中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：
摘 要 鋰離子電池在熱失控過(guò)程中將產(chǎn)生大量可燃性氣體，是導(dǎo)致儲(chǔ)能系統(tǒng)燃爆的主要風(fēng)險(xiǎn)。為研究系統(tǒng)尺度鋰電池?zé)崾Э乜扇細(xì)怏w的生成及擴(kuò)散規(guī)律，本文首先通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試了某磷酸鐵鋰電池在不同熱失控觸發(fā)條件下的產(chǎn)氣組成?；趯?shí)驗(yàn)結(jié)果，建立了預(yù)制艙儲(chǔ)能系統(tǒng)熱失控過(guò)程產(chǎn)氣及擴(kuò)散仿真模型，并分析了不同位置電池單體觸發(fā)熱失控后的可燃?xì)怏w擴(kuò)散規(guī)律。結(jié)果顯示，在釋放的氣體中，H2占比約30%，且不受空氣組分影響，更適合作為電池?zé)崾Э氐木鏆怏w；經(jīng)模擬發(fā)現(xiàn)，在電芯防爆閥打開(kāi)3 s內(nèi)，H2主要集中于電池模塊區(qū)域，隨著風(fēng)冷循環(huán)，向電池模塊外部間區(qū)域位置進(jìn)行擴(kuò)散，在120 s內(nèi)將擴(kuò)散至整個(gè)儲(chǔ)能電池艙；基于此，給出了針對(duì)該儲(chǔ)能艙最優(yōu)的氣體傳感器及風(fēng)道布置方案。本文研究結(jié)果能夠?yàn)閮?chǔ)能系統(tǒng)可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)點(diǎn)布局與排放路徑設(shè)計(jì)提供參考。
關(guān)鍵詞 熱失控；產(chǎn)氣特性；鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)；數(shù)值仿真；氣體擴(kuò)散
儲(chǔ)能技術(shù)是推動(dòng)世界能源清潔化和高效化，破解能源資源和環(huán)境約束，實(shí)現(xiàn)全球能源轉(zhuǎn)型升級(jí)的核心技術(shù)之一。據(jù)《全球儲(chǔ)能市場(chǎng)跟蹤報(bào)告2023.Q3》顯示，截至2023年9月，中國(guó)已投運(yùn)電力儲(chǔ)能項(xiàng)目累計(jì)裝機(jī)規(guī)模75.2 GW，其中，鋰離子電池占據(jù)絕對(duì)主導(dǎo)地位。這得益于鋰離子電池自放電率低、循環(huán)壽命長(zhǎng)、能量密度高等優(yōu)點(diǎn)。然而，安全問(wèn)題已成為鋰電池儲(chǔ)能電站的首要問(wèn)題。鋰離子電池采用沸點(diǎn)低、易燃的有機(jī)電解液，且材料體系熱值高，在電池本體或電氣設(shè)備等產(chǎn)生故障后，易觸發(fā)電池?zé)崾Э?，產(chǎn)生大量可燃?xì)怏w并造成熱失控?cái)U(kuò)散，進(jìn)而演化成儲(chǔ)能系統(tǒng)燃燒爆炸等事件。因此，熱失控的及時(shí)預(yù)警對(duì)于儲(chǔ)能系統(tǒng)穩(wěn)定安全運(yùn)行至關(guān)重要。
在當(dāng)前的儲(chǔ)能系統(tǒng)中，熱失控告警通?；诒砻鏈囟群碗妷?。然而，鋰離子電池產(chǎn)生的熱量主要來(lái)自?xún)?nèi)部電化學(xué)反應(yīng)，通過(guò)電池體的傳熱關(guān)系反映在表面溫度的變化中，導(dǎo)致表面溫度具有一定的滯后性，且隨著電池極化的增加，通過(guò)電壓來(lái)警告電池?zé)崾Э匾灿l(fā)不可靠。鋰電池在發(fā)生安全故障早期階段時(shí)，除了溫度和電壓發(fā)生變化，內(nèi)部化學(xué)物質(zhì)會(huì)相互反應(yīng)產(chǎn)生氣體，使電池的內(nèi)部壓力超過(guò)電池頂部安全閥的設(shè)計(jì)壓力。電池安全閥打開(kāi)，電池副反應(yīng)的產(chǎn)氣被釋放到電池外。在這一過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生壓力、聲音和氣體信號(hào)。文獻(xiàn)[12]將空氣環(huán)境壓力變化作為預(yù)警信號(hào)，雖然空氣壓力可以在溫度快速升高之前給出信號(hào)，但需要根據(jù)實(shí)際電池、電池組、系統(tǒng)冷卻結(jié)構(gòu)等來(lái)校準(zhǔn)閾值，且在強(qiáng)制風(fēng)冷場(chǎng)景其報(bào)警的準(zhǔn)確性可能需進(jìn)一步驗(yàn)證。文獻(xiàn)[13]首次將鋰電池?zé)崾Э嘏艢獾穆曅盘?hào)運(yùn)用于熱失控告警，該方法基于電池安全閥聲信號(hào)預(yù)警電池?zé)崾Э?，?bào)警準(zhǔn)確率達(dá)92.31%，這一結(jié)果顯示，氣體聲信號(hào)對(duì)于鋰電池?zé)崾Э鼐哂泻芨叩拿舾行?。然而，基于聲信?hào)進(jìn)行的熱失控告警，由于儲(chǔ)能系統(tǒng)中噪聲的存在，難免引起誤報(bào)及告警丟失的問(wèn)題，需進(jìn)一步地優(yōu)化及檢驗(yàn)。文獻(xiàn)[14]在電池過(guò)充實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，氣體相對(duì)于溫度、電壓、壓力應(yīng)變等特征，具有更短的時(shí)間響應(yīng)特征，可以用于早期電池?zé)崾Э仡A(yù)警。其他針對(duì)鋰電池?zé)崾Э貧怏w的研究，大都集中在產(chǎn)氣的機(jī)理及釋放氣體的種類(lèi)上面，對(duì)于儲(chǔ)能系統(tǒng)中氣體預(yù)警及擴(kuò)散規(guī)律研究較少。而在實(shí)際工程中，電池以模組形式應(yīng)用，特別是在儲(chǔ)能系統(tǒng)中，大部分采用方形大容量磷酸鐵鋰電池模組。研究?jī)?chǔ)能系統(tǒng)電池?zé)崾Э剡^(guò)程中可燃?xì)怏w產(chǎn)生和擴(kuò)散的機(jī)制，分析氣體在系統(tǒng)中的運(yùn)輸規(guī)律，對(duì)于儲(chǔ)能系統(tǒng)精準(zhǔn)監(jiān)控預(yù)警及高效安全運(yùn)行具有重要意義。
針對(duì)上述現(xiàn)狀，本文通過(guò)鋰電池?zé)崾Э禺a(chǎn)氣測(cè)試，對(duì)某個(gè)實(shí)際儲(chǔ)能系統(tǒng)中的單體方形電池?zé)崾Э剡^(guò)程進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)與產(chǎn)氣收集，分析熱失控過(guò)程的產(chǎn)氣特性及氣體成分與比例。在此基礎(chǔ)上，采用數(shù)值仿真方法，對(duì)40尺(1尺=0.333 m)預(yù)制艙式儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行建模，模擬預(yù)制艙中頂部及底角區(qū)域電池模組的熱失控及產(chǎn)氣過(guò)程，重點(diǎn)分析這一過(guò)程中可燃?xì)怏w的運(yùn)輸與擴(kuò)散規(guī)律，為儲(chǔ)能系統(tǒng)氣體傳感器布置及氣體排放結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了參考。
1 電池?zé)崾Э禺a(chǎn)氣測(cè)試
1.1 產(chǎn)氣測(cè)試
為了獲取電池不同熱失控觸發(fā)方式產(chǎn)生的可燃?xì)怏w類(lèi)型及組分濃度，本文分別對(duì)電池過(guò)熱和過(guò)充觸發(fā)熱失控過(guò)程進(jìn)行了測(cè)試分析。測(cè)試的全過(guò)程利用鋰電池?zé)崾Э乇O(jiān)測(cè)和可燃?xì)怏w收集實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(圖1)。通過(guò)監(jiān)測(cè)溫度、氣體生成和擴(kuò)散等參數(shù)，研究電池在不同條件下的熱失控過(guò)程。溫度測(cè)試結(jié)果用以驗(yàn)證下文構(gòu)建的鋰電池?zé)崾Э啬Ｐ?；氣體分析結(jié)果旨在驗(yàn)證電池?zé)崾Э剡^(guò)程中的產(chǎn)氣特性，獲取的電池不同熱失控階段產(chǎn)生的可燃?xì)怏w類(lèi)型及體積濃度，為數(shù)值模型提供仿真數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
圖1 鋰電池?zé)崾Э禺a(chǎn)氣實(shí)驗(yàn)裝置示意圖
1.2 測(cè)試結(jié)果
1.2.1 過(guò)熱熱失控測(cè)試結(jié)果
圖2為電芯過(guò)熱熱失控前后變化，從圖中可以看出，軟包鋰電池在發(fā)生熱失控后鼓脹變形嚴(yán)重，表明熱失控過(guò)程鋰電池內(nèi)部產(chǎn)生了大量的氣體。熱失控過(guò)程壓力變化如圖3所示，從圖中看出，熱失控初期罐體內(nèi)部壓力變化較小，而在熱失控中后期，內(nèi)部壓力超過(guò)軟包電池邊緣粘合的壓力而快速排出，使得罐體內(nèi)壓力迅速上升，此時(shí)罐體內(nèi)部壓力主要來(lái)自過(guò)熱反應(yīng)內(nèi)部正負(fù)極間的產(chǎn)氣反應(yīng)。
圖2 過(guò)熱熱失控前后電芯照片
圖3 軟包鋰電池?zé)崾Э貕毫ψ兓?
（1 bar=100 kPa）
將鋰電池過(guò)熱熱失控過(guò)程1469.25分鐘時(shí)釋放的氣體收集后進(jìn)行成分和比例分析，結(jié)果如圖4所示，從圖中可以看出，熱失控后產(chǎn)生的氣體分別為CO2、H2、C2H4、CO、CH4等，均以碳-氫類(lèi)的產(chǎn)物為主，在所有的氣體組成中，CO2的比例最大(51.3%)，其次是H2和C2H4。H2是因?yàn)轲そY(jié)劑在負(fù)極發(fā)生還原分解反應(yīng)。
圖4 過(guò)熱熱失控氣體組成和占比
1.2.2 過(guò)充熱失控測(cè)試結(jié)果
圖5為電芯過(guò)充失控后的照片，從圖中可以看出軟包電池外側(cè)鋁塑膜鼓脹嚴(yán)重，但整體表面較清潔，無(wú)灼燒痕跡，表明過(guò)充熱失控產(chǎn)生的氣體未發(fā)生燃燒。在過(guò)充電的過(guò)程中，鋰電池初期階段形成的鋰的沉積極易在高的電壓下發(fā)展成鋰的枝晶；然后，內(nèi)部產(chǎn)生鋰枝晶又和電解液發(fā)生反應(yīng)，生成一些烷烴類(lèi)氣體，使得鋰電池發(fā)生鼓脹，由于鋁塑膜的密封強(qiáng)度有限，使得鋰電池內(nèi)部反應(yīng)生成的氣體產(chǎn)生的壓力將軟包鋰電池外部的鋁塑膜封口沖開(kāi)；但由于該反應(yīng)發(fā)生溫度大約100.1 ℃，并沒(méi)有后續(xù)持續(xù)輸入的能量，使得內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)沒(méi)有繼續(xù)，導(dǎo)致整個(gè)過(guò)充失控過(guò)程沒(méi)有發(fā)生電解液噴射或燃燒反應(yīng)。
圖5 過(guò)充后電池變化
將電池過(guò)充熱失控測(cè)試釋放的氣體收集后進(jìn)行成分和濃度測(cè)試，如圖6所示，從圖中可以看出，熱失控后產(chǎn)生的氣體分別為H2、CO2、CO、CH4、O2、C2H2、C2H4等，同樣均以碳-氫類(lèi)的產(chǎn)物為主，在所有的氣體組成中，H2的比例最大(35.6%)，其次是CO2和C2H4。
圖6 過(guò)充失控過(guò)程氣體組成和占比
以上結(jié)果顯示，鋰離子電池的產(chǎn)氣特征受濫用條件、荷電狀態(tài)、電池化學(xué)體系的影響較大，但是排氣的主要組分基本相同，包括H2、CO2、CO、CH4、C2H4等。其中，CO2及H2在兩種不同熱失控方式中的濃度最大。由于空氣中H2含量極低，使用H2作為預(yù)警氣體既能避免空氣中各氣體組分干擾，也能夠在早期更準(zhǔn)確地表征熱失控故障。由于系統(tǒng)尺度實(shí)驗(yàn)成本高昂，因此對(duì)于儲(chǔ)能系統(tǒng)熱失控氣體擴(kuò)散規(guī)律的研究，本文結(jié)合上述實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果，采用數(shù)值模擬方法重點(diǎn)分析H2在艙內(nèi)的濃度分布演化規(guī)律，旨在為設(shè)計(jì)可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)方案與排放路徑提供依據(jù)。
2 儲(chǔ)能系統(tǒng)模型
2.1 物理模型
該仿真模型基于某個(gè)鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，如圖7所示，該儲(chǔ)能系統(tǒng)長(zhǎng)10.64 m，寬2.59 m，高2.25 m，一共包含10個(gè)獨(dú)立并聯(lián)的電池簇，每個(gè)電池簇由38個(gè)串聯(lián)的模組構(gòu)成，每個(gè)模組一共包括6個(gè)并聯(lián)的邏輯單體，每個(gè)邏輯單體由8個(gè)LiFePO4鋰離子電池單體組成，每個(gè)電池簇一共有1824個(gè)電池單體，整個(gè)電池艙一共有18240個(gè)電池單體，單體電池容量和電壓分別為40 Ah和3.2 V，整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的額定功率與裝機(jī)容量為1 MW/2 MWh。另外，該儲(chǔ)能系統(tǒng)中共配置了兩個(gè)空調(diào)用以調(diào)節(jié)環(huán)境溫度，每個(gè)電池模塊固定在一個(gè)572 mm(長(zhǎng))×564 mm(寬)×160 mm(高)鋁制盒子中，盒子相對(duì)的兩側(cè)各設(shè)有格柵式通風(fēng)口，其中一個(gè)通風(fēng)口的外側(cè)安裝有三個(gè)風(fēng)扇用以強(qiáng)化電池散熱，風(fēng)扇與通風(fēng)口間隔20 mm，每個(gè)鋁制盒子內(nèi)部都安置了六個(gè)隔板用于加強(qiáng)固定鋰離子電池單體，電池模塊如圖8所示。單體電池為上述熱失控測(cè)試過(guò)程采用的層疊式方形電池，尺度為148 mm(長(zhǎng))×132.6 mm(寬)×27.5 mm(厚)，每層都是由正極、負(fù)極、隔膜、正集流體(鋁箔)、負(fù)集流體(銅箔)組成。
圖7 儲(chǔ)能系統(tǒng)示意圖
圖8 電池模塊示意圖
鋰電池的物性參數(shù)對(duì)三維熱模型準(zhǔn)確性有重要的影響，模型中磷酸鐵鋰電池的熱物性參數(shù)具體取值見(jiàn)表1。
表1 單體電池?zé)嵛镄詤?shù)
2.2 數(shù)學(xué)模型
整個(gè)計(jì)算區(qū)域包括以下部分：電池、空氣、鋁殼以及其他的一些結(jié)構(gòu)件和支撐件。這些區(qū)域的控制方程，包括質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒控制方程，用以求解這些區(qū)域的流體行為和熱轉(zhuǎn)移過(guò)程。
其中，空氣側(cè)的控制方程為：
電池側(cè)和鋁板，結(jié)構(gòu)件的控制方程僅為能量守恒方程，分別為：
2.3 初始條件與邊界條件設(shè)置
在模擬的初始時(shí)刻，儲(chǔ)能艙內(nèi)為熱平衡狀態(tài)，電池，空氣、鋁板等部件與環(huán)境溫度相同，均為25 ℃?？照{(diào)的出風(fēng)口和回風(fēng)口分別為空氣域的流入邊界和流出邊界，艙內(nèi)各固壁邊界為無(wú)滑移邊界。
鋰離子電池內(nèi)部不同電芯所面臨的散熱條件不同，對(duì)位于電池內(nèi)部的電芯，主要以熱傳導(dǎo)方式向鄰近位置電芯傳熱；而最外層電芯將直接面向外部環(huán)境散熱，散熱方式包括對(duì)流換熱及輻射換熱等。本文將不同的散熱方式都等效為對(duì)流換熱處理，因此，換熱邊界條件統(tǒng)一為如下形式：
2.4 數(shù)值求解策略和網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證
基于有限體積法(FVM)求解模塊的熱流體模型。采用SIMPLE方法(semi-implicit method for pressure linked equation) 處理壓力和速度耦合。采用二階迎風(fēng)差分格式對(duì)流項(xiàng)的偏微分方程進(jìn)行離散。采用一階隱式對(duì)瞬態(tài)項(xiàng)進(jìn)行離散化。
由于系統(tǒng)內(nèi)電池模塊內(nèi)部流場(chǎng)包含的特征尺寸最小，為了驗(yàn)證網(wǎng)格無(wú)關(guān)性，本文選取了其中一個(gè)模塊開(kāi)展網(wǎng)格無(wú)關(guān)性研究。結(jié)構(gòu)網(wǎng)格中包含了203800個(gè)六面體單元，取電池1C放電，初始化為308 K，風(fēng)速為1 m/s的工況，對(duì)于網(wǎng)格數(shù)為100800、329830的數(shù)值網(wǎng)格模型，得到模塊的最高溫度分別為321.425485 K、321.495421 K，與本文采用的203800數(shù)值網(wǎng)格模型相比，相對(duì)偏差為0.01226%，0.0095%。結(jié)果表明，所采用的網(wǎng)格大小能夠給出足夠高的精度。
結(jié)合實(shí)驗(yàn)過(guò)程電池?zé)崾Э噩F(xiàn)象，本文重點(diǎn)研究?jī)?chǔ)能艙內(nèi)某電池?zé)崾Э剡^(guò)程防爆閥打開(kāi)，產(chǎn)生的H2由電池內(nèi)部排出及擴(kuò)散過(guò)程。仿真模型建立時(shí)，系統(tǒng)模型中不僅包含了電池模塊插箱內(nèi)所有結(jié)構(gòu)固體域及流體域，還包含插箱外部整倉(cāng)空氣流體域、高壓盒固體域以及空調(diào)進(jìn)出風(fēng)口、風(fēng)道等結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)如圖9所示。
圖9 儲(chǔ)能系統(tǒng)的數(shù)值網(wǎng)格
2.5 模型驗(yàn)證
由于針對(duì)上述儲(chǔ)能系統(tǒng)尺度的熱失控實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證成本過(guò)大，難以實(shí)施。對(duì)于整個(gè)儲(chǔ)能艙，熱失控蔓延和氣體擴(kuò)散均符合傳熱學(xué)和組分輸運(yùn)基本原理，即熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射和組分守恒方程，這在本文模型建立中均有考慮。因此，下面通過(guò)熱失控產(chǎn)氣測(cè)試中對(duì)單體磷酸鐵鋰電池的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證仿真模型。
圖10為鋰電池?zé)崾Э貢r(shí)溫度的仿真值與實(shí)驗(yàn)測(cè)試值，溫度測(cè)試過(guò)程發(fā)現(xiàn)單體磷酸鐵鋰電池的自加熱溫度為86.07 ℃，該溫度由貼附在電池表面的溫度傳感器測(cè)得。數(shù)值仿真設(shè)置了磷酸鐵鋰電池的常見(jiàn)自加熱溫度90 ℃。通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，仿真電池在7萬(wàn)秒左右出現(xiàn)熱失控，實(shí)驗(yàn)測(cè)試電池在5.5萬(wàn)秒附近出現(xiàn)熱失控，最高溫度分別為550 ℃和570 ℃。除初始自加熱溫度不同造成熱失控時(shí)間有差別外(高的中心起始溫度會(huì)更早發(fā)生熱失控)，仿真和實(shí)驗(yàn)值的溫升規(guī)律相似，其熱失控仿真和實(shí)驗(yàn)的最大誤差為4.8%，驗(yàn)證了模型的可靠性。
圖10 電池過(guò)熱時(shí)溫度的仿真值與實(shí)驗(yàn)值
分析上述驗(yàn)證過(guò)程，誤差主要來(lái)源：第一，電池的濫用行為在絕熱加速量熱儀(ARC)中進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的溫度是腔體中電池的表面溫度，測(cè)試過(guò)程短時(shí)間靜置難以使電池溫度均一，而電池過(guò)熱濫用反應(yīng)起始時(shí)(通常為80～90 ℃)電池內(nèi)外溫差較大，表面溫度跟真實(shí)的熱濫用反應(yīng)起始溫度有誤差；第二，高溫?zé)釣E用反應(yīng)過(guò)程中，電池單體各部位溫差客觀(guān)存在，溫度的測(cè)點(diǎn)位置也直接影響電池過(guò)熱時(shí)熱特性，因此表面測(cè)試值和仿真值之間存在誤差。
3 結(jié)果與分析
圖11顯示了在25 ℃，即298 K條件下，鋰電池儲(chǔ)能艙中氣流的速度流線(xiàn)，當(dāng)冷卻空氣從空調(diào)頂部吹出，由于風(fēng)道的限制，空氣向兩個(gè)方向擴(kuò)散到側(cè)壁，形成旋渦，從而進(jìn)入每個(gè)電池模塊的風(fēng)冷入口，實(shí)現(xiàn)電池模塊冷卻。分析此氣流擴(kuò)散路徑，對(duì)于艙中頂部電池模塊產(chǎn)氣后會(huì)受空調(diào)出風(fēng)卷攜，擴(kuò)散至電池艙頂部風(fēng)道，而底角區(qū)域?qū)τ谡w流場(chǎng)是死區(qū)，產(chǎn)生的氫氣并不能由空氣流動(dòng)攜帶至風(fēng)道區(qū)域，需穿過(guò)電池模塊，進(jìn)入電池艙過(guò)道，再上升至頂部風(fēng)道排出。因此，本文主要模擬了電池頂部及底部死角的電池模塊發(fā)生熱失控后的氫氣擴(kuò)散規(guī)律。
圖11 儲(chǔ)能電池艙中氣流的速度流線(xiàn)
圖12為儲(chǔ)能電池艙頂部區(qū)域電芯發(fā)生熱失控后氫氣濃度演化規(guī)律。可以看出，當(dāng)電芯防爆閥打開(kāi)后3秒內(nèi)[圖12(a)]，氫氣已從電池模塊出風(fēng)口擴(kuò)散而出，局部最高濃度處于電池模塊內(nèi)部，約為18.3%。由于氫氣的燃爆極限范圍相對(duì)較寬，當(dāng)空氣中所含氫氣濃度在4%~75%時(shí)即達(dá)到燃爆范圍。因此，在氫氣排放前期，電池模塊內(nèi)部若產(chǎn)生拉弧、高溫等誘因，則有可能觸發(fā)電池模塊燃爆。產(chǎn)生的氫氣在艙內(nèi)風(fēng)冷循環(huán)帶來(lái)的強(qiáng)制對(duì)流作用，以及自身的濃差擴(kuò)散行為影響下，在防爆閥開(kāi)啟后120秒將彌散至整艙范圍上部區(qū)域[圖12(b)]。此時(shí)絕大部分區(qū)域氫氣濃度已低于5%，燃爆風(fēng)險(xiǎn)有所降低，但局部濃度仍超過(guò)氫氣臨界燃爆點(diǎn)。
圖12 頂部單體熱失控時(shí)H2擴(kuò)散規(guī)律
圖13為儲(chǔ)能電池艙底角區(qū)域單體熱失控后氫氣濃度演化規(guī)律。在電芯防爆閥打開(kāi)后3秒內(nèi)[圖13(a)]主要集中于電池模塊區(qū)域，局部濃度達(dá)到20%，具有燃爆風(fēng)險(xiǎn)。隨著風(fēng)冷循環(huán)強(qiáng)制對(duì)流和濃差擴(kuò)散，底部聚集的氫氣在120秒內(nèi)[圖13(b)]將擴(kuò)散至整個(gè)儲(chǔ)能電池艙，但由于擴(kuò)散范圍廣，最高濃度已低于4%，即未達(dá)到臨界燃爆邊界，此時(shí)儲(chǔ)能燃爆風(fēng)險(xiǎn)顯著降低。
圖13 底角區(qū)域單體熱失控時(shí)H2擴(kuò)散規(guī)律
此外，由不同位置熱失控時(shí)H2的擴(kuò)散規(guī)律可知，熱失控過(guò)程中產(chǎn)生的可燃?xì)怏w主要由單體下部噴射出，并在隔檔位置聚集，單體電池周?chē)臍怏w濃度和溫度高于其他遠(yuǎn)處位置，但在隔檔位置有明顯升高?？梢?jiàn)，儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)某單體電池發(fā)生熱失控時(shí)，熱量的傳遞方式不僅僅要考慮相鄰物體的導(dǎo)熱過(guò)程，噴射氣液的熱對(duì)流過(guò)程不可忽視，往往可能成為熱失控蔓延的主導(dǎo)因素。
在氣體傳感器布置的位置上，以?xún)?chǔ)能系統(tǒng)的熱失控氣體擴(kuò)散過(guò)程仿真結(jié)果可知，在進(jìn)行氣體擴(kuò)散時(shí)，H2在發(fā)生熱失控的3 s內(nèi)，向電池模塊外部間區(qū)域位置進(jìn)行擴(kuò)散，所以在熱失控預(yù)警氣體傳感器的安裝位置上，應(yīng)該選擇過(guò)道中間位置較好。同樣，在可燃?xì)怏w排放上，應(yīng)該選擇在過(guò)道位置布設(shè)強(qiáng)排風(fēng)道，這樣有利于氣體的向外擴(kuò)散。
4 結(jié) 論
在本研究中，通過(guò)鋰電池?zé)崾Э販y(cè)試，研究了過(guò)熱、過(guò)充引發(fā)電池?zé)崾Э氐漠a(chǎn)氣類(lèi)型及濃度。結(jié)果顯示，在鋰電池不同的熱失控過(guò)程中，均有大量可燃?xì)怏w產(chǎn)生，主要包括H2、CO2、CO、CH4、C2H4、C2H6等。其中，H2作為預(yù)警氣體，不受空氣組分影響，能夠在電池?zé)崾Э卦缙谶M(jìn)行故障的表征與預(yù)警。
基于此，本文采用數(shù)值模擬方法，通過(guò)建立熱傳導(dǎo)、化學(xué)反應(yīng)和氣體擴(kuò)散模型，模擬電池內(nèi)部的熱失控過(guò)程，仿真數(shù)據(jù)與熱失控測(cè)試過(guò)程中實(shí)測(cè)的溫度對(duì)比，二者最大誤差為4.8%，驗(yàn)證了模型的可靠性。接著對(duì)一個(gè)預(yù)制艙式儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行建模，分析了可燃?xì)怏w的產(chǎn)生和擴(kuò)散規(guī)律，包括系統(tǒng)中頂部與底角區(qū)域電池單體熱失控過(guò)程。
通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在發(fā)生熱失控過(guò)程中，H2向中間過(guò)道中間位置進(jìn)行擴(kuò)散，同時(shí)向電池架外側(cè)進(jìn)行擴(kuò)散。因此，宜選擇過(guò)道中間位置安裝熱失控預(yù)警氣體傳感器，同樣，在可燃?xì)怏w排放上，在過(guò)道位置布設(shè)強(qiáng)排風(fēng)道，更有利于氣體的擴(kuò)散排出。
