of different pressure relief methods

表5 不同泄爆方式模擬關(guān)鍵參數(shù) Table 5 Simulation key parameters of different explosion venting methods

3 結(jié)論

隨著20 Ah LiFePO4電池箱內(nèi)熱失控氣體的不斷釋放,氧氣占比越來越低,最大爆炸危害對(duì)應(yīng)時(shí)刻為10～20 s。

電池箱內(nèi)中心點(diǎn)火比一側(cè)點(diǎn)火的爆炸強(qiáng)度大;SOC越高的LiFePO4鋰離子電池,爆炸強(qiáng)度越大;不同類型電池?zé)崾Э貧怏w的爆炸超壓,與電池本身危險(xiǎn)性關(guān)系不大。

電池箱泄爆設(shè)計(jì)中短側(cè)泄爆時(shí)泄壓面積越大,泄壓效果越好,短側(cè)雙口和長(zhǎng)側(cè)單口的泄壓效果均較好,但不論哪種方式,防止高溫破壞仍是更優(yōu)化的泄爆設(shè)計(jì)考慮的關(guān)鍵。