中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：
摘 要 近年來(lái)，儲(chǔ)能技術(shù)正在快速發(fā)展，但熱安全問(wèn)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(xué)性能和熱管理功能得到了廣泛應(yīng)用，但仍無(wú)法杜絕濫用導(dǎo)致的熱失控失火，需要早期預(yù)警技術(shù)的介入以保障儲(chǔ)能系統(tǒng)正常運(yùn)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(shí)時(shí)探測(cè)電池安全閥開(kāi)啟時(shí)引起的氣壓突變，實(shí)現(xiàn)液冷模組熱失控早期預(yù)警。搭建液冷模組熱失控實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與Fluent流體仿真平臺(tái)研究液冷模組單體電池過(guò)充熱失控現(xiàn)象，驗(yàn)證氣壓預(yù)警成效并分析過(guò)充過(guò)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(hào)的波動(dòng)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(duì)13 Ah磷酸鐵鋰單體電池過(guò)充時(shí)，電池安全閥開(kāi)啟瞬間發(fā)生超200 Pa的氣壓突變，平均約304 s后達(dá)到熱失控最高溫；為進(jìn)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(hào)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(xiàng)目研究成果為氣壓傳感器在液冷模組中的應(yīng)用及安全防護(hù)提供了理論和數(shù)據(jù)支撐。
關(guān)鍵詞 液冷模組；磷酸鐵鋰電池；熱失控預(yù)警；氣壓探測(cè)
近年來(lái)，在碳達(dá)峰碳中和戰(zhàn)略不斷落實(shí)以及能源強(qiáng)國(guó)革命持續(xù)推進(jìn)的背景下，儲(chǔ)能技術(shù)作為解決可再生能源大規(guī)模消納問(wèn)題、推動(dòng)電力系統(tǒng)綠色轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵，其發(fā)展受到多方關(guān)注。然而，儲(chǔ)能系統(tǒng)熱安全問(wèn)題制約著儲(chǔ)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(xiàng)重要指標(biāo)，電池一旦在過(guò)充過(guò)放等異常工況下運(yùn)行，極易出現(xiàn)局部溫度過(guò)高現(xiàn)象，從而縮短電池壽命、降低電池性能，甚至造成火災(zāi)事故。液冷型磷酸鐵鋰電池模組具備鋪設(shè)管道熱傳導(dǎo)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(shì)保障了電池模組高效率運(yùn)行，使得液冷模組得以大規(guī)模推廣應(yīng)用。
然而，液冷模組內(nèi)部電池?cái)?shù)量眾多且空間非常有限，一旦出現(xiàn)電池過(guò)充過(guò)放等濫用行為，故障電池泄漏的可燃?xì)怏w可能引發(fā)密閉空間內(nèi)的劇烈爆炸現(xiàn)象。因此，針對(duì)液冷模組儲(chǔ)能系統(tǒng)，對(duì)其內(nèi)部電池?zé)崾Э靥卣餍盘?hào)提前探測(cè)和早期預(yù)警研究很有必要。目前已有的相關(guān)預(yù)警方法，例如有研究提出的電池表面溫度檢測(cè)，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(shí)間，并且電池?zé)崾Э厍皽厣容^緩慢；有研究提出在線(xiàn)監(jiān)測(cè)電池?zé)崾Э靥卣鳉怏w的預(yù)警方法，但氣體很難擴(kuò)散到密閉模組外，且氣體擴(kuò)散易受到氣流干擾；另外，有研究提出特征聲音預(yù)警，當(dāng)電池安全閥開(kāi)啟時(shí)，會(huì)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(guò)搭建液冷型磷酸鐵鋰電池模組過(guò)充試驗(yàn)平臺(tái)和Fluent流體仿真平臺(tái)，開(kāi)展磷酸鐵鋰液冷模組單體電池過(guò)充實(shí)驗(yàn)與仿真，驗(yàn)證液冷模組氣壓預(yù)警方法的有效性，并進(jìn)一步研究安全閥開(kāi)啟瞬間模組內(nèi)氣壓信號(hào)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(jí)更高、變化幅度更大的監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(guò)充熱失控時(shí)，距電池安全閥開(kāi)啟不到2 s便能探測(cè)到整個(gè)模組內(nèi)部空間氣壓突變，最早探測(cè)時(shí)間可達(dá)0.25 s，此時(shí)電池表面溫升速率不超過(guò)0.5 ℃/s，距離熱失控最高溫的平均時(shí)間間隔為304 s，預(yù)警非常及時(shí)；液冷模組前面板上高度較高且偏離中心軸較遠(yuǎn)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(bào)，當(dāng)頻率大于2 Hz時(shí)可采集到安全閥開(kāi)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(chǔ)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(duì)提高液冷模組儲(chǔ)能系統(tǒng)安全性具有一定意義。
1 液冷模組氣壓信號(hào)探測(cè)試驗(yàn)
1.1 實(shí)驗(yàn)布置
為探究基于微小氣壓信號(hào)探測(cè)的液冷型磷酸鐵鋰電池模組熱失控安全預(yù)警的有效性，本實(shí)驗(yàn)在液冷模組過(guò)充實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中進(jìn)行，通過(guò)過(guò)度充電觸發(fā)單體電池?zé)崾Э?。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(jì)48塊容量為13 Ah的磷酸鐵鋰單體電池。圖1(a)所示為過(guò)充電池與傳感器安裝位置，圖1(b)為液冷模組實(shí)物圖。試驗(yàn)選用的主要預(yù)警設(shè)備芯片式氣壓傳感器布置在模組前面板四個(gè)相應(yīng)位置(#1、#2、#3、#4)，型號(hào)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(shì)，同時(shí)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(lái)看，該氣壓傳感器在實(shí)際應(yīng)用中具有一定優(yōu)勢(shì)，以下試驗(yàn)中設(shè)定傳感器采樣頻率為4 Hz，每0.25 s采集一個(gè)氣壓信號(hào)數(shù)值。
圖1 液冷模組過(guò)充實(shí)驗(yàn)平臺(tái)
試驗(yàn)采用1 C充電倍率先后對(duì)1號(hào)、2號(hào)位置的磷酸鐵鋰單體電池(電池初始狀態(tài)為0% SOC)進(jìn)行過(guò)度充電直至安全閥開(kāi)啟，實(shí)時(shí)記錄氣壓數(shù)據(jù)。液冷模組在充電過(guò)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(jī)，用于記錄電池表面、安全閥口溫度和電壓，并監(jiān)控試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)狀況。
1.2 試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析
1.2.1 1號(hào)電池過(guò)充過(guò)程及結(jié)果
充電過(guò)程電池表面及安全閥口溫度的變化曲線(xiàn)如圖2所示。電池正常充電過(guò)程中溫度上升速率比較緩慢；在3600 s左右電池充滿(mǎn)至100% SOC，此時(shí)電池表面溫度為32.2 ℃，之后進(jìn)入過(guò)充導(dǎo)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(zhǎng)等劣化反應(yīng)，副反應(yīng)會(huì)帶來(lái)熱量和特征氣體等在電池內(nèi)部的積聚，導(dǎo)致電池內(nèi)部壓力持續(xù)升高。安全閥開(kāi)啟時(shí)刻為4519 s，此時(shí)，電池表面溫度為75 ℃，溫升速率為0.2 ℃/s。安全閥開(kāi)啟時(shí)安全閥口溫度突然降低約3 ℃，推測(cè)是因?yàn)榘踩y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(dǎo)致閥口溫度發(fā)生驟變。在4943 s時(shí)電池達(dá)到熱失控最高溫，認(rèn)為此時(shí)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(yán)重，無(wú)法復(fù)原)，此時(shí)距離安全閥開(kāi)啟已有424 s。
圖2 溫度變化曲線(xiàn)
試驗(yàn)過(guò)程中，液冷模組前面板上四個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的氣壓變化曲線(xiàn)如圖3所示。由此可見(jiàn)，在安全閥開(kāi)啟之前，模組內(nèi)氣壓大小在初始值上下以微小幅度波動(dòng)(為方便分析，已將傳感器檢測(cè)初始值修正到101 kPa)，而在安全閥開(kāi)啟瞬間，四個(gè)傳感器的氣壓值幾乎同一時(shí)間發(fā)生明顯跳躍。
圖3 氣壓變化曲線(xiàn)
圖4為氣壓曲線(xiàn)的局部放大圖，安全閥開(kāi)啟時(shí)，氣壓曲線(xiàn)呈現(xiàn)出一個(gè)指數(shù)函數(shù)衰減形式的波形，即氣壓上升過(guò)程幾乎是瞬間完成的，又迅速恢復(fù)至原始水平，之后氣壓出現(xiàn)了一個(gè)相對(duì)緩慢的上升和下降過(guò)程，可近似看作一個(gè)不規(guī)則的正態(tài)分布波形，判斷該過(guò)程是安全閥開(kāi)啟后的緩慢泄氣行為，由此可見(jiàn)，安全閥開(kāi)啟時(shí)的泄氣行為更短暫且劇烈，而后面的泄氣過(guò)程相對(duì)持久且平緩。
圖4 氣壓曲線(xiàn)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(gè)氣壓傳感器距安全閥開(kāi)啟時(shí)刻的反應(yīng)時(shí)延、氣壓上升峰值、從初始值上升至峰值所用時(shí)間以及從峰值恢復(fù)至初始狀態(tài)所用時(shí)間，對(duì)比如表1。
表1 安全閥開(kāi)啟時(shí)氣壓數(shù)據(jù)
根據(jù)表1，安裝在#2點(diǎn)的傳感器最靈敏，反應(yīng)時(shí)延比其他三個(gè)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(gè)傳感器的上升峰值較低；氣壓上升時(shí)間和氣壓數(shù)值恢復(fù)時(shí)間四個(gè)傳感器保持一致，均為0.5 s和2 s。
1.2.2 2號(hào)電池過(guò)充過(guò)程及結(jié)果
第二組試驗(yàn)的溫度結(jié)果如圖5，安全閥開(kāi)啟時(shí)刻為5151 s，此時(shí)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(dòng)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(dá)到最高溫度271.1 ℃，距安全閥開(kāi)啟已有188 s。
圖5 溫度變化曲線(xiàn)
相較于第一組，本組試驗(yàn)電池安全閥開(kāi)啟時(shí)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(zhǎng)。這可能也是導(dǎo)致該故障電池?zé)崾Э爻潭劝l(fā)展更深的原因。
圖6和圖7展示了氣壓變化曲線(xiàn)和局部放大圖，在5151 s安全閥開(kāi)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(yàn)安全閥開(kāi)啟時(shí)，連續(xù)出現(xiàn)了兩個(gè)上升波，說(shuō)明安全閥開(kāi)啟時(shí)連續(xù)進(jìn)行了兩次泄氣行為。在大約5230 s時(shí)，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(dǎo)致的，本次試驗(yàn)電池?zé)崾Э爻潭容^為徹底。另外，安全閥開(kāi)啟后氣壓呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，且四個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)氣壓差較大，推測(cè)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(dǎo)致檢測(cè)出現(xiàn)異常。
圖6 氣壓變化曲線(xiàn)
圖7 氣壓曲線(xiàn)局部放大圖
第二組試驗(yàn)四個(gè)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(gè)傳感器檢測(cè)峰值較大；不同的是，氣壓變化幅度大了很多，符合前文推測(cè)，本次試驗(yàn)安全閥開(kāi)啟時(shí)電池內(nèi)部劣化程度更高。
表2 安全閥開(kāi)啟時(shí)氣壓數(shù)據(jù)
1.2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析
綜合分析兩組試驗(yàn)結(jié)果，首先，四個(gè)傳感器探測(cè)安全閥開(kāi)啟時(shí)產(chǎn)生的氣壓突變信號(hào)的反應(yīng)時(shí)延均不超過(guò)1.75 s，最短為0.25 s，驗(yàn)證了液冷模組氣壓預(yù)警方法的靈敏性和及時(shí)性；兩組試驗(yàn)中，#2傳感器的靈敏度最高，探測(cè)速度最快；其次，氣壓上升峰值從大到小依次為#2、#1、#4、#3，說(shuō)明前面板高度較高的監(jiān)測(cè)點(diǎn)氣壓水平提升更大，偏離面板中間軸線(xiàn)較遠(yuǎn)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)氣壓變化更明顯；再者，兩次試驗(yàn)氣壓從開(kāi)始變化到升至峰值所用時(shí)間均在0.5～1 s，說(shuō)明對(duì)于氣壓峰值的探測(cè)，要求傳感器采集頻率不小于2 Hz；氣壓恢復(fù)時(shí)間范圍在2～3.75 s，說(shuō)明傳感器采集頻率須大于0.5 Hz才能避免漏掉安全閥開(kāi)啟時(shí)的氣壓突變信號(hào)。1號(hào)電池安全閥開(kāi)啟時(shí)氣壓上升幅度平均為200 Pa，而2號(hào)電池安全閥開(kāi)啟時(shí)氣壓上升幅度平均為500 Pa，說(shuō)明故障電池位置對(duì)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(kāi)啟時(shí)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(duì)于安全閥開(kāi)啟時(shí)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(yīng)根據(jù)電池容量進(jìn)行選擇，一般滿(mǎn)足200 Pa以上的氣壓波動(dòng)即可；關(guān)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(xiàn)較遠(yuǎn)的位置效果最佳。
2 液冷模組氣壓信號(hào)探測(cè)仿真
2.1 仿真設(shè)置和仿真方案
針對(duì)基于氣壓突變信號(hào)探測(cè)的液冷模組預(yù)警技術(shù)研究需求，搭建基于Ansys Fluent有限元仿真平臺(tái)的液冷模組1∶1仿真模型，研究安全閥開(kāi)啟時(shí)液冷模組內(nèi)部氣壓信號(hào)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?yàn)榉抡婵臻g，該仿真空間是一個(gè)氣體流域，初始狀態(tài)設(shè)置為空氣。在4×12的電池組中隨機(jī)選取一個(gè)單體電池充當(dāng)故障電池，在該電池上面板中心取一個(gè)直徑2 cm的圓形入口作為安全閥出氣口，通過(guò)查閱相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，鋰電池安全閥開(kāi)啟時(shí)泄漏的特征氣體主要為H2、C2H4、CO、CO2，四種氣體對(duì)應(yīng)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(yán)格參照以上研究結(jié)論設(shè)置仿真參數(shù)。
仿真方案：本研究將開(kāi)展三組仿真，①任選一個(gè)單體電池作為故障電池，模擬其安全閥開(kāi)啟時(shí)的泄氣行為，根據(jù)仿真結(jié)果，分析前面板以及整個(gè)密閉模組空間的氣壓分布情況；②將六個(gè)不同位置單體電池設(shè)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(duì)它們進(jìn)行安全閥開(kāi)啟行為仿真，對(duì)比前面板上各監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(duì)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(kāi)啟時(shí)產(chǎn)氣量、產(chǎn)氣速度不同，通過(guò)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(kāi)啟時(shí)產(chǎn)氣初始速率分別設(shè)置為40 m/s、60 m/s、80 m/s，對(duì)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(cè)仿真，模型搭建如圖8(a)所示，故障單體電池位置、監(jiān)測(cè)面和氣壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)均在圖中標(biāo)記?？紤]到模組前面板左側(cè)與右側(cè)的對(duì)稱(chēng)關(guān)系，猜想同一高度左右兩側(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)氣壓不會(huì)有明顯差異，因而前文過(guò)充實(shí)驗(yàn)中為避免接線(xiàn)過(guò)于復(fù)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(cè)點(diǎn)。仿真在前面板左側(cè)添加氣壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)，這并不會(huì)增加工作量和偶然性，同時(shí)也是為了驗(yàn)證試驗(yàn)前的猜想；第二組故障電池不同位置對(duì)比仿真，其模型如圖8(b)所示，圖中給出了6個(gè)故障電池的位置(#1～#6)以及3個(gè)氣壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置。圖8(c)展示了第三組對(duì)比產(chǎn)氣速率仿真模型，標(biāo)記了故障電池位置和氣壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)。
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(cè)仿真結(jié)果
圖9為液冷模組整體氣壓水平最高時(shí)刻的氣壓分布3D渲染圖(t=1 s)，該仿真設(shè)置的安全閥開(kāi)啟時(shí)間為t=1 s，即氣孔噴氣速度在t=1 s時(shí)由最大初始速度開(kāi)始衰減。根據(jù)圖9可知，安全閥開(kāi)啟后整個(gè)模組密閉空間內(nèi)氣壓擴(kuò)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(duì)氣壓，即修正大氣壓強(qiáng)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(méi)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(hào)均為經(jīng)過(guò)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(duì)象，該平面氣壓變化過(guò)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(shí)模組整體氣壓水平略低于t=1 s，但t=1.02 s時(shí)安全閥上方區(qū)域氣壓要比t=1 s時(shí)安全閥上方氣壓高，說(shuō)明安全閥在開(kāi)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(wú)法做到提升整個(gè)模組氣壓。究其原因，仿真設(shè)置的安全閥產(chǎn)氣速度曲線(xiàn)為理想的指數(shù)衰減曲線(xiàn)，在超過(guò)1 s瞬間(無(wú)限接近1 s)速度便達(dá)到峰值，而在1.02 s時(shí)，產(chǎn)氣速度已經(jīng)開(kāi)始急劇下降。整個(gè)模組氣壓在不到0.02 s完成上升過(guò)程，隨后4秒內(nèi)逐漸衰減恢復(fù)至初始分布特征，因此傳感器采集頻率應(yīng)不小于0.25 Hz；為進(jìn)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(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(編號(hào)從左往右、從上到下依次為v1～v6)作為研究對(duì)象，氣壓變化曲線(xiàn)如圖11所示。
圖10 切面氣壓發(fā)展過(guò)程圖
圖11 前面板監(jiān)測(cè)點(diǎn)氣壓曲線(xiàn)
同一個(gè)水平方向的監(jiān)測(cè)點(diǎn)氣壓曲線(xiàn)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(lái)，推測(cè)是因?yàn)榉抡姝h(huán)境處于理想條件下，與實(shí)際環(huán)境并不完全相同，安全閥實(shí)際噴氣方向可能并不是完全垂直向上；對(duì)于同一豎直方向不同測(cè)點(diǎn)，上方測(cè)點(diǎn)氣壓略高于下方測(cè)點(diǎn)，此結(jié)果與試驗(yàn)一致，說(shuō)明前面板上方氣壓變化更明顯。研究氣壓曲線(xiàn)具體數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，氣壓衰減趨于穩(wěn)定后，監(jiān)測(cè)點(diǎn)氣壓水平均大于初始值，說(shuō)明模組整體氣壓水平有一定程度的提升，可能是安全閥開(kāi)啟后模組內(nèi)部有氣體積累導(dǎo)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(cè)點(diǎn)氣壓結(jié)果：
首先，對(duì)比電池#123與#456，發(fā)現(xiàn)軸向距離對(duì)前面板下面的三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(guò)對(duì)比電池#14、#25、#36，發(fā)現(xiàn)水平距離對(duì)前面板監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(yuǎn)處(#6)兩個(gè)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(xiàn)(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(cè)點(diǎn)的氣壓變化曲線(xiàn)如圖13所示。
圖13 切面氣壓分布和監(jiān)測(cè)點(diǎn)氣壓曲線(xiàn)
對(duì)比不同速率下的氣壓上升峰值以及氣壓恢復(fù)時(shí)間，發(fā)現(xiàn)安全閥產(chǎn)氣速率對(duì)模組內(nèi)氣壓上升程度影響較大，而對(duì)氣壓上升及恢復(fù)時(shí)間影響很小。在實(shí)際應(yīng)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(dǎo)致氣壓變化峰值的提升，因此選擇氣壓傳感器量程時(shí)需考慮電池容量大小。
3 結(jié)論
本工作通過(guò)搭建液冷型磷酸鐵鋰電池模組過(guò)充試驗(yàn)平臺(tái)與Fluent流體仿真平臺(tái)，開(kāi)展液冷模組單體電池過(guò)充實(shí)驗(yàn)及仿真，驗(yàn)證了電池安全閥開(kāi)啟會(huì)引發(fā)密閉模組空間內(nèi)部氣壓的突變，當(dāng)所采用的嵌入式氣壓傳感器探測(cè)到該信號(hào)并發(fā)出報(bào)警時(shí)，電池表面溫度平均約78 ℃，平均溫升速率不超過(guò)0.5 ℃/s，并超前電池達(dá)到最高溫時(shí)的完全熱失控平均304 s。進(jìn)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(cè)到氣壓突變信號(hào)，當(dāng)頻率大于2 Hz時(shí)，基本能夠探測(cè)到完整氣壓變化波形；關(guān)于傳感器安裝位置優(yōu)化，試驗(yàn)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(yàn)發(fā)現(xiàn)偏離面板中心軸較遠(yuǎn)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(kāi)啟時(shí)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(hào)的探測(cè)。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(yùn)行及安全防護(hù)。
