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摘 要 近年來，儲能技術(shù)正在快速發(fā)展，但熱安全問題一直是限制其大規(guī)模推廣的要素之一。液冷型磷酸鐵鋰電池模組因其優(yōu)異的電化學性能和熱管理功能得到了廣泛應用，但仍無法杜絕濫用導致的熱失控失火，需要早期預警技術(shù)的介入以保障儲能系統(tǒng)正常運行。本工作利用嵌入式氣壓傳感器與磷酸鐵鋰電池液冷模組熱管理系統(tǒng)的配合，實時探測電池安全閥開啟時引起的氣壓突變，實現(xiàn)液冷模組熱失控早期預警。搭建液冷模組熱失控實驗平臺與Fluent流體仿真平臺研究液冷模組單體電池過充熱失控現(xiàn)象，驗證氣壓預警成效并分析過充過程中隨著電池內(nèi)部劣化程度的發(fā)展模組內(nèi)氣壓信號的波動情況及分布特征。結(jié)果表明，在空間體積為0.18 m3的液冷模組中采用1 C倍率對13 Ah磷酸鐵鋰單體電池過充時，電池安全閥開啟瞬間發(fā)生超200 Pa的氣壓突變，平均約304 s后達到熱失控最高溫；為進一步優(yōu)化氣壓傳感器選型及布置，研究了液冷模組前面板上各位置氣壓信號具體變化情況，得到氣壓傳感器采集頻率等參數(shù)的合適選擇范圍和最佳安裝位置。本項目研究成果為氣壓傳感器在液冷模組中的應用及安全防護提供了理論和數(shù)據(jù)支撐。
關鍵詞 液冷模組；磷酸鐵鋰電池；熱失控預警；氣壓探測
近年來，在碳達峰碳中和戰(zhàn)略不斷落實以及能源強國革命持續(xù)推進的背景下，儲能技術(shù)作為解決可再生能源大規(guī)模消納問題、推動電力系統(tǒng)綠色轉(zhuǎn)型的關鍵，其發(fā)展受到多方關注。然而，儲能系統(tǒng)熱安全問題制約著儲能技術(shù)的發(fā)展，電池溫度均勻性是衡量電池性能的一項重要指標，電池一旦在過充過放等異常工況下運行，極易出現(xiàn)局部溫度過高現(xiàn)象，從而縮短電池壽命、降低電池性能，甚至造成火災事故。液冷型磷酸鐵鋰電池模組具備鋪設管道熱傳導模式下的熱管理系統(tǒng)，能夠有效控制電池模組內(nèi)部溫差，這一顯著優(yōu)勢保障了電池模組高效率運行，使得液冷模組得以大規(guī)模推廣應用。
然而，液冷模組內(nèi)部電池數(shù)量眾多且空間非常有限，一旦出現(xiàn)電池過充過放等濫用行為，故障電池泄漏的可燃氣體可能引發(fā)密閉空間內(nèi)的劇烈爆炸現(xiàn)象。因此，針對液冷模組儲能系統(tǒng)，對其內(nèi)部電池熱失控特征信號提前探測和早期預警研究很有必要。目前已有的相關預警方法，例如有研究提出的電池表面溫度檢測，但電池表面溫度與內(nèi)部溫度有明顯差異，內(nèi)部溫度傳遞到電池表面需要時間，并且電池熱失控前溫升比較緩慢；有研究提出在線監(jiān)測電池熱失控特征氣體的預警方法，但氣體很難擴散到密閉模組外，且氣體擴散易受到氣流干擾；另外，有研究提出特征聲音預警，當電池安全閥開啟時，會產(chǎn)生特定頻率的聲音，但聲音傳播受到液冷模組外殼阻尼，具有一定局限性。
本工作通過搭建液冷型磷酸鐵鋰電池模組過充試驗平臺和Fluent流體仿真平臺，開展磷酸鐵鋰液冷模組單體電池過充實驗與仿真，驗證液冷模組氣壓預警方法的有效性，并進一步研究安全閥開啟瞬間模組內(nèi)氣壓信號的變化情況及分布特征，找到液冷模組中氣壓變化優(yōu)先級更高、變化幅度更大的監(jiān)測點位。研究發(fā)現(xiàn)，0.18 m3液冷模組中發(fā)生13 Ah磷酸鐵鋰單體電池過充熱失控時，距電池安全閥開啟不到2 s便能探測到整個模組內(nèi)部空間氣壓突變，最早探測時間可達0.25 s，此時電池表面溫升速率不超過0.5 ℃/s，距離熱失控最高溫的平均時間間隔為304 s，預警非常及時；液冷模組前面板上高度較高且偏離中心軸較遠的位置氣壓變化更明顯，適合傳感器安裝；氣壓傳感器采集頻率須大于0.5 Hz才能避免漏報，當頻率大于2 Hz時可采集到安全閥開啟產(chǎn)生的完整氣壓波形。本研究為氣壓傳感器在液冷模組等儲能系統(tǒng)中的使用、布置及選型提供了數(shù)據(jù)支撐和參考建議，對提高液冷模組儲能系統(tǒng)安全性具有一定意義。
1 液冷模組氣壓信號探測試驗
1.1 實驗布置
為探究基于微小氣壓信號探測的液冷型磷酸鐵鋰電池模組熱失控安全預警的有效性，本實驗在液冷模組過充實驗平臺中進行，通過過度充電觸發(fā)單體電池熱失控。該液冷模組尺寸為1 m×0.72 m×0.25 m，模組內(nèi)緊密排放12行4列共計48塊容量為13 Ah的磷酸鐵鋰單體電池。圖1(a)所示為過充電池與傳感器安裝位置，圖1(b)為液冷模組實物圖。試驗選用的主要預警設備芯片式氣壓傳感器布置在模組前面板四個相應位置(#1、#2、#3、#4)，型號為bmp280，該氣壓傳感器模塊具備成本低廉、體積小易固定、高精度、高靈敏度、自帶抗干擾等優(yōu)勢，同時它也存在一定缺陷，容易受到汽化電解液腐蝕、耐高溫能力有限，但綜合來看，該氣壓傳感器在實際應用中具有一定優(yōu)勢，以下試驗中設定傳感器采樣頻率為4 Hz，每0.25 s采集一個氣壓信號數(shù)值。
圖1 液冷模組過充實驗平臺
試驗采用1 C充電倍率先后對1號、2號位置的磷酸鐵鋰單體電池(電池初始狀態(tài)為0% SOC)進行過度充電直至安全閥開啟，實時記錄氣壓數(shù)據(jù)。液冷模組在充電過程中處于完全密封狀態(tài)。模組外部連接數(shù)據(jù)記錄儀和攝像機，用于記錄電池表面、安全閥口溫度和電壓，并監(jiān)控試驗現(xiàn)場狀況。
1.2 試驗過程及結(jié)果分析
1.2.1 1號電池過充過程及結(jié)果
充電過程電池表面及安全閥口溫度的變化曲線如圖2所示。電池正常充電過程中溫度上升速率比較緩慢；在3600 s左右電池充滿至100% SOC，此時電池表面溫度為32.2 ℃，之后進入過充導致的電濫用工況，電池溫度上升速率加快，電池內(nèi)部將發(fā)生鋰枝晶生長等劣化反應，副反應會帶來熱量和特征氣體等在電池內(nèi)部的積聚，導致電池內(nèi)部壓力持續(xù)升高。安全閥開啟時刻為4519 s，此時，電池表面溫度為75 ℃，溫升速率為0.2 ℃/s。安全閥開啟時安全閥口溫度突然降低約3 ℃，推測是因為安全閥泄漏的氣體溫度與閥口溫度不一致，并且氣體泄漏影響了閥口處的空氣流速，從而導致閥口溫度發(fā)生驟變。在4943 s時電池達到熱失控最高溫，認為此時電池已完全熱失控(完全熱失控指電池內(nèi)部完全短路，電池材料結(jié)構(gòu)破壞程度嚴重，無法復原)，此時距離安全閥開啟已有424 s。
圖2 溫度變化曲線
試驗過程中，液冷模組前面板上四個監(jiān)測點位的氣壓變化曲線如圖3所示。由此可見，在安全閥開啟之前，模組內(nèi)氣壓大小在初始值上下以微小幅度波動(為方便分析，已將傳感器檢測初始值修正到101 kPa)，而在安全閥開啟瞬間，四個傳感器的氣壓值幾乎同一時間發(fā)生明顯跳躍。
圖3 氣壓變化曲線
圖4為氣壓曲線的局部放大圖，安全閥開啟時，氣壓曲線呈現(xiàn)出一個指數(shù)函數(shù)衰減形式的波形，即氣壓上升過程幾乎是瞬間完成的，又迅速恢復至原始水平，之后氣壓出現(xiàn)了一個相對緩慢的上升和下降過程，可近似看作一個不規(guī)則的正態(tài)分布波形，判斷該過程是安全閥開啟后的緩慢泄氣行為，由此可見，安全閥開啟時的泄氣行為更短暫且劇烈，而后面的泄氣過程相對持久且平緩。
圖4 氣壓曲線局部放大圖
為了比較液冷模組前面板各處的氣壓變化情況，分別列出四個氣壓傳感器距安全閥開啟時刻的反應時延、氣壓上升峰值、從初始值上升至峰值所用時間以及從峰值恢復至初始狀態(tài)所用時間，對比如表1。
表1 安全閥開啟時氣壓數(shù)據(jù)
根據(jù)表1，安裝在#2點的傳感器最靈敏，反應時延比其他三個傳感器早1.5 s；其次，#2傳感器上升峰值最高，位于前面板下方的#3和#4兩個傳感器的上升峰值較低；氣壓上升時間和氣壓數(shù)值恢復時間四個傳感器保持一致，均為0.5 s和2 s。
1.2.2 2號電池過充過程及結(jié)果
第二組試驗的溫度結(jié)果如圖5，安全閥開啟時刻為5151 s，此時電池表面溫度為82.1 ℃，溫升速率為0.3 ℃/s，與第一組結(jié)果相比，溫度與溫升速率都較高，從而判斷電池內(nèi)部狀態(tài)較差，更接近熱失控。閥口溫度也出現(xiàn)了明顯下降，但其抖動程度大幅度減小，可能是電池安全閥放氣更均勻。在5339 s電池表面達到最高溫度271.1 ℃，距安全閥開啟已有188 s。
圖5 溫度變化曲線
相較于第一組，本組試驗電池安全閥開啟時刻更晚，究其原因，可能是該故障電池位置在最外層，相較于第一組電池位置緊密性弱，電池更容易發(fā)生膨脹，使電池內(nèi)部空間變大，延緩了壓力增長。這可能也是導致該故障電池熱失控程度發(fā)展更深的原因。
圖6和圖7展示了氣壓變化曲線和局部放大圖，在5151 s安全閥開啟后，同樣出現(xiàn)了指數(shù)衰減波形和后續(xù)的不規(guī)則正態(tài)分布波形；然而，本次試驗安全閥開啟時，連續(xù)出現(xiàn)了兩個上升波，說明安全閥開啟時連續(xù)進行了兩次泄氣行為。在大約5230 s時，氣壓出現(xiàn)了明顯的上升波，判斷是電池發(fā)生熱失控泄漏大量電解液導致的，本次試驗電池熱失控程度較為徹底。另外，安全閥開啟后氣壓呈現(xiàn)下降趨勢，且四個監(jiān)測點氣壓差較大，推測是受到模組內(nèi)部湍流和擾流的影響，5248 s左右傳感器受到高溫影響導致檢測出現(xiàn)異常。
圖6 氣壓變化曲線
圖7 氣壓曲線局部放大圖
第二組試驗四個傳感器數(shù)據(jù)總結(jié)如表2，與第一組結(jié)果一致，#2傳感器更靈敏且上升峰值最高，前面板高度較高的兩個傳感器檢測峰值較大；不同的是，氣壓變化幅度大了很多，符合前文推測，本次試驗安全閥開啟時電池內(nèi)部劣化程度更高。
表2 安全閥開啟時氣壓數(shù)據(jù)
1.2.3 試驗結(jié)果分析
綜合分析兩組試驗結(jié)果，首先，四個傳感器探測安全閥開啟時產(chǎn)生的氣壓突變信號的反應時延均不超過1.75 s，最短為0.25 s，驗證了液冷模組氣壓預警方法的靈敏性和及時性；兩組試驗中，#2傳感器的靈敏度最高，探測速度最快；其次，氣壓上升峰值從大到小依次為#2、#1、#4、#3，說明前面板高度較高的監(jiān)測點氣壓水平提升更大，偏離面板中間軸線較遠的監(jiān)測點氣壓變化更明顯；再者，兩次試驗氣壓從開始變化到升至峰值所用時間均在0.5～1 s，說明對于氣壓峰值的探測，要求傳感器采集頻率不小于2 Hz；氣壓恢復時間范圍在2～3.75 s，說明傳感器采集頻率須大于0.5 Hz才能避免漏掉安全閥開啟時的氣壓突變信號。1號電池安全閥開啟時氣壓上升幅度平均為200 Pa，而2號電池安全閥開啟時氣壓上升幅度平均為500 Pa，說明故障電池位置對模組內(nèi)氣壓變化影響不是很大，主要影響因素是安全閥開啟時電池內(nèi)部的劣化程度，比如內(nèi)部溫度大小、電池結(jié)構(gòu)崩壞程度等，不同程度的故障狀態(tài)對于安全閥開啟時產(chǎn)生的氣體量、產(chǎn)氣速率等有著較大影響。
綜上，建議氣壓傳感器采集頻率不小于2 Hz，量程的選擇應根據(jù)電池容量進行選擇，一般滿足200 Pa以上的氣壓波動即可；關于氣壓傳感器的布置，則是安裝在前面板高度較高且偏離中心軸線較遠的位置效果最佳。
2 液冷模組氣壓信號探測仿真
2.1 仿真設置和仿真方案
針對基于氣壓突變信號探測的液冷模組預警技術(shù)研究需求，搭建基于Ansys Fluent有限元仿真平臺的液冷模組1∶1仿真模型，研究安全閥開啟時液冷模組內(nèi)部氣壓信號的分布特性。
電池模組與內(nèi)部電池單元所包含的密閉區(qū)域為仿真空間，該仿真空間是一個氣體流域，初始狀態(tài)設置為空氣。在4×12的電池組中隨機選取一個單體電池充當故障電池，在該電池上面板中心取一個直徑2 cm的圓形入口作為安全閥出氣口，通過查閱相關研究發(fā)現(xiàn)，鋰電池安全閥開啟時泄漏的特征氣體主要為H2、C2H4、CO、CO2，四種氣體對應的摩爾質(zhì)量比約為0.3、0.12、0.06、0.52，噴氣速度呈現(xiàn)指數(shù)函數(shù)衰減，噴氣方向與安全閥垂直，均嚴格參照以上研究結(jié)論設置仿真參數(shù)。
仿真方案：本研究將開展三組仿真，①任選一個單體電池作為故障電池，模擬其安全閥開啟時的泄氣行為，根據(jù)仿真結(jié)果，分析前面板以及整個密閉模組空間的氣壓分布情況；②將六個不同位置單體電池設置為故障電池，在保證除故障電池位置不同以外其他仿真參數(shù)完全一致的前提下，分別對它們進行安全閥開啟行為仿真，對比前面板上各監(jiān)測點氣壓大小，分析液冷模組內(nèi)不同位置的單體電池安全閥泄氣對模組空間氣壓變化及分布的影響；③由于不同容量大小單體電池安全閥開啟時產(chǎn)氣量、產(chǎn)氣速度不同，通過改變某一單體電池安全閥產(chǎn)氣速度函數(shù)初始值大小，模擬不同容量電池的產(chǎn)氣行為，該仿真將安全閥開啟時產(chǎn)氣初始速率分別設置為40 m/s、60 m/s、80 m/s，對比氣壓變化情況。
2.2 仿真模型搭建
第一組液冷模組氣壓監(jiān)測仿真，模型搭建如圖8(a)所示，故障單體電池位置、監(jiān)測面和氣壓監(jiān)測點均在圖中標記。考慮到模組前面板左側(cè)與右側(cè)的對稱關系，猜想同一高度左右兩側(cè)監(jiān)測點氣壓不會有明顯差異，因而前文過充實驗中為避免接線過于復雜且增加不必要的偶然因素，選擇只在中間和右側(cè)布置監(jiān)測點。仿真在前面板左側(cè)添加氣壓監(jiān)測點，這并不會增加工作量和偶然性，同時也是為了驗證試驗前的猜想；第二組故障電池不同位置對比仿真，其模型如圖8(b)所示，圖中給出了6個故障電池的位置(#1～#6)以及3個氣壓監(jiān)測點位置。圖8(c)展示了第三組對比產(chǎn)氣速率仿真模型，標記了故障電池位置和氣壓監(jiān)測點。
圖8 仿真模型搭建
2.3 仿真結(jié)果
2.3.1 液冷模組氣壓監(jiān)測仿真結(jié)果
圖9為液冷模組整體氣壓水平最高時刻的氣壓分布3D渲染圖(t=1 s)，該仿真設置的安全閥開啟時間為t=1 s，即氣孔噴氣速度在t=1 s時由最大初始速度開始衰減。根據(jù)圖9可知，安全閥開啟后整個模組密閉空間內(nèi)氣壓擴散極快，幾乎瞬間便可使模組整體氣壓升至較大水平，平均提升約200 Pa(仿真結(jié)果均為相對氣壓，即修正大氣壓強為0)；并且，安全閥正上方區(qū)域氣壓變化最突出，而其他位置氣壓差異較小，整體差異小于20 Pa，因此圖9中模組氣壓沒有體現(xiàn)出明顯的層次，該結(jié)果一方面可能是由于模組空間狹小，另一方面氣壓是由氣體分子撞擊模組壁產(chǎn)生的，特征氣體噴出方向垂直向上，因而安全閥正上方區(qū)域氣壓變化最顯著，而傳遞到其他區(qū)域的氣壓信號均為經(jīng)過上面板緩沖后的氣壓，因此差異較小；為更加直觀地觀察氣壓分布規(guī)律，將故障電池中心軸所在的縱切面作為考察對象，該平面氣壓變化過程如圖10所示。
圖9 液冷模組3D氣壓云圖
根據(jù)圖10，t=1.02 s時模組整體氣壓水平略低于t=1 s，但t=1.02 s時安全閥上方區(qū)域氣壓要比t=1 s時安全閥上方氣壓高，說明安全閥在開啟后0.02 s內(nèi)的產(chǎn)氣能夠做到持續(xù)提升其上方部分區(qū)域內(nèi)的氣壓，而無法做到提升整個模組氣壓。究其原因，仿真設置的安全閥產(chǎn)氣速度曲線為理想的指數(shù)衰減曲線，在超過1 s瞬間(無限接近1 s)速度便達到峰值，而在1.02 s時，產(chǎn)氣速度已經(jīng)開始急劇下降。整個模組氣壓在不到0.02 s完成上升過程，隨后4秒內(nèi)逐漸衰減恢復至初始分布特征，因此傳感器采集頻率應不小于0.25 Hz；為進一步探究前面板上各處的氣壓分布特征，將模型圖中的六個監(jiān)測點(編號從左往右、從上到下依次為v1～v6)作為研究對象，氣壓變化曲線如圖11所示。
圖10 切面氣壓發(fā)展過程圖
圖11 前面板監(jiān)測點氣壓曲線
同一個水平方向的監(jiān)測點氣壓曲線幾乎重合，差異小于1%均值，水平方向氣壓變化差異在仿真中并未體現(xiàn)出來，推測是因為仿真環(huán)境處于理想條件下，與實際環(huán)境并不完全相同，安全閥實際噴氣方向可能并不是完全垂直向上；對于同一豎直方向不同測點，上方測點氣壓略高于下方測點，此結(jié)果與試驗一致，說明前面板上方氣壓變化更明顯。研究氣壓曲線具體數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，氣壓衰減趨于穩(wěn)定后，監(jiān)測點氣壓水平均大于初始值，說明模組整體氣壓水平有一定程度的提升，可能是安全閥開啟后模組內(nèi)部有氣體積累導致的。
2.3.2 改變故障電池位置仿真結(jié)果
不同位置故障電池的監(jiān)測點氣壓結(jié)果：
首先，對比電池#123與#456，發(fā)現(xiàn)軸向距離對前面板下面的三個監(jiān)測點的氣壓有規(guī)律性的影響，軸向距離前面板越近，氣壓上升越大，差異在37%～45%均值；通過對比電池#14、#25、#36，發(fā)現(xiàn)水平距離對前面板監(jiān)測點的氣壓同樣呈現(xiàn)規(guī)律性影響，水平向距離模組中心位置越近，氣壓上升越大，差異為7%～16%均值。根據(jù)上述分析得出，氣壓傳感器量程可以由中軸最近處(#1)和邊緣最遠處(#6)兩個典型位置的氣壓變化范圍綜合決定。
圖12 不同位置故障電池氣壓曲線(從左至右、從上至下依次為#1至#6)
2.3.3 改變產(chǎn)氣速率仿真結(jié)果
故障電池中心縱切面氣壓分布(t=1.02 s)以及監(jiān)測點的氣壓變化曲線如圖13所示。
圖13 切面氣壓分布和監(jiān)測點氣壓曲線
對比不同速率下的氣壓上升峰值以及氣壓恢復時間，發(fā)現(xiàn)安全閥產(chǎn)氣速率對模組內(nèi)氣壓上升程度影響較大，而對氣壓上升及恢復時間影響很小。在實際應用中，一般電池容量越大，安全閥產(chǎn)氣速率和產(chǎn)氣量越大，導致氣壓變化峰值的提升，因此選擇氣壓傳感器量程時需考慮電池容量大小。
3 結(jié)論
本工作通過搭建液冷型磷酸鐵鋰電池模組過充試驗平臺與Fluent流體仿真平臺，開展液冷模組單體電池過充實驗及仿真，驗證了電池安全閥開啟會引發(fā)密閉模組空間內(nèi)部氣壓的突變，當所采用的嵌入式氣壓傳感器探測到該信號并發(fā)出報警時，電池表面溫度平均約78 ℃，平均溫升速率不超過0.5 ℃/s，并超前電池達到最高溫時的完全熱失控平均304 s。進一步的研究表明，至少選擇采集頻率0.5 Hz的傳感器才能探測到氣壓突變信號，當頻率大于2 Hz時，基本能夠探測到完整氣壓變化波形；關于傳感器安裝位置優(yōu)化，試驗與仿真結(jié)果均表現(xiàn)為液冷模組前面板高度較高位置氣壓變化更明顯，并且試驗發(fā)現(xiàn)偏離面板中心軸較遠的監(jiān)測點氣壓變化更顯著，因此建議將氣壓傳感器安裝在高度較高且偏離中間的位置。在規(guī)模和容量更大的電池模組中，安全閥開啟時的產(chǎn)氣量更多、產(chǎn)氣速度更快，氣壓變化更明顯，有利于氣壓信號的探測。以上研究結(jié)論有助于液冷型磷酸鐵鋰電池模組的穩(wěn)定運行及安全防護。
