三元鋰電池?zé)崾Э厣淞骺梢暬八俣葓鰷y試

劉昊東，張鵬飛，黃鈺期

（浙江大學(xué)能源工程學(xué)院，浙江 杭州 310027）

隨著電動汽車的日益普及，電動汽車電池的安全評價關(guān)乎到車輛的安全性和用戶的使用體驗[1]。電池?zé)崾Э匮芯吭谔岣唠妱悠嚢踩?、?yōu)化電池設(shè)計和材料選擇、改進(jìn)電池管理系統(tǒng)、推進(jìn)電動汽車技術(shù)發(fā)展、增強消費者信心以及支持政策制定等方面具有重要意義。尤其是對于廣泛應(yīng)用的三元鋰電池而言，其在電池材料選擇和組件設(shè)計、熱失控機理、熱失控防范措施以及溫度控制和熱管理等領(lǐng)域不斷涌現(xiàn)新的研究和成果[2]。

當(dāng)三元鋰離子電池處在高溫環(huán)境下，電池內(nèi)部的電解液和電極材料可能發(fā)生熱分解反應(yīng)，熱分解反應(yīng)導(dǎo)致電解液中的有機溶劑、電解質(zhì)和添加劑等成分分解成氣體；此外，電池正極和負(fù)極的電極材料可能與電解液中的氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生氣體。這些氣體聚集成氣泡，可能堵塞通道或?qū)е戮植繀^(qū)域壓力逐漸增加。當(dāng)內(nèi)部壓力達(dá)到臨界點時，電池正負(fù)極表面的氣泡會以高速射流的形式從氣孔或通道中釋放。在電池?zé)崾Э氐倪^程中，存在兩次典型的射流現(xiàn)象：首先，第一次射流出現(xiàn)在安全閥打開瞬間，內(nèi)部積聚的可燃?xì)怏w、電解質(zhì)蒸氣以及液滴會以高速射流的方式流出；其次，第二次射流在熱失控開始后發(fā)生，隨著電池溫度迅速升高，內(nèi)部副反應(yīng)加速進(jìn)行，產(chǎn)生大量可燃?xì)怏w和固體顆粒，從而引發(fā)第二次射流現(xiàn)象。射流現(xiàn)象可能導(dǎo)致電池殼體破裂，電解液泄漏，進(jìn)而導(dǎo)致電池系統(tǒng)的火災(zāi)、爆炸等嚴(yán)重安全事故。研究三元鋰離子電池?zé)崾Э氐纳淞魉俣葓鲈谝韵聨讉€方面具有重要意義。

（1）電池內(nèi)部壓力研究。通過研究射流速度場，可以了解電池內(nèi)部壓力隨溫度的變化情況，有助于預(yù)測電池的安全性和穩(wěn)定性。此外，通過對射流速度場的研究，可以確定導(dǎo)致射流現(xiàn)象發(fā)生的臨界壓力值，幫助研究者理解電池?zé)崾Э氐陌l(fā)展過程。

（2）仿真分析校驗。通過與實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，對后續(xù)仿真模型的校驗提供參考，有助于驗證模型的準(zhǔn)確性和可靠性，從而改進(jìn)仿真模型，使其更符合實際情況。

（3）結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化。通過研究射流速度場，可以深入了解電池內(nèi)部氣體釋放和流動的行為。這有助于優(yōu)化電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括電池殼體、隔膜和氣孔等，以確保在熱失控發(fā)生時，電池內(nèi)部氣體能夠順利釋放，減少堵塞現(xiàn)象，并降低射流的發(fā)生概率。

（4）電池?zé)峁芾聿呗灾贫āＩ淞鳜F(xiàn)象是電池內(nèi)部能量失控的一種釋放方式，研究射流的速度場可以幫助制定更有效的熱管理策略。通過及時監(jiān)測電池內(nèi)部溫度和壓力變化，以及對電池充放電過程進(jìn)行動態(tài)控制，可以預(yù)防和控制射流的發(fā)生，降低熱失控的風(fēng)險。

（5）抑制火焰?zhèn)鞑ァι淞鞣较虻木_研究，可以幫助合理選擇滅火劑的噴射方向；研究射流速度場有助于了解氧氣在火焰?zhèn)鞑ミ^程中的運動和分布。通過合理設(shè)計電池結(jié)構(gòu)或安裝隔離屏障，可以有效阻斷氧氣的供應(yīng)，減緩火焰的蔓延。

García 等[3]對LCO、NMC、LFP 三種電池的熱失控過程分別進(jìn)行了可視化拍攝，并分析了射流的流動形態(tài)與安全閥結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。Mao 等[4]利用COMSOL Multiphysics中的常微分方程組建立了瞬態(tài)活性模型來描述三元鋰電池?zé)崾Э刂械臍怏w流動和射流火焰。采用阿倫尼烏斯方程描述氣體生成動力學(xué)，并對流速進(jìn)行模擬。Li等[5]采用三維CFD模型研究了18650型三元鋰離子電池在排氣過程中的流場，使用尺度求解模擬方法對得到的平均速度和脈動速度分布進(jìn)行了研究，并對通風(fēng)口產(chǎn)生的湍流現(xiàn)象進(jìn)行了可視化。Zhou等[6]提出了一種根據(jù)質(zhì)量損失估算安全閥處射流速度的方法，發(fā)現(xiàn)最大射流速度總是出現(xiàn)在安全閥開啟的瞬間，其值為42.05m/s；此外，對安全閥開啟前的產(chǎn)氣速率進(jìn)行了定量分析，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)氣速率隨電池表面溫度升高而增大。這些學(xué)者的研究工作多集中對產(chǎn)氣流速的模擬仿真工作上，而對實驗時全局速度場的分析研究較少?；诖耍疚牟捎昧Ｗ訄D像測速技術(shù)對電池?zé)崾Э貒婇y射流的速度場展開研究分析。在粒子圖像測速技術(shù)中，常用的測速算法主要可分為光流法和互相關(guān)法。光流算法適用于運動跟蹤、動作識別、物體檢測等任務(wù)，具有實時性[7]、非侵入性和適用性廣泛等優(yōu)點。然而由于其具有光流不唯一性，可能導(dǎo)致在光照變化或紋理缺失的情況下產(chǎn)生不準(zhǔn)確的結(jié)果[8]，并且在連續(xù)圖像序列中進(jìn)行計算時，可能會因為誤差累積而導(dǎo)致跟蹤的不穩(wěn)定性。

由于粒子圖像測速技術(shù)對視頻圖像的質(zhì)量要求較高，而電池噴閥射流中，煙氣濃度高，不同相間可能存在明顯的速度差，導(dǎo)致圖像質(zhì)量受限。在視頻成像過程中可能存在以下一些問題。

（1）運動速度快導(dǎo)致圖像模糊。電池?zé)崾Э貢r，射流速度較高，導(dǎo)致圖像出現(xiàn)運動模糊，從而使視頻圖像質(zhì)量降低。

（2）液滴分布稀疏。液滴的分布可能較為稀疏，這會導(dǎo)致圖像中能檢測到的顆粒數(shù)量有限，從而影響粒子的跟蹤和測速精度，且煙氣的產(chǎn)生也在一定程度上影響辨識清晰度。

（3）不均勻性和渦旋。由于流場中存在各種不均勻性和渦旋，圖像中的顆?；叶戎悼赡艹霈F(xiàn)較大變化，這會對特征提取和跟蹤算法帶來困難。

（4）存在噪聲。實際拍攝過程中，可能存在各種噪聲，如光照噪聲、傳感器噪聲等，這些噪聲會進(jìn)一步降低圖像的質(zhì)量。

為解決以上問題，并考慮到在高溫條件下設(shè)計安裝示蹤粒子發(fā)射器的困難，本文引入了一系列圖像降噪、增強的方法，彌補了電池噴閥射流過于復(fù)雜導(dǎo)致PIV 圖像處理質(zhì)量低的問題，從而提高了后續(xù)流場的計算分析的可靠性；在流場速度場的識別計算方面，本文采用了結(jié)合雙高斯亞像素精度插值的互相關(guān)算法對噴射流場進(jìn)行速度場分析，為后續(xù)電池?zé)崾Э叵聡婇y射流流場的研究工作提供參考。

1 實驗系統(tǒng)和方法

1.1 實驗系統(tǒng)與工況

該實驗裝置主要包括激光發(fā)射系統(tǒng)、電池防爆箱、高速相機、電池?zé)崾Э匮b置、測溫模塊和計算機，實驗系統(tǒng)示意圖和臺架實物圖分別如圖1、圖2 所示。電池選用18650 圓柱形鋰離子電池，實驗前樣品電池經(jīng)過10 次標(biāo)準(zhǔn)充放電循環(huán)后，充電至100% SOC用于實驗。電池被固定在電池?zé)崾Э匮b置內(nèi)，電池的一半側(cè)面用銅塊加熱，另一半在中間位置設(shè)有熱電偶測溫點，用于測量電池溫度。銅塊側(cè)面有6 個測溫孔以便于用熱電偶進(jìn)行溫度測量。測溫模塊為NI 板卡，其采集所有溫度信息并同步至計算機。該裝置放在電池防爆箱內(nèi)進(jìn)行實驗，箱體正面具有較大視角的觀測窗口，便于高速相機成像，左側(cè)部也設(shè)計有窗口，便于激光進(jìn)入。

圖1 實驗系統(tǒng)示意圖

圖2 臺架實物圖

激光發(fā)射系統(tǒng)工作原理如圖3所示。當(dāng)激光器電源處于外控狀態(tài)時（接受外部頻率信號），外部光閘打開，激光經(jīng)豎直方向45°反射鏡反射到導(dǎo)光臂內(nèi)，從導(dǎo)光臂出口輸出激光[9]。在進(jìn)行激光器的檢查準(zhǔn)備工作后，開啟制冷機，連接同步器并設(shè)定頻率為3kHz TTL信號，跨幀時間為8μs，脈沖頻寬50μs，電流設(shè)定值為12A，隨后打開光閘，輸出波長為527nm、功率為4.9W 的激光。調(diào)整導(dǎo)光臂保證激光與電池安全閥的出口為垂直狀態(tài)。打開高速相機保持拍攝狀態(tài)，相機型號為FORTIC226，具有1024×736的分辨率，跨幀時間為8μs。打開電源對銅塊進(jìn)行加熱，溫度模塊實時采集并記錄溫度數(shù)據(jù)，高速相機拍攝電池噴閥射流流場。如圖4 所示，通過對比圖4 中實驗前拍攝到的空白幀和CT掃描得到的樣品電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖計算得到實驗拍攝比例尺為1∶0.02098（空白幀中187.54像素長度對應(yīng)實際長度3.93475mm）。

圖3 激光系統(tǒng)工作原理圖

圖4 比例尺確定

1.2 實驗方法及原理

由于場地設(shè)備和環(huán)境因素的限制，本實驗無法實現(xiàn)示蹤粒子發(fā)射器的設(shè)計安裝。因此需要對視頻圖像進(jìn)行更為嚴(yán)格的預(yù)處理，以能更清晰地觀察到噴閥射流流場，便于后續(xù)進(jìn)行速度場的辨識分析工作。

綜合考慮高速相機相關(guān)電子元器件參數(shù)及實驗環(huán)境，該實驗視頻成像可能存在以下質(zhì)量問題：在高速拍攝過程中，由于相機傳感器產(chǎn)生熱量，可能引發(fā)熱噪聲，導(dǎo)致圖像中出現(xiàn)隨機的點狀或斑點狀的亮暗變化[10]；在高速拍攝中，由于快門速度和光照條件的影響，可能會出現(xiàn)圖像的亮度不均勻以及運動模糊，尤其對于高速運動的流體，可能會出現(xiàn)大面積無法識別的液團(tuán)，使圖像細(xì)節(jié)模糊不清；圖像中可能存在高頻噪聲，表現(xiàn)為圖像中細(xì)節(jié)或邊緣部分的顆粒狀噪聲。這些問題可能對實驗結(jié)果產(chǎn)生一定影響。

綜合考慮，本實驗采用自適應(yīng)濾波方法對視頻圖像進(jìn)行預(yù)處理，流程圖如圖5所示。首先采用巴特沃斯高通濾波方法（BLPF）對視頻圖像進(jìn)行處理，以突出視頻圖像液滴的邊緣細(xì)節(jié)特征，使其在后續(xù)處理中更容易檢測和計算。HPF能夠增強圖像中的高頻細(xì)節(jié)，抑制低頻成分，并一定程度上能減少圖像的背景和噪聲。然后，相較于固定模板的普通高斯濾波，所采用的自適應(yīng)高斯濾波方法（AGF）能根據(jù)圖像的局部特征來調(diào)整濾波核的大小和權(quán)重，從而更好地適應(yīng)圖像的變化[11]。在圖像平滑的區(qū)域，AGF 能夠更好地降低噪聲，在細(xì)節(jié)和邊緣特征上的保留效果也更加顯著。這樣的處理方式有助于保持圖像的細(xì)節(jié)信息并減少處理過程中可能引入的不必要的模糊。最后采用直方圖均衡化（HE）來重新分配射流實驗視頻圖像像素的灰度級，使得圖像的像素值在整個灰度范圍內(nèi)更均勻分布[12]，從而提高圖像的對比度，并增強細(xì)節(jié)的顯示效果。

圖5 實驗方法流程圖

本實驗采用基于雙高斯亞像素精度插值的互相關(guān)計算方法，其本質(zhì)是測量兩個圖像之間相似性[13]的計算方法。在每幀圖像中，選擇一個特征模板，該模板通常是一個小的局部圖像區(qū)域[14]，用于表示顆?；蛭矬w的特征，接著在另一幀圖像中搜索與特征模板最相似的位置。通過將特征模板和搜索圖像進(jìn)行卷積計算，并計算卷積結(jié)果的相關(guān)性來衡量兩個圖像的相似程度。通過分析相關(guān)性圖像，找到最大相關(guān)性值所在的位置，該位置對應(yīng)于特征模板在搜索圖像中的最佳匹配位置。然后計算特征模板中心位置和最佳匹配位置之間的位移向量，該位移向量表示顆粒在相鄰圖像幀之間的位移量。最后，根據(jù)位移向量和已知的時間間隔，可以計算出顆粒的運動速度。

在互相關(guān)計算得到的僅是位移向量（Δx, Δy）粗略的估計值，結(jié)合亞像素精度插值來提高測速的精確性和穩(wěn)定性[15]。其中采用高斯函數(shù)對互相關(guān)函數(shù)進(jìn)行擬合，以準(zhǔn)確找到互相關(guān)函數(shù)的峰值位置，從而獲得更準(zhǔn)確的顆粒位移信息。然而由于顆粒圖像可能存在不均勻的光照、遮擋或顆粒分布不均等問題，單個高斯函數(shù)擬合可能無法完全準(zhǔn)確地找到峰值。本實驗采用的雙高斯擬合方法能夠更好地處理這些復(fù)雜情況，從而提高測速結(jié)果的可靠性。然后采用窗函數(shù)來消除邊界效應(yīng)并進(jìn)一步減小噪聲影響，使得靠近邊界的像素對互相關(guān)計算的貢獻(xiàn)較小。其次對多幀圖像進(jìn)行平均化，以減少隨機誤差。最后進(jìn)行剔除異常值的后處理工作，以進(jìn)一步提高測速結(jié)果的可靠性和精確性。

2 結(jié)果和分析

2.1 視頻流場初分析

圖6中黑色曲線為電池溫度變化曲線，當(dāng)電池溫度被加熱至150℃時，鋰電池內(nèi)部達(dá)到臨界壓力，安全閥開啟（T=t0時刻標(biāo)定為安全閥打開的時刻），釋放內(nèi)部積聚的可燃?xì)怏w、電解質(zhì)蒸氣以及液滴。高速相機拍攝記錄的噴閥射流持續(xù)時間約為12000μs。如圖7 所示，提取噴閥射流6 幀原始圖像并對其流場進(jìn)行初步分析。本實驗研究重點在于對噴閥射流速度場的計算分析，故對實驗后期階段速度場僅作簡要分析和概括。

圖6 電池溫度變化曲線圖

圖7 不同時刻的流場圖

（1）從T=t0+8μs時刻開始，高速相機捕捉到電池正極噴射出稀疏的小液滴。

（2）在T=t0+(8～72μs)該段時間內(nèi)，液滴大量噴出。射流行為受電池內(nèi)部的溫度和壓力變化影響，在實驗前期液滴會發(fā)生聚并現(xiàn)象從而形成尺寸較大的液團(tuán)和液絲，該現(xiàn)象與電解液的物性參數(shù)如表面張力、黏度等有關(guān)，還受到射流速度和安全閥結(jié)構(gòu)的影響。

（3）在T=t0+304μs時，由于液滴受到空氣阻力和浮力等力作用，相較于之前，液滴運動軌跡發(fā)生細(xì)小變化。液滴與周圍空氣之間存在氣液界面，由于氣液界面上的蒸氣壓力和外界壓力的差異，以及液滴溫度和環(huán)境溫度之間的差異，蒸氣會從液滴表面逸出，導(dǎo)致液滴逐漸蒸發(fā)和氣化。此時的射流呈明顯氣液兩相狀態(tài)，噴霧左側(cè)氣液邊界線與水平線夾角大約為45°。

（4）在T=t0+(304～792μs)期間，由于表面液體分子發(fā)生氣化，表面張力差異增大，液滴更加不穩(wěn)定。此外，慣性會導(dǎo)致液滴發(fā)生形變和振動，液滴不斷破碎，形成更小的液滴。

（5）在T=t0+2864μs 時可以明顯觀察到，在相變和氣化過程中，電解液的部分成分在氣液界面形成膠狀物質(zhì)，另一部分形成了一些高聚結(jié)構(gòu)。同時，部分膠狀物質(zhì)在外部環(huán)境的冷卻作用下迅速結(jié)為團(tuán)塊狀物質(zhì)。

（6）從T=t0+22912μs開始，在后續(xù)的時間段內(nèi)高速相機只能拍攝到稀疏的小液滴，且有部分膠狀物質(zhì)殘留。

2.2 圖像預(yù)處理結(jié)果分析

為了避免在直方圖均衡化過程中增強噪聲的影響，在本實驗中采用的視頻圖像預(yù)處理的順序安排為：首先，用高通濾波方法對圖像進(jìn)行銳化處理，以增強圖像的邊緣和細(xì)節(jié)。接下來采用自適應(yīng)高斯濾波方法對圖像進(jìn)行去噪，以有效地減少圖像中的噪聲干擾。最后，對預(yù)處理后的圖像進(jìn)行直方圖均衡化，以提升圖像的對比度和視覺質(zhì)量。

在圖像增強方面，本實驗選擇在頻域內(nèi)采用二階巴特沃斯高通濾波方法對視頻圖像進(jìn)行增強。如圖8 所示，相比于理想高通濾波，二階BHPF 有平滑的過渡區(qū)域，不會引起明顯的振鈴效果，從而在空域上產(chǎn)生更自然的結(jié)果。此外，其濾波特性可通過調(diào)整濾波器的階數(shù)和截止頻率來控制，二階BHPF能夠?qū)Ρ緦嶒灥囊曨l圖像進(jìn)行較好的增強。

圖8 圖像增強結(jié)果對比圖

圖9為采用不同圖像降噪方法處理的結(jié)果。在評估圖像去噪效果時，峰值信噪比（PSNR）是一項重要指標(biāo)，用來衡量原始信號和處理后信號之間的相對誤差，其計算為式(1)。

圖9 圖像去噪結(jié)果比較

式中，MAX 是表示圖像中像素值的最大可能值，對于8位灰度圖像，MAX為255。對于多通道的彩色圖像，MAX通常為255，因為它考慮了RGB三個通道的最大像素值。

MSE 是均方誤差，用來衡量兩幅圖像之間的差異。MSE的計算公式為式(2)。

式中，I(i,j)表示原始圖像中位置(i,j)的像素值；K(i,j)表示處理后圖像中位置(i,j)的像素值；m和n分別表示圖像的高度和寬度；mn為像素總數(shù)。

通過計算可得采用不同降噪方法后各圖像與原圖像的PSNR值，結(jié)果如表1所示。

表1 不同濾波方法處理后的PSNR值

在本實驗中，通過對比PSNR值和對比圖9(b)、（c)、(d)、(e)的處理結(jié)果，對采用不同降噪方法對視頻圖像進(jìn)行處理進(jìn)行了評估：PSNR 值越大表示圖像質(zhì)量越好，結(jié)果顯示本實驗采用自適應(yīng)濾波方法能夠?qū)υ撘曨l很好地進(jìn)行降噪銳化處理。均值濾波對于本實驗中非均勻噪聲的處理效果較差，僅適用于一些簡單的噪聲抑制工作。對于本實驗的視頻圖像，雖然中值濾波得到的PSNR值較高，但其對于較小范圍的噪聲存在過度平滑，導(dǎo)致圖像細(xì)節(jié)丟失嚴(yán)重。與僅采用高斯濾波方法相比，圖9(d)中仍能觀察到較大尺寸的液團(tuán)，且部分區(qū)域仍受到一定程度的噪聲干擾，嚴(yán)重影響后續(xù)速度場的分析。而經(jīng)過自適應(yīng)濾波方法處理后的視頻圖像，能夠更加清晰地辨別出射流液滴，即在去噪的同時保持粒子的邊緣信息，避免產(chǎn)生模糊效果。該方法對高斯核大小進(jìn)行調(diào)整，可自動控制濾波的平滑程度，在圖像中一些稠密且液滴尺寸較小的區(qū)域，該方法自動減小高斯核的大小，保留更多的細(xì)節(jié)信息。

此外，對比圖9(e)、（f），直方圖均衡化能有效增強圖像的對比度，對于降噪銳化后的圖像，該方法處理后使得更小的液滴的邊緣細(xì)節(jié)更加明顯，從而提高了后續(xù)互相關(guān)算法的準(zhǔn)確性和可靠性。對比度增強后，圖像中液滴和背景之間的灰度差異更加顯著，有利于算法更準(zhǔn)確地識別液滴位置。最后，直方圖均衡化還將背景像素的灰度值拉伸到適當(dāng)范圍，使得背景區(qū)域更加均勻，進(jìn)一步減少了噪聲對檢測和測速的影響，同時也顯著改善了圖像的視覺效果，使圖像更加清晰且便于觀察。

2.3 速度場分析計算

將預(yù)處理完成的視頻逐幀進(jìn)行互相關(guān)計算，繪制并提取6個時間點速度場云圖，截取射流高速階段6 幀原圖像如圖10 所示，速度場結(jié)果如圖11 所示，分析結(jié)果如下。

圖10 不同時刻流場

圖11 不同時刻速度場

（1）在T=t0+80μs時刻，由于電池內(nèi)部溫度處于較高狀態(tài)、內(nèi)部壓力較大且噴射口尺寸較小，導(dǎo)致出口處射流速度較高，即70～85m/s 的高速區(qū)域更集中在出口處。此時流場方向呈現(xiàn)出單一性，大部分速度方向表現(xiàn)出較好的一致性。

（2）在T=t0+328μs 時刻，部分液滴發(fā)生氣化現(xiàn)象，加之液滴的不穩(wěn)定性和相互作用，導(dǎo)致電解液出口處的液滴運動軌跡已發(fā)生變化，高速區(qū)域向外擴展。

（3）在T=t0+392μs時刻，由于出口速度較高，液體具有較大的動量，而且因為空間擴散，液體流束的橫截面積在增大，導(dǎo)致液體的速度相應(yīng)地減小。同時考慮空氣阻力等因素，高速區(qū)域的速度約為70m/s，相比之前時刻有所下降。然而由于動量守恒原理以及氣液間速度的不一致性，液滴在某些區(qū)域的速度可能仍比出口的速度高。在出口的右上部區(qū)域中，發(fā)生氣化的液滴受到溫度和濃度差異的驅(qū)動，其密度會發(fā)生改變，在重力場的作用下部分液滴發(fā)生對流現(xiàn)象，但速度較小。

（4）在T=t0+496μs 時刻，液滴氣化進(jìn)一步進(jìn)行，部分液滴斷裂，各處速度相比前一時刻約下降15m/s。此時的高速區(qū)域的速度場仍呈現(xiàn)良好的一致性，但集中區(qū)域進(jìn)一步向外擴展。在出口左方區(qū)域出現(xiàn)微弱的渦旋流動現(xiàn)象。

（5）當(dāng)實驗進(jìn)展到T=t0+632μs 時，考慮到電池內(nèi)部化學(xué)物質(zhì)的不穩(wěn)定性，可能存在短暫突然的激烈化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致存在部分液體在此時可以以相對高的速度噴出，但相較于實驗初期，高速區(qū)域已不再集中，且速度值約下降20m/s。在出口上方部分區(qū)域可能存在湍流現(xiàn)象。

（6）最后在T=t0+872μs 時，各個區(qū)域的速度明顯下降，各區(qū)域速度方向也較之前呈現(xiàn)規(guī)律性。此時至后續(xù)階段，射流流場具有較好的穩(wěn)定性。

如圖12 所示，對單點速度場在時間上的變化進(jìn)行擬合后可發(fā)現(xiàn)速度大致呈現(xiàn)為指數(shù)式下降趨勢，實驗前期階段液滴速度會在短時間迅速降低，從4000μs后液滴速度呈現(xiàn)緩慢下降趨勢。

圖12 單點速度變化曲線圖

對于射流階段一些特征點可采用人工標(biāo)定計算出相應(yīng)的速度，如圖13 所示，該結(jié)果可作為上述實驗方法的輔助驗證參考，上述實驗方法計算得到的結(jié)果與人工標(biāo)定方法計算得到的速度處在相同區(qū)間中。且互相關(guān)算法已經(jīng)形成了較為系統(tǒng)的理論體系，在一些商業(yè)化軟件中已經(jīng)得到了應(yīng)用。作為較常用的圖像測速算法，該方法較好地計算出相鄰圖像之間的空間相關(guān)性[16]。近年來也不斷有學(xué)者在標(biāo)準(zhǔn)互相關(guān)算法基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，Gao 等[17]搭建了簡化的PIV裝置，使用全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)互相關(guān)算法和光流神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對射流流場進(jìn)行了計算對比，此研究的對比基準(zhǔn)就是建立在標(biāo)準(zhǔn)互相關(guān)算法基礎(chǔ)之上的。該實驗結(jié)果具有可靠性。

3 結(jié)論

采用粒子圖像測速技術(shù)對三元鋰電池在熱失控時的噴閥射流進(jìn)行了深入研究。采用高通濾波結(jié)合自適應(yīng)高斯濾波方法對視頻圖像進(jìn)行了銳化和去噪處理，同時采用直方圖均衡化對圖像的灰度范圍進(jìn)行拉伸。隨后采用結(jié)合亞像素精度插值方法的互相關(guān)算法對射流流場進(jìn)行計算，從而實現(xiàn)了噴閥射流流場的可視化和速度場辨識分析。以下為主要結(jié)論。

（1）通過對視頻中流場的初步分析發(fā)現(xiàn)，在射流初期，液滴會出現(xiàn)聚并現(xiàn)象，受表面張力和溫度差異影響，較大尺寸的液滴以及液絲會出現(xiàn)斷裂破碎。隨著時間推移，流場左側(cè)氣液分界線與水平方向夾角也會緩慢減小，最后在出口處形成膠狀物質(zhì)。

（2）經(jīng)過自適應(yīng)濾波處理后，視頻圖像的PSNR 有所提升，能有效降低圖像的噪聲，圖像平滑效果顯著。此外，處理后能從有較大尺寸液團(tuán)和液絲的模糊圖像中清晰辨別檢測尺寸較小的液滴。直方圖均衡化進(jìn)一步增強了視頻圖像的對比度，并突出了細(xì)節(jié)信息。

（3）在射流前期，速度范圍大致在45～85m/s，該階段速度快速下降，射流后期各區(qū)域的速度緩慢降低。高速區(qū)的集中會出現(xiàn)從出口處附近向外遷移的現(xiàn)象，流場的中心區(qū)速度方向呈現(xiàn)良好的一致性，在流場的邊緣區(qū)域則會出現(xiàn)對流和湍流等流態(tài)現(xiàn)象。

但本文的工作研究仍有不足之處，在以下方面作出總結(jié)與展望。

（1）因電池個體差異性，暫未考慮用其他電池在不同焦平面的射流特性來定量驗證此電池在此焦平面的射流特性，后續(xù)可研究不同焦平面下射流速度分布的對比結(jié)果。

（2）可考慮采用熱線風(fēng)速儀等傳感器對射流速度場單點速度進(jìn)行定量分析，作為實驗結(jié)果的輔助驗證，進(jìn)一步提高實驗結(jié)果論證的可靠性。

（3）對其他類型電池展開相關(guān)研究，以驗證該方法的普遍適用性。