基于壅塞流的动力电池防爆阀泄压特性的动态仿真_厉运杰.pdf

第 12 卷 第 3 期2023 年 3 月Vol.12 No.3Mar.2023储能科学与技术Energy Storage Science and Technology基于壅塞流的动力电池防爆阀泄压特性的动态仿真厉运杰，张光雨，祝维文，闵远远，饶成飞，孙言飞，徐庆庆（合肥国轩高科动力能源有限公司，安徽 合肥 230012）摘要：防爆阀作为缓解电池系统热失控的被动安全措施，在电芯设计中扮演着非常重要的角色，防爆阀的开启压力、阀体面积及阀体位置对电芯热失控后的泄压过程有着重要影响。本工作主要介绍了动力电池热失控后产热产气导致防爆阀开启的泄压过程，通过理论计算、实验测试及仿真分析相结合的方式，对防爆阀的泄压特性进行了系统阐述与分析。首先，基于流体力学基本原理和方程从理论上对防爆阀的泄压过程进行了分析，阐述了电芯热失控过程中防爆阀开启后的泄压壅塞流基本状态；其次，通过开展无阀电芯的加热热失控和过充热失控两类实验，实验中实时监测了电芯热失控过程中卷芯的温度和电芯的内压，从而得到电芯热失控过程中防爆阀开启前电芯的产热产气速率；最后，对电芯的产热产气及泄压过程进行仿真，基于COMSOL软件，建立了动力电池防爆阀泄压过程的系统模型。且对防爆阀的开启压力、阀体面积及阀体位置等影响因素进行了归类仿真分析，并与实验数据进行了对比验证，得到了较为优化的防爆阀结构设计，为动力电池优化设计提供了一定的参考。关键词：动力电池；防爆阀；壅塞流；动态仿真；泄压特性doi：10.19799/ki.2095-4239.2022.0442 中图分类号：TK 02 文献标志码：A 文章编号：2095-4239（2023）03-960-08The dynamic simulation of pressure relief characteristics of the power battery vent based on choking flowLI Yunjie,ZHANG Guangyu,ZHU Weiwen,MIN Yuanyuan,RAO Chengfei,SUN Yanfei,XU Qingqing(Hefei Gotion High-Tech Power Energy Co.,Ltd,Hefei 230012,Anhui,China)Abstract:As a passive safety measure to prevent the thermal runaway of the battery system,the vent plays a very essential role in cell design.After the cell has reached thermal runaway,the pressure relief procedure is significantly impacted by the opening pressure,area,and position of the vent.This paper mainly presents the pressure relief process of the vent opening caused by heat and gas production after the cell thermal runaway.Through theoretical calculation,experimental test and simulation analysis,the pressure relief features of the vent are systematically described and analyzed.First,the pressure relief process of the vent is examined theoretically based on the basic principles and equations of fluid mechanics,and the basic state of the pressure relief choke flow after the vent is opened in the process of thermal runaway is expounded;Second,by performing two kinds of experiments of heating thermal runaway and overcharging thermal runaway of the cell,the temperature of the jerry roll and the internal pressure of the cell were monitored in real time,to determine the heat and gas production rate before the vent was opened;Finally,a simulation of the cells pressure relief,gas production,and heat output are performed.The system model for the vents pressure 储能测试与评价收稿日期：2022-08-08；修改稿日期：2022-09-05。第一作者：厉运杰（1985），男，博士，研究方向为动力电池安全机理，E-mail：；通讯作者：张光雨，博士，研究方向为动力电池仿真，E-mail：zhangguangyu 。第 3 期厉运杰等：基于壅塞流的动力电池防爆阀泄压特性的动态仿真relief is built using COMSOL,and impacting elements including the vents opening pressure,area,and position are categorized and simulated.Additionally,the simulation results and test data from experiments are compared.A more optimized structure design of the vent is obtained,which provides a certain reference for the optimal design of the power battery.Keywords:the power battery;vent;choking flow;dynamic simulation;pressure relief characteristics近年来，随着社会的快速发展，环境污染、能源短缺等问题日趋严重，特别是随着“双碳”目标的提出，节能减排成为了当下最热门的话题1。传统的燃油汽车油耗高，废气污染大，不符合节能减排的发展趋势，而新能源汽车零油耗、无污染、噪声低，是汽车未来发展的主要趋势，全球新能源汽车发展已进入不可逆的快车道2。基于动力电池的新能源汽车，其安全问题一直以来备受大众关注，特别是电芯热失控带来的安全隐患，成为了当前动力电池安全研究的热点3。电池热失控的根本原因是电池内部放热副反应引起的热量积聚。电池的外部散热速率低于发热速率，导致电池内部温度持续升高，直到达到点火点温度，从而导致燃烧甚至爆炸。为了防止热失控事故的发生，避免电池组内外压力不平衡，同时考虑到锂电池再次着火时会立即产生大量有毒气体，有必要及时定向泄压排气。防爆阀作为防止电池系统热失控的被动安全措施，可以满足上述保持压力平衡和气体定向泄放的要求4-5。国内外学者对于此也做了一些研究工作，Finegan等6借助X射线首次跟踪了导致热失控和热失控期间内部结构快速变形的进展。这种新方法使我们能够观察气袋的形成、排气和温度升高对锂离子电池内部螺旋缠绕层结构的影响，并评估工程设计对电池安全和性能的影响。Coman等7借助热失控实验提出热失控防爆阀打开喷出物带走热量和电解液汽化吸热的概念，建立六方程热失控模型，对比常规四方程仿真方法能精准预测电芯达到热失控的时间，但由于采用集总模型，在热失控最高温度预测方面仍存在误差；Feng等8从电池材料、电芯、模组、电池包四个层级综述了锂电池热失控缓解策略，并总结可能引发热失控的滥用条件；常修亮等9总结了目前锂电池热失控仿真研究现状，当前的热失控模型已经具有较好的精确度，可以模拟出电池发生热失控时主要的放热副反应，但未提及防爆阀设计相关仿真方法；付一民等10通过有限元仿真分析的方法，主要对防爆阀结构静力学进行仿真分析，通过等效法为动力电池用防爆阀的设计提供一种思路；杜光超等11通过高镍圆柱电池热失控发现锂电池安全阀破坏温度随着SOC的增高而降低。总结上述研究发现，目前文献多以研究热失控机理和产气为主，对于防爆阀设计类安全措施较少，没有对防爆阀开启压力、开阀面积、布置位置等参数做系统性研究，形成理论性指导。防爆阀的开阀压力是电芯防爆阀设计的一个重要参数，一方面开阀压力过低，可能导致电芯长周期循环防爆阀异常开启，降低了电芯可靠性，另一方面，开阀压力过高，可能导致电芯热失控后直接炸裂，增加了安全风险。此外防爆阀的开阀面积、布置位置等也会影响电芯防爆阀开启后的泄压特性，因此开展防爆阀开启压力、设计面积、布置位置的研究对防爆阀的优化设计具有重大意义12。本研究基于COMSOL软件建立电芯防爆阀的流体仿真模型，分析在壅塞状态下防爆阀设计参数对电芯热失控后泄压的影响，为防爆阀的开阀压力、设计面积及布置位置等优化设计提供参考和支撑。1 系统介绍及理论分析以某一款动力电池单体电芯为例，开展防爆阀的泄压壅塞流理论分析。电芯防爆阀布置于小面(顶面)，采用跑道形结构设计，如图1所示。电芯热失控后产生大量热量及气体，导致电芯内压急剧增加，当内压增加到防爆阀的开启压力后，防爆阀打开，气体从防爆阀开口处泄出，此过程可以等效为一个壅塞流模型。电芯壳体内部的温图1电芯防爆阀示意图Fig.1Schematic diagram of battery proof valve9612023 年第 12 卷储能科学与技术度、压力、气体密度、体积分别为 T1、P1、1、V1，电芯外部空间的温度、压力、气体密度、体积分别为T2、P2、2、V2，电芯内部截面积为A，防爆阀的开口面积为S*13-14。电芯防爆阀开启后，气体从壳体内泄放到外界大气中，该过程满足压缩气体的伯努利方程：-1P11+V212=-1P22+V222(1)其中，是等熵系数，不同气体等熵系数不同。同时，防爆阀的壅塞流过程满足气体连续性方程、理想气体状态方程：1AV1=2AV2(2)PV=nRT(3)由于防爆阀泄压过程气体流动速度快，系统来不及与外界交换热量，且气体黏性很小，摩擦力很小，可以忽略，故该过程还满足理想气体多变方程(可逆绝热过程)15：21=()P2P11(4)由式(1)、(2)、(4)可以理论计算出防爆阀出口等效截面处的流速：V2=2-1P11|1-()P2P1-1(5)由式(2)、(3)、(5)可以理论计算出防爆阀出口等效截面处的质量流量：q2=SP1T12-11R|()P2P12-()P2P1+1(6)由式(6)可以求出壅塞流量的临界压比：b=P2P1=()2+1-1(7)由式(7)可知，临界压比仅与气体种类有关，对于空气临界压比为1.4。电芯热失控的产气是由多种气体组成的混合气体，主要包含H2、CO2、CO、CH4等，其内压在1.2 MPa以内，符合上述理论分析的假设，可以采用基于上述理论模型的软件进行仿真计算。2 系统仿真分析本部分讨论热失控产气速率及防爆阀设计参数对泄压壅塞流的影响，主要分析开阀压力、防爆阀设计面积、开阀位置及热失控产气速率对防爆阀的泄压时间和平衡压力的动态变化规律，明确在防爆阀泄压壅塞流过程中的