牛志遠(yuǎn) 姜 欣 謝 鑌 金 陽

電動(dòng)汽車過充燃爆事故模擬及安全防護(hù)研究

牛志遠(yuǎn)1姜 欣1謝 鑌2金 陽1

（1. 鄭州大學(xué)電氣工程學(xué)院 鄭州 450001 2. 杰斯康軟件（上海）有限公司 上海 200090）

頻繁發(fā)生的電動(dòng)汽車安全事故已經(jīng)嚴(yán)重影響了電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展，其中，由于過充電引發(fā)的安全事故占有相當(dāng)高的比例。為研究鋰離子電池電動(dòng)汽車過充電引發(fā)熱失控導(dǎo)致的燃燒爆炸事故，該文首先通過對(duì)磷酸鐵鋰電池模組進(jìn)行過充熱失控實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)電池模組在熱失控發(fā)展過程中引發(fā)爆炸的可燃?xì)庵饕煞譃槠娊庖海黄浯?，基于爆炸模擬軟件（FLACS）建立小型電動(dòng)汽車幾何模型，以鋰離子電池過充引發(fā)的汽化電解液為燃料進(jìn)行了電動(dòng)汽車爆炸特性研究，對(duì)比分析了不同方向泄壓設(shè)計(jì)的泄爆效果。研究發(fā)現(xiàn)，不同泄壓位置設(shè)計(jì)對(duì)爆炸沖擊波擴(kuò)散方向影響作用明顯，當(dāng)泄壓孔設(shè)置在電池艙側(cè)下方時(shí)，泄壓效果最好，可有效減小爆炸強(qiáng)度。在合理的設(shè)計(jì)下，改變泄壓孔的大小及開啟壓差可減小對(duì)周圍車輛的沖擊，盡可能地避免引燃相鄰車輛。

FLACS 電動(dòng)汽車 鋰離子電池 安全防護(hù)

0 引言

隨著全社會(huì)電動(dòng)汽車保有量的增加，電動(dòng)汽車動(dòng)力電池安全問題越來越引起市場的高度重視，對(duì)整個(gè)行業(yè)健康發(fā)展的影響也越來越顯著。與此同時(shí)，隨著其配套的基礎(chǔ)設(shè)施——充電樁的建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大[1-2]，公共充電安全開始成為動(dòng)力電池安全的主要問題之一。我國當(dāng)前的公共充電市場以60kW的快充樁為主，公共充電安全主要體現(xiàn)在電動(dòng)汽車采用快充服務(wù)時(shí)的安全性問題，包括電池表征安全、接口安全、通信安全、車輛安全和電池安全等[3-6]。

近年來，電動(dòng)汽車火災(zāi)事故頻發(fā)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，34%的電動(dòng)汽車火災(zāi)發(fā)生在靜置階段，24%發(fā)生在充電階段，這些非行駛工況下發(fā)生的自燃事故，引起了社會(huì)各界的極大擔(dān)憂，嚴(yán)重影響了公眾對(duì)電動(dòng)汽車行業(yè)的信心[7]。目前電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)使用的主要為鋰離子電池，包括磷酸鐵鋰、三元鋰等。磷酸鐵鋰電池由于體積大的問題，主要用于大型和中型客車；小型乘用電動(dòng)汽車鋰離子電池能量密度較高，主要裝配液態(tài)三元鋰電池[8]。鋰離子電池?zé)崾Э厥莿?dòng)力電池安全事故的核心原因[9-11]。更嚴(yán)重的是，高密度堆疊的鋰離子電池在熱失控過程中產(chǎn)生的可燃?xì)怏w具有很高的爆炸風(fēng)險(xiǎn)[12-13]。

目前，國內(nèi)外科研團(tuán)隊(duì)對(duì)于電動(dòng)汽車的動(dòng)力鋰離子電池的安全已有較多研究。王青松等[14]分析了單個(gè)鋰離子電池以及多電池模組的熱失控現(xiàn)象和相關(guān)火災(zāi)動(dòng)力學(xué)。Huang Lüwei等[15]使用相同容量和化學(xué)性質(zhì)的棱柱形和袋裝鋰離子電池進(jìn)行了內(nèi)部故障機(jī)制和外部特性的相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)不同的電池封裝模式對(duì)鋰離子電池在過充電過程中的熱失控行為有影響。李哲[16]利用階躍法研究了不同荷電狀態(tài)（State of Charge, SOC）的電動(dòng)汽車磷酸鐵鋰電池的充放電歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻。Hong Jichao等[17]基于電動(dòng)汽車電池溫度大數(shù)據(jù)引入異常系數(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度故障引起的熱失控的診斷和預(yù)警。

關(guān)于鋰離子電池的氣體燃燒爆炸研究也比較深入。A. R. Baird等[18]梳理總結(jié)了不同鋰離子電池的可燃?xì)怏w產(chǎn)生情況，提出爆炸相關(guān)參數(shù)的計(jì)算方法，對(duì)電池爆炸危險(xiǎn)性的量化具有重要意義。A. W. Golubkov等[19]分析了三種鋰離子電池在超過130℃時(shí)產(chǎn)生的氣體，其中磷酸鐵鋰電池產(chǎn)生的主要?dú)怏w成分為CO2、H2、CO、C2H4和CH4等。Liao Zhenhai等[20]對(duì)不同SOC的三元鋰電池的熱失控特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)可燃?xì)庵饕ㄌ佳趸铩⑻細(xì)浠衔锖吞細(xì)溲趸衔锏龋瑫r(shí)隨著荷電狀態(tài)的增加，產(chǎn)氣類型也更加復(fù)雜。郭超超等[21]指出鋰離子電池?zé)峤鈿怏w具有潛在爆炸危險(xiǎn)性，熱解氣體的爆炸極限范圍隨著荷電狀態(tài)的升高而增大，其爆炸極限范圍與普通烴類氣體爆炸極限范圍相比明顯較寬，易引起火災(zāi)爆炸事故。

然而，以上研究均未涉及電動(dòng)汽車過充應(yīng)用場景下的燃燒爆炸事故，且鮮有針對(duì)電動(dòng)汽車發(fā)生大規(guī)模燃燒爆炸的相關(guān)研究。通過數(shù)值模擬[22]仿真手段進(jìn)行鋰離子電池電動(dòng)汽車的爆炸事故模擬是比較切實(shí)可行的研究方案。

基于此，本文從電動(dòng)汽車在充電站過充情景出發(fā)，通過數(shù)值模擬仿真手段進(jìn)行鋰離子電池電動(dòng)汽車爆炸事故模擬。首先通過對(duì)磷酸鐵鋰電池模組進(jìn)行過充熱失控實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)電池模組在熱失控發(fā)展過程中引發(fā)爆炸的可燃?xì)庵饕煞譃槠娊庖?。其次，基于FLACS軟件，構(gòu)建了1:1尺寸的電動(dòng)汽車幾何模型，考慮真實(shí)場景的情況，以過充引發(fā)的鋰離子電池汽化電解液為燃料，對(duì)電動(dòng)汽車電池艙內(nèi)汽化電解液點(diǎn)火爆炸進(jìn)行全過程模擬分析。通過超壓和高溫等數(shù)據(jù)研究電池艙燃爆擴(kuò)散特性及對(duì)周圍環(huán)境的影響，并研究了改變泄壓孔的位置、大小及開啟壓力對(duì)泄爆效果的的影響。

1 鋰離子電池電動(dòng)汽車模型

1.1 鋰離子電池?zé)崾Э靥匦?/h3>

為明確電動(dòng)汽車電池艙的防爆需求，分析電池艙內(nèi)的氣體燃燒爆炸過程，本文通過搭建鋰離子電池?zé)崾Э卦囼?yàn)平臺(tái)，對(duì)8.8kW×h的磷酸鐵鋰電池模組進(jìn)行0.5倍率過充直至電池發(fā)生燃燒，從溫度、產(chǎn)氣等角度對(duì)電池?zé)崾Э剡^程[23-24]進(jìn)行全面分析。試驗(yàn)過程的可見光圖像主要畫面如圖1所示。

圖1 電池?zé)崾Э卦囼?yàn)可見光圖像主要畫面

圖1中，可見光圖像記錄將熱失控過程分為三個(gè)階段：①初始階段：從開始過充到白色煙氣逸出，此階段電池不斷鼓脹，頂部的安全閥陸續(xù)打開；②發(fā)展階段：從白色煙氣逸出到出現(xiàn)明火，此階段電池內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)不斷進(jìn)行，溫度持續(xù)升高，白色煙氣濃度逐漸增加；③燃燒階段：電池模組熱失控并發(fā)生劇烈燃燒直至爆炸。

通過對(duì)白色煙氣主要成分提取并進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，鋰離子電池的電解質(zhì)存在多種有機(jī)溶劑，以碳酸乙烯酯（C4H6O3, EC）為主，再輔以低黏度的有機(jī)溶劑，如碳酸丙烯酯（C4H6O3, PC）、碳酸二乙酯（C5H10O3, DEC）等，從而改善電解質(zhì)的綜合性能。有機(jī)溶劑的性能參數(shù)見表1。

表1 電解液溶劑的性能參數(shù)

Tab.1 Electrolyte solvent characteristics

由表1可以看出，電解質(zhì)有機(jī)溶劑的沸點(diǎn)和閃點(diǎn)較低。鋰離子電池發(fā)生熱失控時(shí)，內(nèi)部溫度在化學(xué)副反應(yīng)和正負(fù)極內(nèi)短路的作用下急劇升高，副反應(yīng)產(chǎn)生的大量氣體在電池內(nèi)部集聚并使內(nèi)部壓力升高，進(jìn)而撐開安全閥釋放壓力。隨后，內(nèi)部溫度超過有機(jī)溶劑的沸點(diǎn)時(shí)，有機(jī)溶劑迅速汽化，從安全閥處噴出后形成汽化電解液。

圖2為電池模組表面溫度變化曲線，其中溫度變化最劇烈的部位是上表面，最高溫度達(dá)520℃；其次是右表面以及左表面，變化最不明顯的是電池模組后表面。上表面與后表面的峰值溫差約有300℃，但不同位置的溫度變化趨勢和最大值出現(xiàn)時(shí)刻基本一致。

圖2 熱失控試驗(yàn)電池表面溫度變化曲線

熱失控試驗(yàn)主要?dú)怏w監(jiān)測記錄濃度曲線如圖3所示。其中H2量程和CO的量程均為0～0.10%，CO2量程為0～0.20%。

圖3 熱失控試驗(yàn)主要?dú)怏w監(jiān)測記錄濃度曲線

從圖3中可以看到，鋰離子電池?zé)崾Э匕l(fā)生后，H2濃度增長最為迅速，并在發(fā)展階段超出儀器量程；CO和CO2濃度都是在起始階段緩慢增加，并從發(fā)展階段中期迅速增加，且CO2濃度在燃燒階段的增速更高。從可見光畫面及溫度曲線可知，電池發(fā)生燃燒爆炸在1 500s前后，此時(shí)H2濃度剛剛突破量程約為0.1%，CO濃度為0.048%，在爆炸前遠(yuǎn)遠(yuǎn)未達(dá)到這兩類氣體的理論爆炸下限：4%和12.5%[25]。通過計(jì)算混合氣體的爆炸極限，結(jié)論依舊如此。因此，電池?zé)崾Э禺a(chǎn)生的氣體并不能引起電池爆炸。

通過熱失控試驗(yàn)可見光圖像可知，在汽化電解液充滿試驗(yàn)艙后電池發(fā)生了燃燒。

由此可以得出結(jié)論，在本次試驗(yàn)中，引發(fā)鋰離子電池發(fā)生燃燒爆炸事故的可燃?xì)庵饕獮榇罅恳莩龅钠娊庖?，而非電池?zé)崾Э胤磻?yīng)產(chǎn)生的氣體；多種有機(jī)溶劑混合的電解液在電池?zé)崾Э睾鬂舛炔粩嘣黾?，完全遮擋住監(jiān)控?cái)z像頭的視野，遇明火后即引發(fā)爆炸。

1.2 電動(dòng)汽車模型

1.2.1 數(shù)學(xué)模型

FLACS是一款基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)CFD技術(shù)的爆炸及擴(kuò)散的有限元數(shù)值模擬軟件。FLACS采用一個(gè)描述火焰發(fā)展的模型實(shí)現(xiàn)對(duì)燃燒和爆炸的建模，研究局部反應(yīng)隨濃度、溫度、壓力和湍流等參數(shù)的變化。該軟件可在三維笛卡爾網(wǎng)格上求解可壓方程N(yùn)avier Stokes，采用有理想氣體狀態(tài)方程和-湍流模型[26-27]。在爆炸過程中，所有狀態(tài)參數(shù)都遵循質(zhì)量、動(dòng)量、能量以及組分守恒方程?？刂品匠痰囊话阈问綖閇28]

式中，為通用求解變量（包括質(zhì)量、動(dòng)量、能量等變量）；為氣體密度（kg/m3）；x為在方向上的積分；u為方向上的速度矢量；為擴(kuò)散系數(shù)；為源項(xiàng)。

該方法考慮了火焰與裝置、管道、設(shè)備等的相互作用和影響，可直接對(duì)氣體爆炸沖擊波進(jìn)行計(jì)算。

FLACS軟件能夠研究復(fù)雜結(jié)構(gòu)的通風(fēng)情況，定義泄漏源的種類，氣體泄漏到復(fù)雜結(jié)構(gòu)的擴(kuò)散過程，和點(diǎn)燃這樣一個(gè)真實(shí)云團(tuán)，在更真實(shí)場景下研究爆炸過程。鋰離子電池在電池艙內(nèi)劇烈燃燒引發(fā)爆炸事故是一種典型的定容爆炸[29]，可燃?xì)怏w與空氣混合物在剛性容器內(nèi)的燃燒過程，整個(gè)過程容器體積保持不變。爆炸過程釋放的能量被氣體本身吸收，溫度升高，壓力升高，在化學(xué)計(jì)量比濃度下，定容爆炸的壓力可達(dá)到初始?jí)毫Φ?～8倍。

1.2.2 物理模型與幾何分布

參照某電動(dòng)汽車建立爆炸模擬物理幾何模型，該模型場景設(shè)置為電動(dòng)汽車在充電站中正常充電，電池管理系統(tǒng)（Battery Management System, BMS）失效情況下的電池過充引發(fā)熱失控。充電站長18m，寬7.5m，共6車位，如圖4和圖5所示。

圖4 電動(dòng)汽車鋰離子電池示意圖

如圖5a所示建立、軸，豎直向上方向建立軸，計(jì)算區(qū)域擴(kuò)大為30m×12m×8m。其中車位大小采用標(biāo)準(zhǔn)尺寸，長6m、寬2.5m。電動(dòng)汽車幾何模型長4.8m、寬1.8m、高1.6m、軸距2.7m。各電動(dòng)汽車軸間距7.2m，軸間距0.7m，并對(duì)各車輛進(jìn)行編號(hào)。在幾何模型中對(duì)電池艙附近網(wǎng)格進(jìn)行局部加密，在邊界區(qū)域?qū)⒕W(wǎng)格適當(dāng)拉伸，以在不影響結(jié)果的前提下縮短計(jì)算時(shí)間。

圖5 電動(dòng)汽車簡化物理模型及分布

圖5b顯示了電池艙位于乘員艙正下方，長2m、寬1.6m、高0.12m。圖5c顯示了充電樁位于車輛后方，電動(dòng)汽車充電口設(shè)置為車輛側(cè)后方，充電線路與電池艙連接處在電池艙后邊緣中部。圖5d顯示了不同泄壓孔的設(shè)置位置，以研究不同方向位置泄壓孔對(duì)泄爆效果的影響。泄壓板均為單向突破，每個(gè)泄壓孔中心點(diǎn)設(shè)置壓力監(jiān)測點(diǎn)觀察超壓變化。

1.2.3 爆炸相關(guān)參數(shù)

本文選取容量為某品牌電動(dòng)汽車55kW·h的磷酸鐵鋰電池作為可燃?xì)鈦碓?。根?jù)鋰離子電池模組的過充熱失控試驗(yàn)結(jié)論，可燃?xì)怏w的主要成分是鋰離子電池模組中的汽化電解液，其主要成分為碳酸丙烯酯（C4H6O3）、碳酸乙烯酯（C3H4O3）、碳酸二乙酯（C5H10O3）等有機(jī)物溶劑。在以下數(shù)值研究中將使用CH419%、CO 56%，H225%的混合氣體來等效汽化電解液。氣體等效方程為

由于實(shí)際電池爆炸事故多是因單體電池燃燒引發(fā)的連環(huán)燃燒，在密閉空間內(nèi)一旦不能及時(shí)遏制火勢，最終將會(huì)引發(fā)全部的電池組爆炸，故可以認(rèn)為對(duì)于電池模組容量一定的電池艙，燃料總量是確定的。根據(jù)單個(gè)鋰離子電池模組中電解質(zhì)的總量計(jì)算得到爆炸前的可燃?xì)怏w總量。從鋰離子電池?zé)崾Э卦囼?yàn)的可見光記錄可知，在汽化電解液充滿艙體后發(fā)生燃燒爆炸事故，故可以假設(shè)爆炸前電池內(nèi)的可燃?xì)怏w是大致均勻分布的。爆炸參數(shù)初始條件見表2。

表2 爆炸參數(shù)設(shè)置初始條件

Tab.2 Initial conditions of explosion parameters setting

為研究鋰離子電動(dòng)汽車爆炸對(duì)周圍的影響及泄壓孔對(duì)結(jié)果的影響，本文做了大量關(guān)于泄壓孔的對(duì)比研究，泄壓孔的參數(shù)設(shè)置見表3。五組仿真中泄壓孔開啟壓差均為10kPa。

表3 泄壓孔設(shè)置參數(shù)匯總

Tab.3 Summary of pressure relief hole setting parameters

爆炸車輛選擇為圖5a中①號(hào)車輛，起爆點(diǎn)設(shè)置為充電線路與電池艙連接處，即電池艙后邊緣中部。監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置共5個(gè)：P1位于電池艙內(nèi)部中心；P2位于乘員艙中心；P3位于電池艙下方中部；P4位于②號(hào)車側(cè)面；P5位于④號(hào)車后方。

表征氣體爆炸特征的參數(shù)主要有爆炸壓力、升壓速率、火焰溫度、火焰速度、燃燒速度等。為詳細(xì)描述電動(dòng)汽車爆炸對(duì)周圍環(huán)境的影響，本文選用溫度和超壓變化為輸出變量。

2 鋰離子電動(dòng)汽車電池艙氣體爆炸特性

以點(diǎn)火時(shí)刻為起始時(shí)間=0s，進(jìn)行仿真研究分析。Case1泄壓孔設(shè)置示意圖如圖6所示。

圖6 Case1泄壓孔位置示意圖

2.1 溫度變化分析

為了更清晰地呈現(xiàn)爆炸中火焰燃燒情況，對(duì)①號(hào)車輛所在區(qū)域進(jìn)行放大，并對(duì)其余部分做透明處理。爆炸過程中的溫度變化如圖7所示。

圖7 Case1溫度場3D變化

從圖7a可以看出，在爆炸發(fā)生初期，高溫從起爆點(diǎn)開始在電池艙內(nèi)部向前方蔓延，傳播速度極快，電池艙內(nèi)最高溫度達(dá)到2 158K；從圖7b可以看出，=0.14s時(shí)，電池艙內(nèi)所有電池模組均已熱失控，泄壓孔此時(shí)已被突破，高溫沿泄壓孔傳遞至車輛底部并向周圍擴(kuò)散；圖7c和圖7d分別顯示了=0.21s時(shí)的、軸的溫度剖面圖，可以看到此時(shí)高溫場以泄壓孔為中心，呈半球狀向四周擴(kuò)散，同時(shí)整個(gè)溫度場具有“內(nèi)高外低”特點(diǎn)，高溫已經(jīng)對(duì)車輛左右方向周圍1m處產(chǎn)生威脅。從圖7e和圖7f可以看出，在爆炸發(fā)生1.5s后，爆炸參數(shù)的高溫已經(jīng)蔓延至5m遠(yuǎn)，波及范圍非常大，并且隨著范圍的擴(kuò)大，高溫受超壓沖擊影響主要沿水平面、軸方向傳播，斜向傳播力度較小。

監(jiān)測點(diǎn)P1和P3的溫度數(shù)據(jù)說明了電池艙內(nèi)部的具體情況，如圖8所示。

圖8 Case1電池艙內(nèi)外溫度變化

從圖8可以看出，電池點(diǎn)燃后，燃燒約0.1s后傳遞至電池艙中部，溫度急劇升高，在達(dá)到2 100K時(shí)泄壓孔打開，溫度不再攀升，并隨著時(shí)間開始緩慢下降。泄壓孔打開后，電動(dòng)汽車底部溫度迅速升高至800K后停止，在0.6s后開始平穩(wěn)下降。

由此可以得出結(jié)論：=0.1s時(shí)泄壓孔打開，電池艙內(nèi)產(chǎn)生的多余熱量傳遞至電池艙外；0.8s后電池艙內(nèi)產(chǎn)生的熱量基本輸送完成，電池艙內(nèi)外均開始降溫，同時(shí)泄壓孔內(nèi)部溫度明顯高于外部溫度。

2.2 超壓變化分析

圖7和圖8已顯示出①號(hào)電動(dòng)汽車電池艙爆炸的溫度變化情況。為了探究對(duì)周圍環(huán)境的沖擊情況，選取各監(jiān)測點(diǎn)超壓變化作為輸出變量，超壓變化如圖9所示。

圖9顯示了①號(hào)電動(dòng)汽車電池艙監(jiān)測點(diǎn)的超壓變化曲線，可以驗(yàn)證，泄壓孔在=0.12s左右被突破，由于P1監(jiān)測點(diǎn)距泄壓孔有5cm距離，故P1監(jiān)測點(diǎn)最大超壓僅9.2kPa；在沖擊波突破泄壓孔后，此處超壓急劇減小，泄壓孔下方P3監(jiān)測點(diǎn)超壓最大值為0.7kPa，遠(yuǎn)低于電池艙內(nèi)部超壓，推測是由于電池艙形狀呈“大而薄”的特點(diǎn)，泄壓孔在下方承受壓力較小。P2、P4、P5監(jiān)測點(diǎn)超壓均較小，說明電池艙爆炸對(duì)周圍環(huán)境的超壓沖擊較小。

圖9 Case1各監(jiān)測點(diǎn)超壓變化

仿真結(jié)果表明：電動(dòng)汽車電池艙爆炸發(fā)生0.12s后泄壓孔即被突破，產(chǎn)生的高溫可達(dá)2 158K；電動(dòng)汽車爆炸對(duì)周圍環(huán)境的影響方式主要通過高溫，而非超壓沖擊波，超壓沖擊波主要在電池艙內(nèi)部作用，電池艙艙體材料的承壓能力至關(guān)重要；電池艙爆炸產(chǎn)生的高溫在沿泄壓孔傳遞出去后，主要沿水平方向向四周傳播，傳播范圍較大，極易引起周圍充電樁和其他車輛燃燒。

3 鋰離子電動(dòng)汽車安全防護(hù)

電動(dòng)汽車電池艙的爆炸事故對(duì)周圍環(huán)境影響巨大，接下來本文將研究泄壓孔的不同參數(shù)對(duì)泄爆效果的影響。

3.1 不同方向泄壓孔泄壓效果對(duì)比

Case 1中泄壓孔在電動(dòng)汽車底部，Case 2和Case3將通過改變泄壓孔的位置，以實(shí)現(xiàn)不同方向泄壓的效果。

3.1.1 側(cè)向泄壓

Case 2泄壓孔設(shè)置示意圖如圖10所示。Case 2爆炸過程中的溫度變化如圖11所示。Case 2監(jiān)測點(diǎn)超壓變化如圖12所示。

圖10 Case2泄壓孔位置示意圖

圖11 Case 2溫度變化

圖12 Case 2監(jiān)測點(diǎn)超壓變化

從圖11a和圖11b可以看出，=0.1s前后爆炸產(chǎn)生的沖擊波已突破泄壓孔向車外傳播，電池艙內(nèi)最高溫度達(dá)2 151K；圖11c和圖11d分別為=0.23s時(shí)的車輛剖面圖和全貌；圖11g為=0.23s時(shí)的2D平面圖，可以看到高溫主要沿兩側(cè)泄壓孔向車輛側(cè)下方蔓延，此時(shí)車輛正下方形成短暫的“真空”地帶；從圖11e和圖11f可以看到，隨著時(shí)間的推移，高溫主要沿著軸傳播，此時(shí)相鄰車輛將受到更大威脅，引起燃燒的概率更大。

從圖12可以看出，在=0.07s時(shí)，泄壓孔就已突破閥值打開，之后由于外部空氣充足，部分燃料被沖出艙外后燃燒，形成短時(shí)間的負(fù)壓區(qū)，超壓方向改變。

仿真結(jié)果表明，當(dāng)泄壓方向改變至側(cè)面時(shí)，由于泄壓孔位置處于電池艙體最大受力區(qū)，升壓速率更高，泄壓孔突破時(shí)間提前至0.07s。電池艙內(nèi)最高溫度變化不大。沖擊波在沖破泄壓孔后，泄壓方向集中于兩側(cè)，在軸傳播更遠(yuǎn)，威力更大。而充電站內(nèi)左右相鄰車輛在軸相距僅0.7m，極易引起燃爆事故。

3.1.2 頂部泄壓

Case3泄壓孔設(shè)置如圖13所示，Case3爆炸過程中的溫度變化如圖14所示。

圖13 Case3泄壓孔位置

圖14顯示了Case3的溫度變化，每個(gè)分圖上圖為3D溫度場，下圖為對(duì)應(yīng)時(shí)刻的2D平面。從圖14b可以看出高溫在突破泄壓孔后充滿乘員艙，僅0.98s后，電動(dòng)汽車乘員艙內(nèi)部基本被800K以上的高溫完全占據(jù)，最高溫度達(dá)2 020K；從圖14c、圖14d可以看出，艙外高溫區(qū)不斷擴(kuò)大，高溫主要通過車窗向上方傳播，對(duì)相鄰車輛影響較小。

仿真結(jié)果表明，當(dāng)電池艙上方設(shè)計(jì)為泄壓位置時(shí)，雖然對(duì)周圍車輛影響最小，但這種做法是以犧牲乘員艙為代價(jià)，沒有實(shí)用價(jià)值。

3.2 不同大小泄壓孔泄壓效果對(duì)比

接下來2組仿真泄壓孔均在電動(dòng)汽車底部，Case4和Case5通過改變泄壓孔的大小，以實(shí)現(xiàn)不同面積泄壓的效果對(duì)比。

3.2.1 Case4

Case4泄壓孔大小設(shè)置為1.5m×1m，位置同Case1，Case4爆炸過程中的溫度變化如圖15所示。

圖15 Case4溫度變化

圖15b、圖15c為=0.09s時(shí)刻的電動(dòng)汽車橫縱面3D剖面圖，此時(shí)泄壓孔已經(jīng)打開，泄壓孔下方區(qū)域基本已被高溫覆蓋，平均溫度達(dá)1 600K；從圖15d可以看出，增大泄壓孔面積后，整個(gè)電池艙下方區(qū)域明顯被高溫充滿，下方區(qū)域平均溫度明顯升高；從圖15e、圖15f可以看出，高溫沖擊波傳播力度明顯減弱。

Case4電池艙內(nèi)外溫度變化如圖16所示。從圖16可以看出，增大泄壓孔面積后，電池艙在=0.08s時(shí)泄壓孔打開時(shí)，監(jiān)測點(diǎn)P1、P3溫度有短暫下降，但此時(shí)電池艙內(nèi)燃燒反應(yīng)還在繼續(xù)，不斷產(chǎn)生的熱量迅速將泄壓孔內(nèi)外的溫度抬升，最高溫度達(dá)到2 100K左右，持續(xù)至=0.6s后溫度開始平穩(wěn)下降。其中P2、P5未檢測到溫度變化，所以在圖16中未列出。

圖16 Case4電池艙內(nèi)外溫度變化

Case4監(jiān)測點(diǎn)超壓變化如圖17所示。從圖17可以看出，由于泄壓孔增大，電池艙下方監(jiān)測點(diǎn)P3超壓峰值明顯升高，達(dá)到4kPa。

圖17 Case4監(jiān)測點(diǎn)超壓變化

3.2.2 Case 5

Case 5泄壓孔大小設(shè)置為2m×1.5m，位置居于電池艙下方中部，Case 5爆炸過程中的溫度變化如圖18所示。

從圖18可以看出，當(dāng)泄壓孔面積繼續(xù)增大時(shí)，泄壓孔打開后最高溫度仍達(dá)到2 000K以上，但電池艙外平均溫度較低。

Case5電池艙內(nèi)外溫度變化如圖19所示。從圖19可以看出，此時(shí)泄壓孔附近最高溫度僅達(dá)1 700K，其余監(jiān)測點(diǎn)溫度均較低，維持在500K左右，但呈現(xiàn)出緩慢上升狀態(tài)，推測是隨著泄壓孔的打開，大量未燃的可燃物隨沖擊波傳遞至艙外，在空氣充足的車輛外部繼續(xù)燃燒。

Case5監(jiān)測點(diǎn)超壓變化如圖20所示。從圖20可以看出，P3監(jiān)測點(diǎn)最大超壓值為3kPa，產(chǎn)生的負(fù)壓最大約為1.8kPa。

圖19 Case5電池艙內(nèi)外溫度變化

圖20 Case5監(jiān)測點(diǎn)超壓變化

將Case1、Case4和Case5關(guān)鍵參數(shù)匯總為表4。

表4 不同面積泄壓孔泄壓效果對(duì)比

Tab.4 Comparison of pressure relief effects of pressure relief holes in different areas

從表4可以看出，在不改變泄壓位置的前提下，泄壓孔的降溫效果隨著泄壓面積的增大而增加。當(dāng)泄壓孔較小時(shí)，由于電池艙下方空間狹小，不會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓，當(dāng)泄壓孔面積足夠大時(shí)，大量的泄壓面積使單位面積壓強(qiáng)較小，產(chǎn)生的負(fù)壓值較??；當(dāng)泄壓孔面積居中時(shí)，產(chǎn)生負(fù)壓最大。

綜合對(duì)比Case1、Case4和Case5的泄壓效果，可以得出結(jié)論：隨著泄壓面積的增加，泄壓孔的降溫效果逐漸增加，整個(gè)車體所受的沖擊逐漸減小，但周圍環(huán)境所受的沖擊增加。

3.3 不同開啟壓差泄壓效果對(duì)比

為了探究不同開啟壓差對(duì)泄壓效果的影響，本文基于Case1依次做了1kPa、3kPa、5kPa、7.5 kPa、20 kPa和30 kPa的開啟壓差的泄壓模擬研究，如圖21所示。

圖21 不同開啟壓差下最高溫度對(duì)比曲線

不同開啟壓差下溫度峰值的仿真結(jié)果如圖21所示，可見即使在開啟壓力較低的7.5kPa條件下，爆炸所造成的最高溫度也可超過2 100K。當(dāng)開啟壓差超過7.5kPa后，溫度峰值隨泄壓孔開啟閾值的增加而提升，雖然幅值有限，均處2 150～2 250K之間，但仍反映出隨著泄壓孔開啟閾值的提升，沖擊波傳播受到的限制不斷增強(qiáng)。當(dāng)開啟壓差低于7.5kPa時(shí)，最高溫度沒有明顯下降?？梢娫诒驹囼?yàn)條件下，7.5kPa是一個(gè)較為合適的開啟閾值。

更高的開啟閾值導(dǎo)致更高的溫度，進(jìn)而增強(qiáng)對(duì)周圍環(huán)境的沖擊力。降低泄壓孔的開啟壓差可以有效降低爆炸的危害。實(shí)際條件仍需結(jié)合更多因素以確定合適的開啟閾值。

4 結(jié)論

本文通過試驗(yàn)確定了引起鋰離子電池模組爆炸的可燃物主要成分，基于FLACS建立了電動(dòng)汽車爆炸模型，分析了電動(dòng)汽車電池艙爆炸的產(chǎn)生過程和影響，并研究了改變泄壓孔對(duì)泄爆效果的的影響。

1）鋰離子電池模組熱失控后，產(chǎn)生CO2和H2等氣體含量不足以達(dá)到起爆極限，引起爆炸的主要物質(zhì)為汽化的碳酸丙烯酯（C4H6O3）、碳酸乙烯酯（C3H4O3）、碳酸二乙酯（C5H10O3）等有機(jī)物電解質(zhì)。

2）電動(dòng)汽車電池艙爆炸發(fā)生0.12s后泄壓孔即被突破，產(chǎn)生的高溫可達(dá)2 158K，電動(dòng)汽車爆炸對(duì)周圍環(huán)境的影響方式主要通過高溫，而非超壓沖擊波，傳播范圍較大，易引起周圍充電樁和其他車輛燃燒。

3）泄壓孔設(shè)置方向?qū)Ω邷貍鞑シ较蛴袥Q定性作用，泄壓孔設(shè)置時(shí)應(yīng)盡量減小對(duì)周圍環(huán)境的沖擊，可考慮在主要泄壓方向上裝設(shè)保護(hù)裝置；泄壓孔的設(shè)置面積對(duì)泄壓效果有很大影響，泄壓孔面積越大泄壓效果越好；降低泄壓孔的開啟壓差可以有效降低爆炸對(duì)周圍環(huán)境的危害。

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Study on Simulation and Safety Protection of Electric Vehicle Overcharge and Explosion Accident

Niu Zhiyuan1Jiang Xin1Xie Bin2Jin Yang1

（1. School of Electrical Engineering Zhengzhou University Zhengzhou 450001 China 2. Gexcon Software (Shanghai) Co. Ltd Shanghai 200090 China）

Frequent electric vehicle safety accidents have seriously affected the healthy development of the electric vehicle industry. Among them, safety accidents caused by overcharging account for a high proportion. In order to study the combustion and explosion accidents caused by thermal runaway caused by overcharge of lithium ion battery electric vehicles, this article first conducted an overcharge runaway experiment on lithium iron phosphate battery modules, and found that the battery modules exploded in the process of thermal runaway development. The main component is vaporized electrolyte. Secondly, a geometric model of a small electric vehicle was established based on the explosion simulation software FLACS. The explosion characteristics of the electric vehicle were studied using the vaporized electrolyte caused by the overcharge of the lithium-ion battery as fuel, and the explosion venting effects of pressure relief designs in different directions were compared and analyzed. The study found that the design of different pressure relief positions has a significant effect on the direction of the explosion shock wave diffusion. When the pressure relief hole is arranged below the side of the battery compartment, the pressure relief effect is the best, which can effectively reduce the explosion intensity. Under a reasonable design, changing the size of the pressure relief hole and the opening pressure difference can reduce the impact on surrounding vehicles and avoid igniting adjacent vehicles as much as possible.

FLACS, electric vehicle, lithium-ion battery, security

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.211276

TM911

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51807180）。

2021-08-14

2021-08-27

牛志遠(yuǎn) 男，1997年生，碩士研究生，研究方向?yàn)殡姵匕踩胺雷o(hù)。E-mail：niuzzyy@163.com

金 陽 男，1989年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娋W(wǎng)儲(chǔ)能與電動(dòng)汽車安全防護(hù)。E-mail：yangjin@zzu.edu.cn（通信作者）

（編輯 郭麗軍）