一种汽车电池热管理与热失控阻延结构设计与分析*

李浩亮，张袁元，汤亚晶，李 想，范丹丹

（南京工程学院汽车与轨道交通学院，南京 211167）

0 引言

21 世纪以来，全球的环境与能源问题愈发严重，新能源汽车的占比越来越高。锂离子电池凭借其充电高效、比能量高、密度小等优点[1－3]，成为目前市场使用较多的电池能源之一。相对于传统燃油汽车而言，新能源汽车发展时间较为短暂，整体技术尚未成熟，目前仍存在许多安全性问题，单就锂电池而言，热滥用、过充电、短路或挤压都会引起热失控[4－7]，造成电池的燃烧爆炸，严重威胁到人的生命和财产安全，因此，研究电池热管理与热失控的问题具有重要意义。

近年来，国内外学者对汽车电池进行了大量的研究，WU等[8]将PCM和热管结合采用强制空冷对电池进行热管理；郭君等[9]通过对锂离子电池的热失控危险性分析得出结论：不同SOC 的锂离子电池发生热失控时，其表面温度峰值、温升速率以及质量损失均随着SOC的增加而增加；李向梅等[7]通过添加阻燃剂来达到减小热失控的影响并对电池进行防护。近年来的电池热管理研究或是着重考虑电池的热量管理以阻止电池出现热失控，或是减少热失控对电池组的影响，对于电池出现热失控后的紧急处理依然较少，为解决热失控后热蔓延导致的汽车电池燃烧爆炸等问题，本研究拟采用气液两态流体通过循环、释放来实现电池热管理以及电池热失控的紧急阻延，一定程度上降低了汽车电池因热失控而燃烧爆炸的风险，极大地减少了经济损失，保障了人们的生命安全。

1 电池热管理与热失控阻延系统结构设计

本研究参考了目前汽车电池的排列使用情况，设计出如图1所示汽车电池热管理与热失控阻延系统。循环冷却液箱2内储存有冷却液，并安装有用于冷却循环冷却液的制冷元件21，用于对循环过后的冷却液进行降温，电池组箱1内设置有用于储存电池组的空腔，电池循环冷却系统4包括冷却循环管道，冷却循环管道以类S形走向布置在电池组排列空隙内，可以极大减少空间的占用，在经过布置于所述电池组箱1底部的温度传感器31时抬升一定高度提前弯折，给温度传感器预留下一定的空间，其两端与循环冷却液箱2连通，电池循环冷却系统上安装有用于使冷却液循环流动的冷管泵。

图1 汽车电池热管理与热失控阻延系统立体示意图

电池热失控阻延系统5 包括惰性气体喷射装置53 和液态制冷剂喷洒装置52，喷射惰性气体不仅能够对电池组进行一定程度的降温，也可以在电池热失控时将可燃气体和氧气排出箱体，达到阻燃阻爆的效果，喷洒液态制冷剂主要是对已经热失控的电池组进行快速降温，避免其燃烧爆炸。考虑到惰性气体密度问题，惰性气体喷射装置53 安装在电池组箱1内部下方，液态制冷剂喷洒装置52 安装在电池组箱1 顶部，电池组箱2上方应预留喷射空间，本研究内，单个液态制冷剂喷洒装置52 对应设置于一组布置形式为4×4 的电池组的中心上部，液态制冷剂喷洒装置52设置个数由电池数量决定；同时，电池组箱1内侧设置有若干个排气孔，排气孔的数量应与需排出的惰性气体量对应。电池组箱1底部安装有液态制冷剂废液储存箱54，用于储存喷洒出的制冷液，其与电池组箱1通过液态制冷剂漏液孔连通，单个液态制冷剂漏液孔对应设置于一组布置形式为4×4 的电池组的中心底部以及其左右两侧的电池排列间隙，其设置个数也由电池数量决定，惰性气体喷射装置53以及液态制冷剂喷洒装置52分别通过气液连接管路与热失控阻延介质储存箱连通，电池热失控阻延系统上安装有用于使液态制冷剂及惰性气体执行喷射的冷液泵和气体泵。

热失控阻延介质储存箱内设置有用于储存液态制冷剂的空腔，空腔内安装有用于固定惰性气体储存罐51的固定板。

2 电池热管理与热失控阻延集成控制系统设计

集成控制系统3 包括泵体控制模块、温度实时监测反馈模块、报警模块以及喷射装置控制模块，泵体控制模块与冷管泵、冷液泵以及气体泵信号连接，开关循环、控制流速，温度实时监测反馈模块中单个温度传感器31设置于一组布置形式为2×2 的电池组的中心底部，其个数由电池数量决定。部分温度传感器内部与冷却循环管道以及和液态制冷剂漏液孔的布置如图2所示，循环冷却液箱2、冷却循环管道进出液口等处均设有温度传感器，用于监测电池组、循环冷却液箱等系统各处的温度，温度实时监测反馈模块与各温度传感器31信号连接，并基于温度传感器31监测的温度，将汽车电池热管理系统各部分温度在实时显示屏上反馈，喷射装置控制模块与温度实时监测反馈模块信号连接，温度实时监测反馈模块精确定位并显示所述电池组箱1内各组电池的温度，喷射装置控制模块通过所述温度实时监测反馈模块传递的温度定位信息驱动对应的液态制冷剂喷洒装置52以及惰性气体喷射装置53执行喷射任务，同一个液态制冷剂喷洒装置52信号连接的4 个温度传感器31 中任意一个反馈的温度信息到达电池热失控报警温度时，液态制冷剂喷洒装置11 便会开启工作，报警模块能够基于温度传感器31反馈的温度值与报警值的比较结果来控制报警模块是否向外发出报警信号。

图2 部分温度传感器布置示意图

3 温度传感器布置合理性仿真分析

根据上述设计的温度实时监测反馈模块以及温度传感器的具体分布，本研究使用ANSYS16.0 对电池组进行了进行三维放热仿真模拟。

以本案的设计为基础，将18650 单体电池简化为圆柱体，通过网格生成最终可获得如图3 单体电池网格，把16 个18650单体电池设为一组，每组电池按4×4的分布方式进行排列，建立三维自然对流换热模型，模拟电池工作时的放热情况。

图3 单体电池网格

本研究所设计的温度监测模块，用于实时反馈电池组温度及其他部件工作状态，为分析电池组箱内温度传感器分布的可行性，把模拟仿真分成电池组正常工作与个别电池发生热失控两部分。正常工作时，电池的发热量一般包括反应热、化学反应热、欧姆电阻热、有机电解质和固体电解质界面（SEI）分解热[11]，其计算公式如下：

式中：Qtotal为电池的总发热功率，W；Qr为化学反应产生的功率，W；Qp为电极极化过程中的发热功率，W；Qi为欧姆内阻在电池工作中的发热功率，W。

18650 型锂电池的正常工作时温度不超过50 ℃，本研究重点在验证一定温度下温度传感器的分布合理性，因此简化计算，将电池正常发热功率设置为1 W。选择湍流模型进行求解最终可以得到如图4 所示电池组自然放热温度分布俯视云图。其中，电池组最高温度为46 ℃，此时对应温度传感器温度为40 ℃，温差大约为6 ℃，因此，在预设电池过热温度时，应充分考虑不同型号电池的正常放热功率以及传感器具体设置位置对温度检测模块精确性的影响，确保温度实时监测模块的准确性。

图4 电池组自然放热温度分布俯视云图

通过李顶根等[3]的研究可知，当电池发生热失控时，其发热量又主要包括SEI膜分解放热、正负极与电解液反应放热以及电解液分解放热3部分，其计算公式如下：

式中：Qs为电池总的产热量；Qsei为SEI膜分解产热；Qneg为负极材料与电解液反应产热；Qpos为正极材料与电解液反应产热；Qele为电解液高温条件下分解产热。

当18650型锂电池发生热失控时，电池温度会超过70 ℃[9]，为模拟单体电池发生热失控时的状态，简化计算，设置单个热失控电池发热功率为4 W，其余条件不变，最终可以得到如图5所示单体电池热失控时电池组温度分布俯视云图。其中，热失控单体电池最高温度为71 ℃，此时对应温度传感器温度为54 ℃，温差为17 ℃，可以发现，当仅有单体电池发生热失控时，由于温度传感器针对环境测温的局限性，电池温度与温度传感器温度温差较大，电池温度将无法被准确测定，因此，本研究对集成控制系统进行了改进优化。

图5 单体电池热失控时电池组温度分布俯视云图

图6 所示为集成控制系统工作优化流程，电池组正常工作或整体温度过高时，温度传感器温度趋于一致，集成控制系统正常工作；特殊情况下单体电池发生热失控时，对应温度传感器温度将明显高于其余温度传感器，当某传感器反馈的温度超出其余温度传感器5 ℃时，集成控制系统启用特殊工作模式，该模式下预设有较正常工作时更低的电池过热温度和电池热失控报警温度，用以弥补温差带来的监测不准确性。特殊工作模式下的集成控制系统会通过比较不同温度传感器监测的实时电池温度以及实时温升变化来定位异常电池组，并在其达到热失控阻延条件时控制热失控阻延系统对相应电池组进行局部紧急阻延。

图6 集成控制系统工作优化流程

4 惰性气体（二氧化碳）在电池组箱内的阻燃效果分析

对于惰性气体的选择，需要考虑系统的特殊性、惰性气体密度以及降温效果等因素，气体种类并不单一，本研究以二氧化碳为例。通过苗宇[10]的研究报告可知，使用二氧化碳将氧气浓度降至12%时可以达到阻燃效果，将氧气浓度降至14.6%便可阻爆。因此，研究惰性气体的阻燃效果，可以从惰性气体喷入箱体后的扩散情况着手，通过研究二氧化碳质量分数的变化进而判断系统阻燃效果。

为方便计算，将电池组箱简化为二维模型，并根据本研究设计的热失控阻延系统，使用ANSYS16.0 对惰性气体进入电池组箱进行仿真模拟分析。

图7所示电池组箱体网格为二维组分运输模型。将电池组1视作整体，忽略电池间的排列空隙，惰性气体从气体进口2进入，排气孔3则用于排出箱体内原本的气体，作为后续气体出口。

考虑到实际设备限制，气体喷射速度相对缓慢，因此选择层流模型求解，设置气体入口速度为0.5 m/s，以二氧化碳为惰性气体，设定浓度为1并考虑重力影响，进行瞬态模拟仿真，最终可以得到不同时间点二氧化碳在电池组箱内的扩散情况。图8所示为热失控阻延系统启动20 s后二氧化碳的质量分数分布云图（气体入口速度0.5 m/s），可以看出，离喷射装置越远，二氧化碳质量分数也相对越低，因此，为合理判断二氧化碳整体扩散情况，本研究对箱体中央、右侧箱体底部以及距喷射装置最远的电池间隙3处进行二氧化碳质量分数的变化观测，判断其整体扩散情况。

图8 热失控阻延系统启动20 s 后二氧化碳的质量分数分布云图（气体入口速度0.5 m/s）

图9 所示为进气速度为0.5 m/s 时二氧化碳质量分数变化曲线图，结合数据可以发现，箱体中央二氧化碳质量分数上升最快，进气10 s 后质量分数已经达到93%，电池间隙处二氧化碳质量分数上升最慢，70 s 后才达到91%，最终完成惰性气体的扩散。实际条件下，70 s的扩散时间过于漫长，可能会出现电池燃烧先于扩散完成的危险情况，因此，需对惰性气体阻延系统进行改进优化。

图9 进气速度0.5 m/s下二氧化碳质量分数变化曲线

通过张萌启[13]的研究可知，不同SOC 下的锂电池完全热失控的时间各不相同，其中，在电池初始SOC 为80%，充电倍率为1C 时，预警时间最短，仅有15 s，其余热失控时间集中在30 s 以上；为达到预定惰性气体扩散效果，需将气体入口速度提高，为避免过高的流速对电池造成有害影响，同时考虑到实际装置限制，应尽量降低入口流速；多次仿真实验之后，确定将气体入口速度设为2.5 m/s，其余条件不变，可得如图10 所示热失控阻延系统启动20 s 后二氧化碳的质量分数分布云图（气体入口速度2.5 m/s）。

图10 热失控阻延系统启动20 S 后二氧化碳的质量分数分布云图(气体入口速度2.5 m/s)

通过提高气体入口速度可以明显加快二氧化碳的扩散速度，同样取上述研究的观测点可得图11 所示进气速度为2.5 m/s 时二氧化碳质量分数变化曲线，结合数据可以发现，在惰性气体进入箱体20 s 后，箱体中央、右侧箱体底部以及距喷射装置最远的电池间隙3 处的二氧化碳质量分数分别为99%、91%和89%，惰性气体基本完成扩散。

图11 进气速度2.5 m/s下二氧化碳质量分数变化曲线

5 结束语

通过李顶根等[3]的研究可知，水管数、流量以及填充材料会对电池液冷效果产生一定的影响；张青松等[12]研究发现，含三乙醇胺细水雾对电池表面温度冷却效果最佳。本文着重验证温度监测系统的合理性以及惰性气体的阻燃性，在提出一种电池热管理与热失控阻延系统的基础上，分析其结构、组成及控制单元工作的原理，通过锂离子电池的三维放热仿真模拟以及惰性气体扩散的二维仿真模拟，确定了集成控制系统以及热失控阻延装置设计的合理性，通过对仿真结果的分析，可以得出以下结论。

（1）由于温度传感器仅针对环境测温，受电池发热不均、热量散失以及实际测量精度等影响，单一工作模式的温度监测系统在单体电池热失控时存在较大的电池温度误判，严重影响系统运行效率，双模式温度监测系统通过与其他温度传感器测量值的对比，基于电池温度不一致性的判断大大降低了温度误判的影响。

（2）以二氧化碳为惰性气体，其一定浓度下拥有阻燃阻爆的效果，考虑到理论分析与实际存在一定误差，视二氧化碳质量分数达到90%为气体完成扩散且拥有较好阻燃效果，通过惰性气体在电池组箱内扩散的仿真结果可知，进气速度为0.5 m/s 时，二氧化碳进入箱体50 s 后，距离箱体进气口最远处的惰性气体质量分数才可达到91%，完成气体扩散，扩散时间相对较长，为满足气体完成扩散先于电池完全热失控的条件，应将惰性气体扩散时间控制在20 s 以内，因此可以通过提高进气速度或增加进气口等方法提高惰性气体扩散速度，本研究选择前者，综合考虑，提高气体的进口速度至2.5 m/s，经过仿真分析可知，此时系统可以满足快速扩散的要求。