電動(dòng)客車(chē)火災(zāi)撲救中電池組冷卻系統(tǒng)優(yōu)化

摘要：針對(duì)大型電動(dòng)客車(chē)火災(zāi)事故中三元鋰電池組熱失控導(dǎo)致的連鎖反應(yīng)問(wèn)題，以某品牌12m純電動(dòng)客車(chē)為研究對(duì)象，通過(guò)分析其368V/562Ah動(dòng)力電池組的冷卻系統(tǒng)局限性，提出了基于相變材料與微通道液冷相結(jié)合的復(fù)合冷卻系統(tǒng)優(yōu)化方案。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該系統(tǒng)能有效控制高溫環(huán)境下電池組溫度，顯著降低熱擴(kuò)散速率，提升冷卻效率。優(yōu)化后的系統(tǒng)為大型電動(dòng)客車(chē)火災(zāi)撲救提供了可借鑒的技術(shù)方案。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)客車(chē)電池組；相變材料；微通道液冷；溫度場(chǎng)分布；熱失控抑制

中圖分類(lèi)號(hào)：D631.6" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " "文章編號(hào)：2096-1227（2024）11-0013-03

隨著電動(dòng)客車(chē)在公共交通領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，其安全性能越來(lái)越受到關(guān)注。以某品牌12m純電動(dòng)客車(chē)為研究對(duì)象，該車(chē)型配備368V/562Ah三元鋰電池組，采用傳統(tǒng)風(fēng)冷與水冷結(jié)合的冷卻系統(tǒng)。在實(shí)際火災(zāi)撲救中，該系統(tǒng)存在降溫速度慢、冷卻不均勻等問(wèn)題，難以有效防止熱失控蔓延。因此，開(kāi)發(fā)適用于大容量電池組的快速高效冷卻系統(tǒng)成為提升電動(dòng)客車(chē)火災(zāi)撲救能力的關(guān)鍵。

1 電動(dòng)客車(chē)電池組冷卻系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

某品牌12m純電動(dòng)客車(chē)動(dòng)力電池組由368V/562Ah三元鋰電池構(gòu)成，56個(gè)電池模塊串聯(lián)，每模塊32個(gè)電芯并聯(lián)。電池組分置前后兩個(gè)倉(cāng)室，單倉(cāng)尺寸1850mm×960mm×420mm，總質(zhì)量680kg。采用風(fēng)冷與水冷復(fù)合冷卻，模塊間設(shè)6mm冷卻風(fēng)道，底部布置蛇形水冷管路，制冷功率22kW。

2023年3月一起碰撞引發(fā)的起火事故中，電池組溫度4min內(nèi)從38℃升至146℃，引發(fā)熱失控。紅外成像顯示熱量通過(guò)模塊間隙橫向擴(kuò)散，消防車(chē)雖采用大流量水槍降溫，但難以滲透至電池包內(nèi)部。事故處置耗水15t，用時(shí)4.2h才控制火勢(shì)。針對(duì)該案例分析，現(xiàn)有冷卻系統(tǒng)存在三個(gè)問(wèn)題：第一，高溫下風(fēng)冷效率顯著降低，120℃時(shí)傳熱系數(shù)下降78%。第二，水冷系統(tǒng)熱量傳導(dǎo)路徑過(guò)長(zhǎng)，難以快速響應(yīng)局部過(guò)熱。第三，模塊間6mm間隙過(guò)大形成熱擴(kuò)散通道，相鄰模塊溫差達(dá)85℃，加劇熱失控蔓延。亟需開(kāi)發(fā)新型高效冷卻方案，解決熱量快速吸收、傳導(dǎo)路徑優(yōu)化、均勻散熱三個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。

2 冷卻系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)現(xiàn)有冷卻系統(tǒng)存在的熱量吸收慢、傳導(dǎo)路徑長(zhǎng)、散熱不均勻等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于相變材料與微通道液冷相結(jié)合的復(fù)合冷卻系統(tǒng)。該系統(tǒng)充分利用相變材料的高潛熱特性實(shí)現(xiàn)快速吸熱，通過(guò)微通道結(jié)構(gòu)優(yōu)化熱量傳導(dǎo)路徑，并采用智能控制策略確保冷卻均勻性。

2.1" 相變材料選型與布置方案

根據(jù)電池組熱失控時(shí)的溫度特性，相變材料的選擇需同時(shí)滿(mǎn)足相變溫度、潛熱值、熱導(dǎo)率、化學(xué)穩(wěn)定性等要求。通過(guò)材料性能對(duì)比，選定n-十八烷作為基礎(chǔ)相變材料，其熔點(diǎn)48℃，潛熱值241kJ/kg，導(dǎo)熱系數(shù)0.35W/（m·K），體積膨脹率3.5%。為提高導(dǎo)熱性能，采用濕法混合工藝將質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的碳納米管均勻分散在n-十八烷中。碳納米管直徑20～30nm，長(zhǎng)徑比＞1000，純度99.9%，經(jīng)表面改性處理確保分散穩(wěn)定性。復(fù)合后材料導(dǎo)熱系數(shù)提升至1.2W/（m·K）。相變材料采用模塊化封裝結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)蜂窩狀鋁制基體作為載體。基體采用5052鋁合金制作，通過(guò)定向凝固工藝成型，孔徑4mm，壁厚0.2mm，高度8mm，孔隙率85%。單個(gè)PCM模塊外形尺寸150mm×100mm×8mm，內(nèi)部設(shè)置12×8個(gè)規(guī)則蜂窩孔[1]。蜂窩孔側(cè)壁經(jīng)過(guò)等離子處理，表面粗糙度Ra0.4μm，提高了與相變材料的接觸性能。

為防止高溫下相變材料泄漏，PCM模塊采用雙層密封結(jié)構(gòu)。內(nèi)層為0.5mm厚改性鋁箔膜，經(jīng)過(guò)深拉伸工藝成型，與蜂窩基體過(guò)盈配合。外層選用1mm厚的防火防爆復(fù)合材料，由60%硅橡膠、30%氧化鋁和10%阻燃劑組成。兩層之間填充高溫導(dǎo)熱硅膠，厚度0.3mm，導(dǎo)熱系數(shù)3.0W/（m·K）。PCM模塊在電池組布置方案中，每個(gè)電池模塊兩側(cè)各布置4個(gè)PCM模塊，通過(guò)定制的鋁制卡槽固定?？ú鄄捎?063鋁合金擠壓成型，表面噴涂高溫絕緣漆，厚度0.8mm?？ú叟cPCM模塊之間采用導(dǎo)熱系數(shù)4.5W/（m·K）的相變導(dǎo)熱凝膠，涂覆厚度0.2mm，確保良好的熱傳導(dǎo)性能。相鄰PCM模塊間隔1mm，內(nèi)置K型熱電偶用于溫度監(jiān)測(cè)。

2.2" 微通道液冷系統(tǒng)構(gòu)建

微通道液冷系統(tǒng)的核心是集成在電池模塊底部的冷卻板。冷卻板采用6061鋁合金制造，尺寸320mm×240mm×12mm，由上下兩層板材真空擴(kuò)散焊接而成。微通道結(jié)構(gòu)在上層板材表面通過(guò)高精度數(shù)控銑削加工形成，采用“工”字型布局，提高流道覆蓋面積。主流道橫向布置，寬度2mm，深度1.5mm；支流道縱向分布，寬度0.8mm，深度1mm，間距4mm。流道表面經(jīng)過(guò)陽(yáng)極氧化處理，形成20μm氧化膜，提高耐腐蝕性。為優(yōu)化流體分配，進(jìn)出口歧管采用漸變截面設(shè)計(jì)。進(jìn)口歧管內(nèi)徑從6mm逐漸減小至2mm，出口歧管反向漸變，通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)分析確定最優(yōu)漸變角度為4°。主流道與支流道交接處設(shè)計(jì)半徑為0.3mm的圓滑過(guò)渡，降低局部阻力損失[2]。在2L/min設(shè)計(jì)流量下，整體壓降控制在12kPa以?xún)?nèi)。

冷卻液選用乙二醇水溶液，質(zhì)量濃度45%，在-30℃～120℃范圍內(nèi)保持良好流動(dòng)性[3]。添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%的納米氧化鋁懸浮液提升傳熱性能，0.2%的緩蝕劑防止管路腐蝕。冷卻液輸送系統(tǒng)包括直流變頻水泵、儲(chǔ)液罐、熱交換器等部件。水泵揚(yáng)程15m，最大流量8L/min，功率400W。儲(chǔ)液罐容積5L，內(nèi)置波紋管補(bǔ)償液體熱膨脹。每個(gè)電池倉(cāng)室配置一套獨(dú)立的微通道冷卻系統(tǒng)，通過(guò)DN15快速接頭連接。接頭采用316L不銹鋼材質(zhì)，密封圈選用耐溫150℃的氟橡膠，彈簧片鍍鉻處理，保證反復(fù)插拔500次無(wú)泄漏。管路采用內(nèi)徑8mm的PTFE軟管，外包金屬編織層，耐壓1.6MPa。系統(tǒng)設(shè)置過(guò)濾器、溫度傳感器、壓力傳感器等監(jiān)測(cè)元件，實(shí)現(xiàn)工況監(jiān)控。

2.3" 復(fù)合冷卻控制策略

控制系統(tǒng)采用分層架構(gòu)設(shè)計(jì)，包括現(xiàn)場(chǎng)層、控制層和監(jiān)控層?，F(xiàn)場(chǎng)層布置24個(gè)PT100溫度傳感器，精度±0.1℃，沿電池組周向均勻分布。每個(gè)微通道冷卻板設(shè)置1個(gè)渦輪流量計(jì)和1個(gè)壓力變送器，監(jiān)測(cè)冷卻液流量和壓力。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)CAN總線(xiàn)實(shí)時(shí)傳輸至控制器，采樣周期100ms。控制器選用STM32H743芯片，主頻480MHz，配置256KB SRAM?？刂扑惴ú捎媚：赃m應(yīng)PID策略，將電池組劃分為8個(gè)獨(dú)立控制區(qū)域。輸入變量包括區(qū)域平均溫度、溫度變化率和相鄰區(qū)域溫度差，輸出變量為該區(qū)域冷卻液流量。模糊規(guī)則庫(kù)包含49條規(guī)則，基于專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)建立。PID參數(shù)自適應(yīng)調(diào)節(jié)范圍：Kp0.8～2.5，Ki0.05～0.2，Kd0.1～0.4。

控制邏輯分為正常工作模式和應(yīng)急處置模式。正常工作模式下，相變材料通過(guò)被動(dòng)方式吸收熱量，微通道液冷系統(tǒng)維持基礎(chǔ)流量1L/min。當(dāng)檢測(cè)到任一區(qū)域溫度超過(guò)45℃時(shí)，該區(qū)域液冷流量逐步提升；溫度超過(guò)52℃時(shí)，相鄰區(qū)域流量同步增加，形成協(xié)同降溫效果。應(yīng)急處置模式針對(duì)熱失控工況，啟動(dòng)備用水泵，將系統(tǒng)流量提升至最大值，同時(shí)降低冷卻液進(jìn)口溫度[4]。

2.4" 系統(tǒng)集成與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)集成采用模塊化設(shè)計(jì)理念，將PCM模塊、微通道板、管路系統(tǒng)預(yù)先組裝成獨(dú)立單元。PCM模塊安裝采用燕尾槽結(jié)構(gòu)，槽深4mm，傾角15°，實(shí)現(xiàn)自鎖功能。定位精度通過(guò)型腔底部臺(tái)階控制，配合間隙0.1mm。微通道板與電池模塊間采用石墨烯導(dǎo)熱墊，厚度0.5mm，導(dǎo)熱系數(shù)12W/（m·K），確保均勻傳熱。管路系統(tǒng)采用模塊化快換設(shè)計(jì)，將所有接頭、傳感器集成在配電箱兩側(cè)[5]。配電箱尺寸400mm×300mm×150mm，采用1.2mm冷軋鋼板制作，表面噴塑處理。箱體內(nèi)部設(shè)置絕緣層和導(dǎo)熱層，控制器安裝在隔熱腔體內(nèi)。線(xiàn)束采用防水接插件，線(xiàn)路布置遵循強(qiáng)弱電分離原則。冷卻液管路設(shè)置快速排空閥，便于系統(tǒng)維護(hù)。

工程實(shí)施中重點(diǎn)解決了系統(tǒng)密封性、抗振性和EMC防護(hù)三個(gè)問(wèn)題。所有密封面采用搭接結(jié)構(gòu)，密封圈采用雙道密封。關(guān)鍵緊固件選用10.9級(jí)高強(qiáng)螺栓，涂覆微膠囊型防松膠。PCM模塊支架和管路支架均采用橡膠隔振墊，固有頻率控制在15Hz以下?？刂破麟娫炊嗽黾覧MI濾波器，信號(hào)線(xiàn)采用屏蔽雙絞線(xiàn)，接地電阻小于4Ω。

3 優(yōu)化效果驗(yàn)證

3.1" 溫度響應(yīng)特性測(cè)試

采用高溫?zé)嵩茨M電池組熱失控工況，熱源功率可調(diào)范圍0～200kW，升溫速率最高達(dá)到300℃/min。在電池組表面72個(gè)測(cè)點(diǎn)布置K型熱電偶，采樣頻率10Hz。通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄溫度場(chǎng)演變過(guò)程，測(cè)試環(huán)境溫度（25±2）℃，相對(duì)濕度45%±5%。實(shí)驗(yàn)分別在50kW、100kW、150kW三種熱源功率下進(jìn)行，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。不同熱源功率下系統(tǒng)溫度響應(yīng)特性見(jiàn)表1。

收集的溫度數(shù)據(jù)顯示優(yōu)化后冷卻系統(tǒng)具有顯著的快速響應(yīng)特性。在150kW熱源功率下，電池組表面溫度從25℃升至45℃僅需28s，相變材料即刻啟動(dòng)吸熱，使溫升速率從15.8℃/s降至3.2℃/s。微通道液冷系統(tǒng)協(xié)同工作，在120s內(nèi)將溫度穩(wěn)定在52℃以下。

3.2" 冷卻均勻性分析

通過(guò)紅外熱像儀獲取電池組表面溫度分布云圖，熱像儀分辨率640×480，測(cè)溫精度±0.5℃，掃描頻率60Hz。在電池組四周設(shè)置紅外反射板，確保測(cè)量視角完整覆蓋。實(shí)驗(yàn)工況設(shè)置為100kW持續(xù)熱源輸入，記錄30min內(nèi)溫度場(chǎng)變化。電池組表面溫度均勻性分析見(jiàn)表2。數(shù)據(jù)分析表明，優(yōu)化后系統(tǒng)表現(xiàn)出良好的溫度均勻性。電池組表面最大溫差控制在8.2℃以?xún)?nèi)，遠(yuǎn)低于安全閾值15℃。相變材料的布置顯著改善了溫度梯度，邊緣區(qū)域與中心區(qū)域溫差減小67%。

3.3" 熱失控抑制效果評(píng)估

采用光纖測(cè)溫系統(tǒng)監(jiān)測(cè)電池組內(nèi)部溫度分布，布置48個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)溫范圍-50～300℃，響應(yīng)時(shí)間0.1s。通過(guò)高壓放電觸發(fā)單個(gè)電池模塊熱失控，記錄熱量擴(kuò)散過(guò)程。熱失控蔓延抑制效果分析見(jiàn)表3。實(shí)驗(yàn)在專(zhuān)業(yè)防爆艙內(nèi)進(jìn)行，配備氣體檢測(cè)和應(yīng)急處置設(shè)備。分析結(jié)果顯示優(yōu)化后系統(tǒng)具有顯著的熱失控抑制效果。觸發(fā)點(diǎn)溫度達(dá)到180℃時(shí)，相鄰模塊溫度僅上升12℃，熱擴(kuò)散速率降低87%。系統(tǒng)持續(xù)工作45min后，受影響區(qū)域限制在起始模塊周?chē)?00mm范圍內(nèi)。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)12m純電動(dòng)客車(chē)368V/562Ah電池組冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化研究，成功開(kāi)發(fā)了一套相變材料與微通道液冷相結(jié)合的復(fù)合冷卻系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用熔點(diǎn)為48℃的相變材料進(jìn)行熱量快速吸收，配合優(yōu)化后的微通道結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)熱量持續(xù)導(dǎo)出。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在保持系統(tǒng)緊湊性的同時(shí)，優(yōu)化后的冷卻系統(tǒng)具有更好的溫度響應(yīng)特性和均勻性，可有效防止熱失控蔓延。這一研究成果為提高大型電動(dòng)客車(chē)火災(zāi)撲救效率提供了可靠的技術(shù)支持。

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