- 頭條合理設計泄壓孔可減少電動汽車燃燒爆炸的危害，鄭大學者發布成果2022-06-09 作者：牛志遠、姜欣 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語頻繁發生的電動汽車安全事故已經嚴重影響了電動汽車產業的健康發展，其中，由于過充電引發的安全事故占有相當高的比例。為研究鋰離子電池電動汽車過充電引發熱失控導致的燃燒爆炸事故，鄭州大學電氣工程學院、杰斯康軟件（上海）有限公司的研究人員牛志遠、姜欣、謝鑌、金陽，在2022年第1期《電工技術學報》上撰文，通過試驗確定了引起鋰離子電池模組爆炸的可燃物主要成分，基于FLACS建立了電動汽車爆炸模型，分析了電動汽車電池艙爆炸的產生過程和影響，并研究了改變泄壓孔對泄爆效果的的影響。 研究發現，不同泄壓位置設計對爆炸沖擊波擴散方向的影響作用明顯，當泄壓孔設置在電池艙側下方時，泄壓效果最好，可有效減小爆炸強度。在合理的設計下，改變泄壓孔的大小及開啟壓差可減小對周圍車輛的沖擊，盡可能地避免引燃相鄰車輛。
隨著全社會電動汽車保有量的增加，電動汽車動力電池安全問題越來越引起市場的高度重視，對整個行業健康發展的影響也越來越顯著。與此同時，隨著其配套的基礎設施——充電樁的建設規模不斷擴大，公共充電安全開始成為動力電池安全的主要問題之一。我國當前的公共充電市場以60kW的快充樁為主，公共充電安全主要體現在電動汽車采用快充服務時的安全性問題，包括電池表征安全、接口安全、通信安全、車輛安全和電池安全等。
近年來，電動汽車火災事故頻發，據統計，34%的電動汽車火災發生在靜置階段，24%發生在充電階段，這些非行駛工況下發生的自燃事故，引起了社會各界的極大擔憂，嚴重影響了公眾對電動汽車行業的信心。
目前電動汽車動力系統使用的主要為鋰離子電池，包括磷酸鐵鋰、三元鋰等。磷酸鐵鋰電池由于體積大的問題，主要用于大型和中型客車；小型乘用電動汽車鋰離子電池能量密度較高，主要裝配液態三元鋰電池。鋰離子電池熱失控是動力電池安全事故的核心原因。更嚴重的是，高密度堆疊的鋰離子電池在熱失控過程中產生的可燃氣體具有很高的爆炸風險。
目前文獻未涉及電動汽車過充應用場景下的燃燒爆炸事故，且鮮有針對電動汽車發生大規模燃燒爆炸的相關研究。通過數值模擬仿真手段進行鋰離子電池電動汽車的爆炸事故模擬是比較切實可行的研究方案。
基于此，鄭州大學電氣工程學院、杰斯康軟件（上海）有限公司的研究人員從電動汽車在充電站過充情景出發，通過數值模擬仿真手段進行鋰離子電池電動汽車爆炸事故模擬。
圖1 電池熱失控試驗可見光圖像主畫面
他們首先通過對磷酸鐵鋰電池模組進行過充熱失控實驗，發現電池模組在熱失控發展過程中引發爆炸的可燃氣主要成分為汽化電解液。其次，基于FLACS軟件，構建了1:1尺寸的電動汽車幾何模型，考慮真實場景的情況，以過充引發的鋰離子電池汽化電解液為燃料，對電動汽車電池艙內汽化電解液點火爆炸進行全過程模擬分析。通過超壓和高溫等數據研究電池艙燃爆擴散特性及對周圍環境的影響，并研究了改變泄壓孔的位置、大小及開啟壓力對泄爆效果的的影響。
圖2 電動汽車簡化物理模型及分布
研究人員最后得出的結論如下：
1）鋰離子電池模組熱失控后，產生CO2和H2等氣體含量不足以達到起爆極限，引起爆炸的主要物質為汽化的碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯等有機物電解質。
2）電動汽車電池艙爆炸發生0.12s后泄壓孔即被突破，產生的高溫可達2158K，電動汽車爆炸對周圍環境的影響方式主要通過高溫，而非超壓沖擊波，傳播范圍較大，易引起周圍充電樁和其他車輛燃燒。
3）泄壓孔設置方向對高溫傳播方向有決定性作用，泄壓孔設置時應盡量減小對周圍環境的沖擊，可考慮在主要泄壓方向上裝設保護裝置；泄壓孔的設置面積對泄壓效果有很大影響，泄壓孔面積越大泄壓效果越好；降低泄壓孔的開啟壓差可以有效降低爆炸對周圍環境的危害。
本文編自2022年第1期《電工技術學報》，論文標題為“電動汽車過充燃爆事故模擬及安全防護研究”，作者為牛志遠、姜欣 等。
