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中汽研 | 基于整车级热扩散的传热机理分析
2022-01-25 13:30:52· 来源：电动学堂 作者：董文楷等
文章来源：1.中汽研汽车检验中心（常州）有限公司；2.中国汽车技术研究中心有限公司0引言近年来，随着电动汽车在市场的占有率不断提高，电动汽车的安全问题，续
文章来源：1.中汽研汽车检验中心（常州）有限公司；2.中国汽车技术研究中心有限公司
0引言
近年来，随着电动汽车在市场的占有率不断提高，电动汽车的安全问题，续航问题，成本问题也逐渐成为制约电动汽车行业发展的一大痛点，特别是安全问题，更是成为影响消费者信心的最重要因素。电动汽车自燃起火事故的频繁发生，让电动汽车的安全问题成为了行业及社会关注的焦点，虽然引起事故的原因不完全相同，但是基本都是由于动力电池系统中单只电芯的失控引起。在此过程中，失控单体会释放大量的热能，然后电池附近的温度也迅速升高，导致电池包也发生热失控现象，最终发生整车着火，爆炸等现象。目前对于动力电池的安全研究也主要停留在电池系统或模组单体层级，在整车层级别考虑动力电池热失控后的对其他部件的研究较少，对于整车热扩散传热机理的研究也较稀缺。为此，本文通过在整车上模拟单体发生热扩散来探究整车中热扩散后的传热机理，为整车热扩散防护及安全性能开发提供支撑。
1整车热扩散测试设置
1.1测试设置
1.1.1车辆区域规划
为了对热扩散机理做出详尽的记录，需要对车辆进行一定的改造，在关键部位加入相应传感器，对关键数据进行采集。在不影响车辆固有性能的情况下，对传感器的线束进行布置，主要布置区域为：座椅底部，门板，方向盘，电池包，油箱等。传感器分布如图1所示。
1.1.2电池系统改装
电池系统作为整车热扩散的主要危控单元，且在该测试中主要采用电芯加热来进行热扩散的触发，对电池包的状态进行全方位的监控十分重要。将电池包上盖进行拆除后，对内部重点节点如铜牌，电极等位置布置了传感器，最后安装加热片至电芯侧面。基于本电池系统的安全设计方案，每个模组之间已安装隔热防护措施，本轮测试也将验证该设计是否可以将热扩散影响控制在电池系统层级。同时，在各个模组之间，电池内部，电池外部，排气阀部位等位置加装了传感器，确保能够对电池的状态进行全过程的还原。布置区域可见图2。
1.1.3传感器设定
在测试中监测的数据类型主要包括：1）温度（反映热量传递的最关键的数据）；2）电压（反应电池包状态的关键数据）；3）气体监测（反映乘员舱安全状态的重要参数）。为了更好地复现整车在同一时刻不同部位发生的事件，对所有数据的时间轴统一归零，并记录关键的时间节点，确保能够复现整车温度传递路径，电压骤变节点以及乘员舱存在危险的最初时间节点，保证后续的研究工作顺利进行。
1.1.4失控方式选择
在本次整车热扩散测试中，使用平面状加热装置，其表面覆盖陶瓷材料。在其他热扩散测试中，对于尺寸与锂离子电池单体相同的块状加热装置，可用该加热装置代替其中一个锂离子电池单体，与触发对象的表面直接接触；对于薄膜加热装置，则应将其始终附着在触发对象的表面；加热装置的加热面积都应不大于锂离子电池单体的表面积；将加热装置的加热面与电池单体表面直接接触。参考布置见图3。
1.1.5安全防护要求
为确保在发生热扩散时，乘员有足够的时间发现危险并逃离车辆，完成自救，整车及电池系统应具备相应抑制热扩散蔓延的措施，并需要在危险发生时能够提前预警。在测试中对于车辆本身的安全预警系统的监控也是重要的一环。
1.2测试数据记录
1.2.1温度数据记录
在测试过程中，电池管理系统（BMS）可以监测并记录电池包的温度数据，但是其所能监测的是电池包内几个固定点的温度，并不能监测到每个电芯的温度数据，因此需要在测试电池的电芯，特别是热失控的电芯表面布置热电偶，采集相应电芯在热失控影响下的温度变化。同时BMS的采集电压变化也可以辅助数据模型的还原，数据记录如下图4。
1.2.2电压数据记录
在测试过程中，BMS可以直接监控电池包的电压数据以及单体的电压变化，所以可以采用BMS直接来记录电压的变化。
1.2.3气体监测数据记录
电芯在热失控过程中，会释放氢气、氧气、一氧化碳、甲烷、乙烯、乙烷等气体，而氢气和氧气在空气中含量较高，对乘员安全影响较小，因此初步选择一氧化碳、甲烷这两种气体进行气体监测，在热失控电芯附近布置能够监测一氧化碳和甲烷的气体传感器，并采用数据采集系统进行记录。
1.2.4烟雾排放数据记录
电池包在整个热失控过程中，烟雾排放和火焰燃烧是产生的最明显现象，因此除了布置相应的传感器外，还需在车辆的侧围和底部安装摄像头，便于观察整个烟雾排放过程和火焰燃烧过程。
2整车热扩散现象还原
2.1热扩散触发
热失控的触发采用加热片对电池包内的电芯进行加热，加热功率为900W，记录加热开始时间，将此时间确定为零时刻，同时也作为整车事故发生的起点时刻，此时车辆应发出报警信号提醒乘客车辆有异常状况出现，存在安全风险。本次测试中，车辆于热失控触发后3min22s开始发出报警信号（具备明显的声光信号），并提示乘客尽快远离车辆。
2.2电池热蔓延现象
在开始加热后3min22s，加热电芯出现失控现象，在5min15s时，电池内部有第二个电芯发生热失控现象，车辆门锁部位的外部开始出现间断性的烟气，在8min20s时，电池内部出现第三个电芯发生热失控现象，在11min25s时，第四个电芯失控，此模组已经完全失效，电池层面热蔓延结束。在电池外部的失控现象中，首先座椅出现冒烟并开始在驾驶舱内燃烧，继而引发其他内饰件燃烧，大量烟气在驾驶舱内聚集，舱内气压不断升高，车窗及前后挡风玻璃出现裂痕，烟气逐渐从裂痕处溢出。同时，底部导流板也出现火星，导流板的热量由整车底盘传递到油箱附近，油箱开始处于灼烧状态，最终油箱被外部火焰烧穿，火焰进入油箱内部，内部的汽油被点燃，最终发生爆炸现象。
2.3消防介入
在整车爆燃后，消防开始介入，通过消防车的消防水管进行灭火，整个灭火过程时间较长，主要原因为电池包的火焰难以扑灭，存在多次复燃现象，目前只有通过整体浸没的方式来控制火情，完成灭火。
3整车热扩散传热路径分析
3.1电池内部传热路径
通过测试后数据及对电池结构的分析，对电池内部的传热情况进行了复现，该电池包采用1P6S结构，共有8个模组，分为左右结构，中间采用了隔热防火材料进行了隔离，如图5所示。该设计的目的是为了当发生热扩散后，能够控制能量的释放速率，防止单个模组热扩散后迅速引起其他模组的失控。通过对电池的拆解发现：只有发生了热扩散模组的一侧，模组全部被烧毁，另一侧模组只有烟熏痕迹，并没有被触发热扩散，也没有烧坏的情况，此类设计具备较强的防护性。
3.2电池外部传热路径
在整车设计中一般将电池的散热装置安装在电池的底部及上部，此设计可减少电池包的热量不均匀性，保证电池的稳定程度，将热量散发到电池外部空间，但是，在发生热扩散，大量的热量也会向电池顶部及底部扩散。向下会传到车身底盘，然后沿着车身继续传递。经过拆解分析，由于整车的导流管路
及传动机构，此部分热量没有及时传递到空气中，热量反而传递到了油箱附近；热量向上则传递到了乘员舱底部，进而传递到座椅骨架，最终传递到座椅表面，如图6 所示。
3.3油箱受热现象
热量传递到油箱后，油箱温度持续升高，由于油箱本身具备一定的防火设计，所以在热蔓延的初期，油箱并没有立刻爆燃，但是由于火焰的持续灼烧，油箱长时间处于高温状态，油箱表面材料逐渐开始被灼烧变形，最终油箱薄弱处被烧穿，火星落入油箱内部，油箱内部的少量汽油被点燃，产生了爆炸现象，同时该爆炸也震碎了汽车天窗，前后挡风玻璃，门窗等部件，火焰也从油箱蔓延至车身外部，引发了整车的燃烧。
3.4乘员舱受热现象
热量传递到座椅底部后，由于乘员舱内部多为塑料件，皮质材料，属于易燃材料，后排座椅受热后开始融化，其骨架开始显露，舱内观察到大量白烟，由于车辆密封，盐雾无法排出，随后前排内饰件，方向盘等也开始被灼烧，最终内饰件被熔化为糊状。
4整车热扩散传热机理及防护分析
4.1整车热扩散传热机理简析
热传导在三维的等方向均匀介质里的传播可用以下方程表达：
其中：u=u（t,x,y,z）表示温度，它是时间变数t与空间变数（x,y,z）的函数； ꝺu/ ꝺt是空间中一点的温度对时间的变化率；uxx，uyy与uzz温度对三个空间坐标轴的二次导数；k是热扩散率，决定于材料的热传导率、密度与热容。可见在热传递过程中，一方面是需要对使用的材料进行合理规划，另一方面也需要对部件的防热性能进行安全考量，避免热量的传递。
4.2整车热扩散防护分析
在整车热扩散过程中，首先需要在电池层面进行热扩散的抑制，做好电池系统的防护机制，而目前对于在电池层面做热扩散防护的主要方式有泄爆与隔离两种[6]；在整车层面则需要考虑电池热扩散后，热量的传递路径以及对于关键部位的零部件的安全防护，如座椅底部热量防渗入设计，油箱隔热设计等。
4.2.1电池热管理及安全防护设计
电芯发生热失控后会产生大量高温气体，电池箱体内气压迅速上升，如果不能有效释放，将造成两个潜在危害：气体加热箱体内的其他电芯，导致其他电芯也发生热扩散；压力过高，电池箱体发生严重形变，产生炸裂后外部空气与混合气体作用，产生明火。所以对于电池热安全设计首先是要泄爆，将产生的高温气体排出到箱体外部，通过合适的排气路径及泄爆阀等装置完成此部分的保护功能。另一方面是隔离，隔离的目的是阻断传播，电池包的隔离包括利用纵横梁对模组进行隔离，利用耐火隔热材料进行隔离等。
4.2.2系统热传递路径合理设计
在整车层面，需要考虑的则是电池热扩散后可能会影响到的部件，此时将不再把电池作为单独的系统来考虑其热安全问题，而是将整车都纳入热安全的考虑范围，因为实际中电池发生热扩散后，往往会导致其他部件的连锁反应，最终导致人员伤亡。所以需要把电池热扩散后的传热路径及关键零部件受热后的安全防护也纳入到设计中。热安全问题将不再是单单电池的问题，也是整车系统的一个重要安全问题，合理规划传热散热方式，采用隔热散热等手段，将可以完成整车安全防护升级。
5结束语
通过对整车热扩散的事件模拟，采用事故还原测试手段及多种数据监控分析，对新能源整车级别的安全防护问题做出了研究，揭示了电池热扩散后对整车其他部件的影响，提出了初步的防护方案，特别是对会造成严重后果的部件：如乘员舱体内的座椅，混动车型可能存在的油箱等部件。揭示了热量会在车体内部进行传递，特别是对于混动车型，电池的持续性燃烧会导致油箱爆燃，座椅融化等问题。这些部件的安全性都是影响乘员安全的关键因素，在整车安全防护中应把对于电池热传递的路径，电池热安全也纳入设计中，以防止发生严重的安全事故。
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