電動(dòng)車電池倉火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)中傳感器布局優(yōu)化研究

諶福鵬　羅佳麗 冒興峰

摘 要：隨著現(xiàn)在的新能源汽車的發(fā)展，越來越多品牌的新能源汽車可以供人們出行的選擇，但是也就是隨著新能源的發(fā)展，動(dòng)力電池倉的安全也成了現(xiàn)在人們的主要安全問題。文章主要分析鋰離子電池的充放電溫度特性，以及鋰離子電池發(fā)生熱失控后參數(shù)的變化和環(huán)境，選擇合適的傳感器類型。并根據(jù)某一品牌的電動(dòng)汽車現(xiàn)在已經(jīng)有的監(jiān)測方式，在其原來的監(jiān)測位置的基礎(chǔ)上，優(yōu)化其傳感器的位置，來提高監(jiān)測的實(shí)效性、準(zhǔn)確性，同時(shí)減少不必要的成本損耗。通過Pyrosim火災(zāi)模擬，進(jìn)行火災(zāi)建模仿真。分析溫度切片，布置合適的傳感器位置，進(jìn)行失火模擬分析，來判斷方案的可行性和準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：Pyrosim火災(zāi)模擬 傳感器位置 失火模擬

1 前言

電動(dòng)車電池倉火災(zāi)引起了人們的廣泛關(guān)注。電動(dòng)車電池作為車輛的核心部件之一，其性能穩(wěn)定與否直接關(guān)系到電動(dòng)車的安全運(yùn)行。因此，研究電動(dòng)車電池倉安全監(jiān)測系統(tǒng)成為一項(xiàng)迫切的需求。傳感器是電動(dòng)車電池倉安全監(jiān)測系統(tǒng)的核心組成部分，吳夢宇等人[1]介紹了煙霧、溫度、氣體傳感器及紅外成像儀的原理和應(yīng)用；TagneFute Elie[2]等人研究了移動(dòng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在火災(zāi)監(jiān)測中的應(yīng)用。李紫軒等人[3]提出了基于NTC溫度傳感器的鋰電池內(nèi)部溫度監(jiān)測。張風(fēng)銀[4]提出了多傳感器融合的火災(zāi)探測模型，并應(yīng)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練學(xué)習(xí)。Fantham Thomas L[5]和Lin C.等人[6]分別討論了鋰離子電池實(shí)驗(yàn)室檢測的安全性和國際電池標(biāo)準(zhǔn)與法規(guī)的比較。這些研究和標(biāo)準(zhǔn)的制定推動(dòng)了電動(dòng)車電池倉安全監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用。唐雁雁[7]從鋰離子電池的原理出發(fā)，闡述了鋰離子電池的應(yīng)用和發(fā)展趨勢。

電動(dòng)車電池倉安全監(jiān)測的研究現(xiàn)狀呈現(xiàn)出技術(shù)日益成熟、系統(tǒng)功能不斷完善的趨勢，為提高電動(dòng)車電池倉的安全性和可靠性提供了有力支撐。然而傳感器的布局不合理可能導(dǎo)致系統(tǒng)對火災(zāi)前兆的檢測不到位或者誤報(bào)警情況，影響系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性。本文對傳感器布局進(jìn)行優(yōu)化研究，針對電動(dòng)車電池倉的特點(diǎn)和火災(zāi)可能發(fā)生的場景，設(shè)計(jì)出最佳的傳感器布局方案，對提高火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)的性能具有重要意義。

2 電動(dòng)汽車電池倉溫度特性研究

2.1 電池倉充放電溫度研究

鋰離子電池的充放電溫度特性對于電池的性能和安全性具有重要影響。林濤[8]通過對三元鋰電池的充放電研究，得出鋰電池的溫度特性，當(dāng)環(huán)境溫度在35℃時(shí)，電池組放電效率有最高點(diǎn)（92%）。選取磷酸鐵鋰電池為實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，在30℃的環(huán)境溫度下觀測其充放電過程中的電池溫度變化如圖1，充放電過程會(huì)產(chǎn)生熱量，特別是在高速率充放電時(shí)，熱量釋放更為顯著，可能導(dǎo)致電池溫度迅速上升。

同時(shí)溫度顯著影響電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)速率，升高溫度會(huì)加快電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)速率，影響電極活性物質(zhì)擴(kuò)散和電解質(zhì)離子遷移速率等。高溫可能引發(fā)安全問題，如熱失控，進(jìn)而導(dǎo)致火災(zāi)或爆炸。因此，對電池的溫度進(jìn)行控制和監(jiān)測至關(guān)重要。

2.2 傳感器的選取

鋰電池?zé)崾Э剡^程中的主要特征有：溫度變化，氣體煙霧產(chǎn)生、起火爆炸。在發(fā)生熱失控后三元鋰離子電池溫度能達(dá)到900℃。在鋰離子電池燃燒過程中，都伴隨著大量的煙霧產(chǎn)生。溫度的變化較明顯、并會(huì)產(chǎn)生煙霧，在電池倉這種相對密閉的環(huán)境當(dāng)中，這幾種參數(shù)的變化也較為明顯。為實(shí)現(xiàn)對電池倉的火災(zāi)探測，在進(jìn)行電池倉火災(zāi)自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，預(yù)將溫度、煙霧濃度同時(shí)作為電池倉環(huán)境的監(jiān)測參數(shù)變量，通過采集電池倉中這些參數(shù)變量的變化來判斷是否有火災(zāi)發(fā)生。

目前，市場上主流的溫度傳感器主要有：熱敏電阻式、熱電偶式、半導(dǎo)體式以及集成電路型溫度傳感器[9]，其性能對比如表1所示。

在安全監(jiān)測系統(tǒng)中，溫度監(jiān)測是至關(guān)重要的，特別是對于三元鋰電池?zé)崾Э厍暗臏囟茸兓?。及早控制熱失控現(xiàn)象可以有效預(yù)防后續(xù)的火災(zāi)發(fā)生。即使無法控制熱失控，溫度傳感器也應(yīng)持續(xù)監(jiān)測，尤其是在中后期溫度較高的情況下。針對這種需求，應(yīng)選擇精度高、溫度范圍廣、物化特性穩(wěn)定且靈敏度良好的熱敏電偶式溫度傳感器。對于火焰蔓延速度較快、煙霧顆粒較小的劇烈火焰，離子式煙霧傳感器效果更好。考慮到鋰電池?zé)崾Э鼗鹧娴奶攸c(diǎn)，離子式煙霧傳感器是安全監(jiān)測系統(tǒng)的合適選擇。

3 電池倉傳感器布局優(yōu)化

3.1 電池倉模型搭建

創(chuàng)建電動(dòng)汽車中的鋰電池模型具體尺寸為長160cm、寬80cm、高20cm，電池倉內(nèi)有10個(gè)電池包，電池包尺寸相同（長720mm，寬50mm，高150mm），在電池倉中的分布情況為長邊上的間隔為100mm，寬邊上的間隔為40mm，高度位于距離底部20mm，頂部30mm位置。在用Pyrosim進(jìn)行火災(zāi)模擬仿真時(shí)，火災(zāi)的場景即為所選用的鋰電池倉。

根據(jù)相關(guān)研究數(shù)據(jù)，采用鋰離子電池燃燒單位面積熱釋放速率為2250kW/m?進(jìn)行仿真。為了平衡仿真精度和熱釋放速率，采用了10mm×10mm×10mm 的網(wǎng)格單元尺寸，共劃分為32000個(gè)小單元格，建立了電池倉模型。如圖２所示。

3.2 傳感器位置的確定

由于電池倉屬于一個(gè)密閉空間，通過黃玉彪在密閉空間下的火災(zāi)煙氣填充特性及壁面熱傳導(dǎo)效應(yīng)[10]的研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)恒溫環(huán)境和低差溫環(huán)境對火災(zāi)煙氣的填充過程幾乎沒有影響，且溫度的傳播在一定范圍內(nèi)也不受影響，但是當(dāng)內(nèi)外界溫差過大時(shí)，內(nèi)部的溫度傳播會(huì)收到影響。由于我們只考慮由電池倉內(nèi)部引起的火災(zāi)安全，所以溫度的傳播在內(nèi)部不受影響。

由于此電池倉為對稱模型，且電池倉屬于密閉空間，沒有風(fēng)速，熱傳導(dǎo)不受影響，為了減少模擬時(shí)間，只對模型一半進(jìn)行火源設(shè)置。起火點(diǎn)位置與溫度分布對比如圖3所示。將火源位置分別設(shè)置在電池倉的正中央，坐標(biāo)位置為（0.7，0.37，0.02），工作界面如圖3（a）所示，仿真結(jié)果如圖3（b）；電池倉的前端，坐標(biāo)位置為（0.1，0.04，0.02）。工作界面如圖3（c）所示，仿真結(jié)果如圖3（d）；電池倉的一點(diǎn)，坐標(biāo)位置為（0.4，0.2，0.02）。工作界面如圖3（e）所示，仿真結(jié)果如圖3（f）。

圖3（b）、3（d）、3（f）中，紅色區(qū)域熱值最高，藍(lán)色區(qū)域熱值最低，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，熱量在電池倉內(nèi)迅速擴(kuò)散。本文采用溫度傳感器分別布置在電池的2個(gè)側(cè)面60（2*3*10）個(gè)傳感器和電池倉殼體對應(yīng)的80（8*10）個(gè)傳感器，一共140個(gè)溫度傳感器，如圖4黃色位置?？紤]到煙霧出現(xiàn)時(shí)擴(kuò)散速度比較快，且電池倉空間相對較小，設(shè)置兩個(gè)煙霧傳感器置于電池倉殼體頂部，如圖4綠色位置，具體布置位置如圖4所示。

將傳感器位置初步確定后，進(jìn)行失火模擬分析，將三個(gè)不同位置燃燒面的實(shí)驗(yàn)仿真得出的溫度數(shù)據(jù)。起火點(diǎn)坐標(biāo)位置分別為（0.4，0.2，0.02）得、（0.7，0.37，0.02）和（0.1，0.04，0.02）。通過三處不同位置起火點(diǎn)的仿真模擬，可以得出在不同位置起火的時(shí)候，溫度檢測器的檢測結(jié)果不一樣，但是在三處不同的位置起火時(shí)，有相同的溫度傳感器進(jìn)行了較為準(zhǔn)確的檢測。將三處不同的火災(zāi)監(jiān)測設(shè)備記錄的文件進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選，剔除記錄數(shù)據(jù)變化不明顯的傳感器編號，可以得到以下折線圖5。

通過對數(shù)據(jù)的對比分析，可以得出溫度傳感器1、z13、z23、z33、s23、s33、s43、x23、x33，在三處均可以明顯檢測到溫度的變化。傳感器位置如圖６所示。

由于模擬時(shí)候進(jìn)行了簡化處理，只放置了部分的傳感器，但在電池倉這個(gè)密閉空間內(nèi)，沒有風(fēng)速，溫度的傳導(dǎo)不受影響。有以上數(shù)據(jù)可進(jìn)行推斷在完整模擬過程中的傳感器檢測情況，便可以確定整個(gè)電池倉內(nèi)溫度傳感器的安裝位置，如圖7。對比于優(yōu)化前的傳感器位置，我們可以發(fā)現(xiàn)由紅色圓圈標(biāo)記的傳感器為被優(yōu)化掉的傳感器，其主要為分布在電池的周圍與電池直接接觸的60個(gè)溫度傳感器。

4 總結(jié)

本文旨在研究電動(dòng)車電池倉火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)中傳感器布局的優(yōu)化。通過對鋰離子電池在30℃環(huán)境溫度下充放電的溫度特性分析，探討了溫度變化對電池效率的影響。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合鋰離子電池燃燒的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析了熱失控時(shí)環(huán)境條件的變化，比較了常見傳感器的性能，以選擇合適的傳感器。通過Pyrosim火災(zāi)模擬電池倉失火，獲取溫度切片，初步確定傳感器的安裝位置。隨后再次利用Pyrosim火災(zāi)仿真，讀取傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對比篩選各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)，確定最合適的傳感器布局方案。該研究旨在優(yōu)化電動(dòng)車電池倉火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)中傳感器的布局，提升預(yù)警系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和有效性，從而增強(qiáng)電動(dòng)車電池倉的安全性。

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