汽车动力电池系统防爆阀的选型与理论计算

0  引言

汽车动力电池系统是一个高能量的锂电池存储载体,通过电能和化学能的相互转换来实现能量的存储和释放｡锂作为活泼金属参与化学反应,极易发生化学能的非正常释放,导致动力电池系统产生燃烧､爆炸等热失控现象,造成财产损失和环境破坏,更为严重的情况是造成人身伤害｡

针对电动汽车经常发生的着火燃烧等现象,在2020年5月12日,国家发布了《GB38031-2020电动汽车用动力蓄电池安全要求》这一强制性标准,重点强化了电池系统的热安全,特别增加了电池系统的热扩散试验,要求单体电芯发生热失控后,整个系统应在5min内不起火不爆炸,预留充足的安全逃生时间,保障驾乘人员的人身安全｡

1  防爆阀的作用

电芯热失控的根本原因是电芯内部的放热副反应导致热量累积,电芯对外热交换的速率小于热量累积速率,温度持续升高,直至达到着火点温度,引起燃烧和爆炸｡为了预防热失控事故的发生,避免电池包内外部压力的失衡,同时考虑到锂电池在起火时,会瞬间产生大量的有毒气体,需要及时定向地泄压排放气体｡防爆阀作为电池系统预防热失控的一项被动安全防护措施,即可实现上述保持压力平衡和气体定向泄放的要求｡

防爆阀之所以能防水防尘,其结构组件中的核心部件是防水透气膜材,材质为膨体聚四氟乙烯(简称e-PTFE)｡其材料的孔径大于气体分子直径,但小于灰尘和水,所以气体能透过膜材,而水和灰尘无法穿透膜材｡

2  防爆阀的分类

2.1  活塞式防爆阀

目前市面上主流的防爆阀有2种,一种是活塞弹簧式防爆阀,另一种是顶针式防爆阀｡首先介绍活塞式防爆阀的工作原理｡在正常工作状态下,电池包箱体内外气体通过防爆阀阀体内置的防水透气膜自由流通,气体从压强高的一方流向压强低的一方,即当电池包箱体内部气体压强大于环境气压时,气体向外排放;当箱体内部气压小于环境气压时,外部气体进入电池包箱体,从而实现内外气压的平衡｡此状态下防爆阀起到的是呼吸阀的作用｡

当电池包内部的压强远大于环境压强或者内部压强达到防爆阀所设定的爆破值时,属于防爆工作状态｡此时电池包箱体的内部气体压力会顶开防爆阀内置的弹簧活塞杆,气体将通过无障碍通道与外部环境直通,来实现气体的快速排放,从而迅速降低电池包内部压力,防止电池包爆破,此状态为防爆状态｡当排气后电池包箱体内部的气压降至活塞式防爆阀所设定的爆破值以下时,活塞杆退回原始位置,防爆阀立即恢复到正常工作状态｡因此活塞式防爆阀的一个最明显的优点是可以反复使用,不是一次性产品,使用维护成本很低｡具体的工作原理如图1所示｡



2.2  顶针式防爆阀

顶针式防爆阀的正常工作状态与上述的活塞式防爆阀原理相同,都是利用透气膜的气体流通来实现保持电池包箱体的内外气压平衡｡不同点是在防爆状态时,顶针式防爆阀是在防爆阀内部设计安装了一根顶针,当电池包内部的压强远大于环境压强或者内部气体压强达到防爆阀的爆破压力时,透气膜会在电池包内部气体压力的作用下往外变形拱起,膜材碰到顶针后,顶针会刺破透气膜,从而使得电池包内部与外界直通,实现气体往外排放快速泄压的效果,如图2所示｡



2.3  两种防爆阀的对比

两种防爆阀的优势稍有差异｡下面汇总罗列了顶针式防爆阀和活塞式防爆阀各项性能指标差异的对比,如表1所示｡



从表1可以看出,活塞式防爆阀的爆破排气量小于顶针式防爆阀,活塞式防爆阀依靠弹簧来排气,爆破不稳定,排气间隙容易堆积灰尘沙子或者表面有泥浆覆盖影响其性能,爆破前后排气能力不足,泄压时间长,但因其成本低可反复使用,所以一般用于较小的电池包,比如低速车或者电动自行车等产品上｡而乘用车或者大巴车等较大的电池包,由于其带电量多,电池系统容易发生热失控现象,为了充分保障人员的生命财产安全,一般都是选用顶针式防爆阀｡

3  防爆阀选型的理论计算

顶针式防爆阀因其透气量大､爆破瞬间排气量大､泄压时间短等优点而受到电池包生产厂家的青睐｡但是顶针式防爆阀的形状､规格和尺寸也是多种多样的,在选用时一般需要考量的两个重要参数分别是透气量和爆破后的泄压量｡

3.1  透气量的计算

根据国标GB38031-2020中“8.2.8温度冲击”的要求,电池包需置于-40-60℃的交变温度环境中,两种极端温度的转换时间在30min以内｡此处假设电池包内的空气净容积为50L｡根据国标要求,在30min内,电池包从-40℃升温到60℃,气体体积的膨胀量即为防爆阀所需的透气量｡

根据理想气体的盖·吕萨克定律,压强不变时,一定质量气体的体积跟热力学温度成正比｡即

V1/T1=V2/T2=C(恒量)(1)

V3=V2-V1(2) Q=V3/t×1.5(3)

式中:V1为初始温度(-40℃)时箱体内气体的体积(50L);T1为初始温度(-40+273)K;V2为

60℃时箱体内气体的体积;T2为最高温度(60+273)K;V3为箱体内部温升后产生的气体体积;Q为透气量;t为温升时间,即需要的排气时间为30min;1.5为安全系数｡

根据式(1)-式(3),可求得透气量Q等于1.07L/min｡

3.2  防爆泄压量的计算

锂电池热失控与热扩散是一个复杂的多因素构成的失效现象｡深入研究热失控的机理和电芯爆炸的现象是一个非常繁琐的工程,需要进行大量的试验分析｡此处为了方便量化计算,基于如下的假设:

(1)选用圆柱18650电芯(体积为0.0165L);(2)单个电芯爆炸热扩散到周围6个电芯失效;

(3)7个圆柱电芯同时失效的产气速率为25L/s;

(4)直径为10mm(面积为78.5mm2)的直通孔排气速率为6L/s(在24kPa压力下); (5)电芯爆炸热失控后产生的高温引起电芯体积10倍的空气膨胀量｡

根据以上假设,可得到7个电芯的体积为

0.0165×7≈0.12L,电芯爆炸导致气体膨胀量为0.12×10=1.2L,电芯热失控产生的气体为25+1.2=26.2L/s,故电池包爆破的泄压量为26.2L/s｡根据假设(4)可得出需要的通孔面积为26.2/6×78.5=342.8mm2,即可推算得到通孔直径为20.9mm｡

根据上述求得的透气量和通孔直径两个参数,来选择适合实际项目所需要的防爆阀的规格｡需要特别说明的是,锂电池热失控的现象复杂多变,防爆阀的选型还需考虑箱体本身的材质､电池包的工况等,同时需配合仿真分析和试验数据｡本文也仅是从理论计算的角度提出一种针对汽车动力锂电池系统的防爆阀选型的思路｡

4  防爆阀的安装位置

防爆阀的安装位置需要注意以下几点要求:(1)因为防爆阀在电芯爆炸时起到定向泄压排气的功能,所以排出的可燃有毒气体应远离车内人员,同时应具有充分的空间来保证气体流通;(2)为了避免积水和落灰等情况,防爆阀应布置在电池箱体的侧面,使防爆阀处于垂直或者倾斜状态;(3)汽车在高速行驶时会产生空气流动,高风速携带着空气中的灰尘浮粒会冲击防爆阀的透气膜,为了避免透气膜材和内部零件受到冲击毁坏,防爆阀的设计安装位置应在汽车行驶方向的背风面,避免迎风安装｡