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中汽研 | 基于整車級熱擴(kuò)散的傳熱機(jī)理分析

2022-01-25 13:30:52·  來源：電動學(xué)堂  作者：董文楷等  
　
文章來源：1.中汽研汽車檢驗(yàn)中心（常州）有限公司；2.中國汽車技術(shù)研究中心有限公司0引言近年來，隨著電動汽車在市場的占有率不斷提高，電動汽車的安全問題，續(xù)
文章來源：1.中汽研汽車檢驗(yàn)中心（常州）有限公司；2.中國汽車技術(shù)研究中心有限公司
0引言
近年來，隨著電動汽車在市場的占有率不斷提高，電動汽車的安全問題，續(xù)航問題，成本問題也逐漸成為制約電動汽車行業(yè)發(fā)展的一大痛點(diǎn)，特別是安全問題，更是成為影響消費(fèi)者信心的最重要因素。電動汽車自燃起火事故的頻繁發(fā)生，讓電動汽車的安全問題成為了行業(yè)及社會關(guān)注的焦點(diǎn)，雖然引起事故的原因不完全相同，但是基本都是由于動力電池系統(tǒng)中單只電芯的失控引起。在此過程中，失控單體會釋放大量的熱能，然后電池附近的溫度也迅速升高，導(dǎo)致電池包也發(fā)生熱失控現(xiàn)象，最終發(fā)生整車著火，爆炸等現(xiàn)象。目前對于動力電池的安全研究也主要停留在電池系統(tǒng)或模組單體層級，在整車層級別考慮動力電池?zé)崾Э睾蟮膶ζ渌考难芯枯^少，對于整車熱擴(kuò)散傳熱機(jī)理的研究也較稀缺。為此，本文通過在整車上模擬單體發(fā)生熱擴(kuò)散來探究整車中熱擴(kuò)散后的傳熱機(jī)理，為整車熱擴(kuò)散防護(hù)及安全性能開發(fā)提供支撐。
1整車熱擴(kuò)散測試設(shè)置
1.1測試設(shè)置
1.1.1車輛區(qū)域規(guī)劃
為了對熱擴(kuò)散機(jī)理做出詳盡的記錄，需要對車輛進(jìn)行一定的改造，在關(guān)鍵部位加入相應(yīng)傳感器，對關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。在不影響車輛固有性能的情況下，對傳感器的線束進(jìn)行布置，主要布置區(qū)域?yàn)椋鹤蔚撞浚T板，方向盤，電池包，油箱等。傳感器分布如圖1所示。
1.1.2電池系統(tǒng)改裝
電池系統(tǒng)作為整車熱擴(kuò)散的主要危控單元，且在該測試中主要采用電芯加熱來進(jìn)行熱擴(kuò)散的觸發(fā)，對電池包的狀態(tài)進(jìn)行全方位的監(jiān)控十分重要。將電池包上蓋進(jìn)行拆除后，對內(nèi)部重點(diǎn)節(jié)點(diǎn)如銅牌，電極等位置布置了傳感器，最后安裝加熱片至電芯側(cè)面。基于本電池系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)方案，每個模組之間已安裝隔熱防護(hù)措施，本輪測試也將驗(yàn)證該設(shè)計(jì)是否可以將熱擴(kuò)散影響控制在電池系統(tǒng)層級。同時，在各個模組之間，電池內(nèi)部，電池外部，排氣閥部位等位置加裝了傳感器，確保能夠?qū)﹄姵氐臓顟B(tài)進(jìn)行全過程的還原。布置區(qū)域可見圖2。
1.1.3傳感器設(shè)定
在測試中監(jiān)測的數(shù)據(jù)類型主要包括：1）溫度（反映熱量傳遞的最關(guān)鍵的數(shù)據(jù)）；2）電壓（反應(yīng)電池包狀態(tài)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)）；3）氣體監(jiān)測（反映乘員艙安全狀態(tài)的重要參數(shù)）。為了更好地復(fù)現(xiàn)整車在同一時刻不同部位發(fā)生的事件，對所有數(shù)據(jù)的時間軸統(tǒng)一歸零，并記錄關(guān)鍵的時間節(jié)點(diǎn)，確保能夠復(fù)現(xiàn)整車溫度傳遞路徑，電壓驟變節(jié)點(diǎn)以及乘員艙存在危險(xiǎn)的最初時間節(jié)點(diǎn)，保證后續(xù)的研究工作順利進(jìn)行。
1.1.4失控方式選擇
在本次整車熱擴(kuò)散測試中，使用平面狀加熱裝置，其表面覆蓋陶瓷材料。在其他熱擴(kuò)散測試中，對于尺寸與鋰離子電池單體相同的塊狀加熱裝置，可用該加熱裝置代替其中一個鋰離子電池單體，與觸發(fā)對象的表面直接接觸；對于薄膜加熱裝置，則應(yīng)將其始終附著在觸發(fā)對象的表面；加熱裝置的加熱面積都應(yīng)不大于鋰離子電池單體的表面積；將加熱裝置的加熱面與電池單體表面直接接觸。參考布置見圖3。
1.1.5安全防護(hù)要求
為確保在發(fā)生熱擴(kuò)散時，乘員有足夠的時間發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)并逃離車輛，完成自救，整車及電池系統(tǒng)應(yīng)具備相應(yīng)抑制熱擴(kuò)散蔓延的措施，并需要在危險(xiǎn)發(fā)生時能夠提前預(yù)警。在測試中對于車輛本身的安全預(yù)警系統(tǒng)的監(jiān)控也是重要的一環(huán)。
1.2測試數(shù)據(jù)記錄
1.2.1溫度數(shù)據(jù)記錄
在測試過程中，電池管理系統(tǒng)（BMS）可以監(jiān)測并記錄電池包的溫度數(shù)據(jù)，但是其所能監(jiān)測的是電池包內(nèi)幾個固定點(diǎn)的溫度，并不能監(jiān)測到每個電芯的溫度數(shù)據(jù)，因此需要在測試電池的電芯，特別是熱失控的電芯表面布置熱電偶，采集相應(yīng)電芯在熱失控影響下的溫度變化。同時BMS的采集電壓變化也可以輔助數(shù)據(jù)模型的還原，數(shù)據(jù)記錄如下圖4。
1.2.2電壓數(shù)據(jù)記錄
在測試過程中，BMS可以直接監(jiān)控電池包的電壓數(shù)據(jù)以及單體的電壓變化，所以可以采用BMS直接來記錄電壓的變化。
1.2.3氣體監(jiān)測數(shù)據(jù)記錄
電芯在熱失控過程中，會釋放氫氣、氧氣、一氧化碳、甲烷、乙烯、乙烷等氣體，而氫氣和氧氣在空氣中含量較高，對乘員安全影響較小，因此初步選擇一氧化碳、甲烷這兩種氣體進(jìn)行氣體監(jiān)測，在熱失控電芯附近布置能夠監(jiān)測一氧化碳和甲烷的氣體傳感器，并采用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行記錄。
1.2.4煙霧排放數(shù)據(jù)記錄
電池包在整個熱失控過程中，煙霧排放和火焰燃燒是產(chǎn)生的最明顯現(xiàn)象，因此除了布置相應(yīng)的傳感器外，還需在車輛的側(cè)圍和底部安裝攝像頭，便于觀察整個煙霧排放過程和火焰燃燒過程。
2整車熱擴(kuò)散現(xiàn)象還原
2.1熱擴(kuò)散觸發(fā)
熱失控的觸發(fā)采用加熱片對電池包內(nèi)的電芯進(jìn)行加熱，加熱功率為900W，記錄加熱開始時間，將此時間確定為零時刻，同時也作為整車事故發(fā)生的起點(diǎn)時刻，此時車輛應(yīng)發(fā)出報(bào)警信號提醒乘客車輛有異常狀況出現(xiàn)，存在安全風(fēng)險(xiǎn)。本次測試中，車輛于熱失控觸發(fā)后3min22s開始發(fā)出報(bào)警信號（具備明顯的聲光信號），并提示乘客盡快遠(yuǎn)離車輛。
2.2電池?zé)崧蝇F(xiàn)象
在開始加熱后3min22s，加熱電芯出現(xiàn)失控現(xiàn)象，在5min15s時，電池內(nèi)部有第二個電芯發(fā)生熱失控現(xiàn)象，車輛門鎖部位的外部開始出現(xiàn)間斷性的煙氣，在8min20s時，電池內(nèi)部出現(xiàn)第三個電芯發(fā)生熱失控現(xiàn)象，在11min25s時，第四個電芯失控，此模組已經(jīng)完全失效，電池層面熱蔓延結(jié)束。在電池外部的失控現(xiàn)象中，首先座椅出現(xiàn)冒煙并開始在駕駛艙內(nèi)燃燒，繼而引發(fā)其他內(nèi)飾件燃燒，大量煙氣在駕駛艙內(nèi)聚集，艙內(nèi)氣壓不斷升高，車窗及前后擋風(fēng)玻璃出現(xiàn)裂痕，煙氣逐漸從裂痕處溢出。同時，底部導(dǎo)流板也出現(xiàn)火星，導(dǎo)流板的熱量由整車底盤傳遞到油箱附近，油箱開始處于灼燒狀態(tài)，最終油箱被外部火焰燒穿，火焰進(jìn)入油箱內(nèi)部，內(nèi)部的汽油被點(diǎn)燃，最終發(fā)生爆炸現(xiàn)象。
2.3消防介入
在整車爆燃后，消防開始介入，通過消防車的消防水管進(jìn)行滅火，整個滅火過程時間較長，主要原因?yàn)殡姵匕幕鹧骐y以撲滅，存在多次復(fù)燃現(xiàn)象，目前只有通過整體浸沒的方式來控制火情，完成滅火。
3整車熱擴(kuò)散傳熱路徑分析
3.1電池內(nèi)部傳熱路徑
通過測試后數(shù)據(jù)及對電池結(jié)構(gòu)的分析，對電池內(nèi)部的傳熱情況進(jìn)行了復(fù)現(xiàn)，該電池包采用1P6S結(jié)構(gòu)，共有8個模組，分為左右結(jié)構(gòu)，中間采用了隔熱防火材料進(jìn)行了隔離，如圖5所示。該設(shè)計(jì)的目的是為了當(dāng)發(fā)生熱擴(kuò)散后，能夠控制能量的釋放速率，防止單個模組熱擴(kuò)散后迅速引起其他模組的失控。通過對電池的拆解發(fā)現(xiàn)：只有發(fā)生了熱擴(kuò)散模組的一側(cè)，模組全部被燒毀，另一側(cè)模組只有煙熏痕跡，并沒有被觸發(fā)熱擴(kuò)散，也沒有燒壞的情況，此類設(shè)計(jì)具備較強(qiáng)的防護(hù)性。
3.2電池外部傳熱路徑
在整車設(shè)計(jì)中一般將電池的散熱裝置安裝在電池的底部及上部，此設(shè)計(jì)可減少電池包的熱量不均勻性，保證電池的穩(wěn)定程度，將熱量散發(fā)到電池外部空間，但是，在發(fā)生熱擴(kuò)散，大量的熱量也會向電池頂部及底部擴(kuò)散。向下會傳到車身底盤，然后沿著車身繼續(xù)傳遞。經(jīng)過拆解分析，由于整車的導(dǎo)流管路
及傳動機(jī)構(gòu)，此部分熱量沒有及時傳遞到空氣中，熱量反而傳遞到了油箱附近；熱量向上則傳遞到了乘員艙底部，進(jìn)而傳遞到座椅骨架，最終傳遞到座椅表面，如圖6 所示。
3.3油箱受熱現(xiàn)象
熱量傳遞到油箱后，油箱溫度持續(xù)升高，由于油箱本身具備一定的防火設(shè)計(jì)，所以在熱蔓延的初期，油箱并沒有立刻爆燃，但是由于火焰的持續(xù)灼燒，油箱長時間處于高溫狀態(tài)，油箱表面材料逐漸開始被灼燒變形，最終油箱薄弱處被燒穿，火星落入油箱內(nèi)部，油箱內(nèi)部的少量汽油被點(diǎn)燃，產(chǎn)生了爆炸現(xiàn)象，同時該爆炸也震碎了汽車天窗，前后擋風(fēng)玻璃，門窗等部件，火焰也從油箱蔓延至車身外部，引發(fā)了整車的燃燒。
3.4乘員艙受熱現(xiàn)象
熱量傳遞到座椅底部后，由于乘員艙內(nèi)部多為塑料件，皮質(zhì)材料，屬于易燃材料，后排座椅受熱后開始融化，其骨架開始顯露，艙內(nèi)觀察到大量白煙，由于車輛密封，鹽霧無法排出，隨后前排內(nèi)飾件，方向盤等也開始被灼燒，最終內(nèi)飾件被熔化為糊狀。
4整車熱擴(kuò)散傳熱機(jī)理及防護(hù)分析
4.1整車熱擴(kuò)散傳熱機(jī)理簡析
熱傳導(dǎo)在三維的等方向均勻介質(zhì)里的傳播可用以下方程表達(dá)：
其中：u=u（t,x,y,z）表示溫度，它是時間變數(shù)t與空間變數(shù)（x,y,z）的函數(shù)； ?u/ ?t是空間中一點(diǎn)的溫度對時間的變化率；uxx，uyy與uzz溫度對三個空間坐標(biāo)軸的二次導(dǎo)數(shù)；k是熱擴(kuò)散率，決定于材料的熱傳導(dǎo)率、密度與熱容。可見在熱傳遞過程中，一方面是需要對使用的材料進(jìn)行合理規(guī)劃，另一方面也需要對部件的防熱性能進(jìn)行安全考量，避免熱量的傳遞。
4.2整車熱擴(kuò)散防護(hù)分析
在整車熱擴(kuò)散過程中，首先需要在電池層面進(jìn)行熱擴(kuò)散的抑制，做好電池系統(tǒng)的防護(hù)機(jī)制，而目前對于在電池層面做熱擴(kuò)散防護(hù)的主要方式有泄爆與隔離兩種[6]；在整車層面則需要考慮電池?zé)釘U(kuò)散后，熱量的傳遞路徑以及對于關(guān)鍵部位的零部件的安全防護(hù)，如座椅底部熱量防滲入設(shè)計(jì)，油箱隔熱設(shè)計(jì)等。
4.2.1電池?zé)峁芾砑鞍踩雷o(hù)設(shè)計(jì)
電芯發(fā)生熱失控后會產(chǎn)生大量高溫氣體，電池箱體內(nèi)氣壓迅速上升，如果不能有效釋放，將造成兩個潛在危害：氣體加熱箱體內(nèi)的其他電芯，導(dǎo)致其他電芯也發(fā)生熱擴(kuò)散；壓力過高，電池箱體發(fā)生嚴(yán)重形變，產(chǎn)生炸裂后外部空氣與混合氣體作用，產(chǎn)生明火。所以對于電池?zé)岚踩O(shè)計(jì)首先是要泄爆，將產(chǎn)生的高溫氣體排出到箱體外部，通過合適的排氣路徑及泄爆閥等裝置完成此部分的保護(hù)功能。另一方面是隔離，隔離的目的是阻斷傳播，電池包的隔離包括利用縱橫梁對模組進(jìn)行隔離，利用耐火隔熱材料進(jìn)行隔離等。
4.2.2系統(tǒng)熱傳遞路徑合理設(shè)計(jì)
在整車層面，需要考慮的則是電池?zé)釘U(kuò)散后可能會影響到的部件，此時將不再把電池作為單獨(dú)的系統(tǒng)來考慮其熱安全問題，而是將整車都納入熱安全的考慮范圍，因?yàn)閷?shí)際中電池發(fā)生熱擴(kuò)散后，往往會導(dǎo)致其他部件的連鎖反應(yīng)，最終導(dǎo)致人員傷亡。所以需要把電池?zé)釘U(kuò)散后的傳熱路徑及關(guān)鍵零部件受熱后的安全防護(hù)也納入到設(shè)計(jì)中。熱安全問題將不再是單單電池的問題，也是整車系統(tǒng)的一個重要安全問題，合理規(guī)劃傳熱散熱方式，采用隔熱散熱等手段，將可以完成整車安全防護(hù)升級。
5結(jié)束語
通過對整車熱擴(kuò)散的事件模擬，采用事故還原測試手段及多種數(shù)據(jù)監(jiān)控分析，對新能源整車級別的安全防護(hù)問題做出了研究，揭示了電池?zé)釘U(kuò)散后對整車其他部件的影響，提出了初步的防護(hù)方案，特別是對會造成嚴(yán)重后果的部件：如乘員艙體內(nèi)的座椅，混動車型可能存在的油箱等部件。揭示了熱量會在車體內(nèi)部進(jìn)行傳遞，特別是對于混動車型，電池的持續(xù)性燃燒會導(dǎo)致油箱爆燃，座椅融化等問題。這些部件的安全性都是影響乘員安全的關(guān)鍵因素，在整車安全防護(hù)中應(yīng)把對于電池?zé)醾鬟f的路徑，電池?zé)岚踩布{入設(shè)計(jì)中，以防止發(fā)生嚴(yán)重的安全事故。
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