0  引言

汽車動力電池系統(tǒng)是一個高能量的鋰電池存儲載體,通過電能和化學(xué)能的相互轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)能量的存儲和釋放?鋰作為活潑金屬參與化學(xué)反應(yīng),極易發(fā)生化學(xué)能的非正常釋放,導(dǎo)致動力電池系統(tǒng)產(chǎn)生燃燒?爆炸等熱失控現(xiàn)象,造成財產(chǎn)損失和環(huán)境破壞,更為嚴重的情況是造成人身傷害?

針對電動汽車經(jīng)常發(fā)生的著火燃燒等現(xiàn)象,在2020年5月12日,國家發(fā)布了《GB38031-2020電動汽車用動力蓄電池安全要求》這一強制性標準,重點強化了電池系統(tǒng)的熱安全,特別增加了電池系統(tǒng)的熱擴散試驗,要求單體電芯發(fā)生熱失控后,整個系統(tǒng)應(yīng)在5min內(nèi)不起火不爆炸,預(yù)留充足的安全逃生時間,保障駕乘人員的人身安全?

1  防爆閥的作用

電芯熱失控的根本原因是電芯內(nèi)部的放熱副反應(yīng)導(dǎo)致熱量累積,電芯對外熱交換的速率小于熱量累積速率,溫度持續(xù)升高,直至達到著火點溫度,引起燃燒和爆炸?為了預(yù)防熱失控事故的發(fā)生,避免電池包內(nèi)外部壓力的失衡,同時考慮到鋰電池在起火時,會瞬間產(chǎn)生大量的有毒氣體,需要及時定向地泄壓排放氣體?防爆閥作為電池系統(tǒng)預(yù)防熱失控的一項被動安全防護措施,即可實現(xiàn)上述保持壓力平衡和氣體定向泄放的要求?

防爆閥之所以能防水防塵,其結(jié)構(gòu)組件中的核心部件是防水透氣膜材,材質(zhì)為膨體聚四氟乙烯(簡稱e-PTFE)?其材料的孔徑大于氣體分子直徑,但小于灰塵和水,所以氣體能透過膜材,而水和灰塵無法穿透膜材?

2  防爆閥的分類

2.1  活塞式防爆閥

目前市面上主流的防爆閥有2種,一種是活塞彈簧式防爆閥,另一種是頂針式防爆閥?首先介紹活塞式防爆閥的工作原理?在正常工作狀態(tài)下,電池包箱體內(nèi)外氣體通過防爆閥閥體內(nèi)置的防水透氣膜自由流通,氣體從壓強高的一方流向壓強低的一方,即當電池包箱體內(nèi)部氣體壓強大于環(huán)境氣壓時,氣體向外排放;當箱體內(nèi)部氣壓小于環(huán)境氣壓時,外部氣體進入電池包箱體,從而實現(xiàn)內(nèi)外氣壓的平衡?此狀態(tài)下防爆閥起到的是呼吸閥的作用?

當電池包內(nèi)部的壓強遠大于環(huán)境壓強或者內(nèi)部壓強達到防爆閥所設(shè)定的爆破值時,屬于防爆工作狀態(tài)?此時電池包箱體的內(nèi)部氣體壓力會頂開防爆閥內(nèi)置的彈簧活塞桿,氣體將通過無障礙通道與外部環(huán)境直通,來實現(xiàn)氣體的快速排放,從而迅速降低電池包內(nèi)部壓力,防止電池包爆破,此狀態(tài)為防爆狀態(tài)?當排氣后電池包箱體內(nèi)部的氣壓降至活塞式防爆閥所設(shè)定的爆破值以下時,活塞桿退回原始位置,防爆閥立即恢復(fù)到正常工作狀態(tài)?因此活塞式防爆閥的一個最明顯的優(yōu)點是可以反復(fù)使用,不是一次性產(chǎn)品,使用維護成本很低?具體的工作原理如圖1所示?



2.2  頂針式防爆閥

頂針式防爆閥的正常工作狀態(tài)與上述的活塞式防爆閥原理相同,都是利用透氣膜的氣體流通來實現(xiàn)保持電池包箱體的內(nèi)外氣壓平衡?不同點是在防爆狀態(tài)時,頂針式防爆閥是在防爆閥內(nèi)部設(shè)計安裝了一根頂針,當電池包內(nèi)部的壓強遠大于環(huán)境壓強或者內(nèi)部氣體壓強達到防爆閥的爆破壓力時,透氣膜會在電池包內(nèi)部氣體壓力的作用下往外變形拱起,膜材碰到頂針后,頂針會刺破透氣膜,從而使得電池包內(nèi)部與外界直通,實現(xiàn)氣體往外排放快速泄壓的效果,如圖2所示?



2.3  兩種防爆閥的對比

兩種防爆閥的優(yōu)勢稍有差異?下面匯總羅列了頂針式防爆閥和活塞式防爆閥各項性能指標差異的對比,如表1所示?



從表1可以看出,活塞式防爆閥的爆破排氣量小于頂針式防爆閥,活塞式防爆閥依靠彈簧來排氣,爆破不穩(wěn)定,排氣間隙容易堆積灰塵沙子或者表面有泥漿覆蓋影響其性能,爆破前后排氣能力不足,泄壓時間長,但因其成本低可反復(fù)使用,所以一般用于較小的電池包,比如低速車或者電動自行車等產(chǎn)品上?而乘用車或者大巴車等較大的電池包,由于其帶電量多,電池系統(tǒng)容易發(fā)生熱失控現(xiàn)象,為了充分保障人員的生命財產(chǎn)安全,一般都是選用頂針式防爆閥?

3  防爆閥選型的理論計算

頂針式防爆閥因其透氣量大?爆破瞬間排氣量大?泄壓時間短等優(yōu)點而受到電池包生產(chǎn)廠家的青睞?但是頂針式防爆閥的形狀?規(guī)格和尺寸也是多種多樣的,在選用時一般需要考量的兩個重要參數(shù)分別是透氣量和爆破后的泄壓量?

3.1  透氣量的計算

根據(jù)國標GB38031-2020中“8.2.8溫度沖擊”的要求,電池包需置于-40-60℃的交變溫度環(huán)境中,兩種極端溫度的轉(zhuǎn)換時間在30min以內(nèi)?此處假設(shè)電池包內(nèi)的空氣凈容積為50L?根據(jù)國標要求,在30min內(nèi),電池包從-40℃升溫到60℃,氣體體積的膨脹量即為防爆閥所需的透氣量?

根據(jù)理想氣體的蓋·呂薩克定律,壓強不變時,一定質(zhì)量氣體的體積跟熱力學(xué)溫度成正比?即

V1/T1=V2/T2=C(恒量)(1)

V3=V2-V1(2) Q=V3/t×1.5(3)

式中:V1為初始溫度(-40℃)時箱體內(nèi)氣體的體積(50L);T1為初始溫度(-40+273)K;V2為

60℃時箱體內(nèi)氣體的體積;T2為最高溫度(60+273)K;V3為箱體內(nèi)部溫升后產(chǎn)生的氣體體積;Q為透氣量;t為溫升時間,即需要的排氣時間為30min;1.5為安全系數(shù)?

根據(jù)式(1)-式(3),可求得透氣量Q等于1.07L/min?

3.2  防爆泄壓量的計算

鋰電池熱失控與熱擴散是一個復(fù)雜的多因素構(gòu)成的失效現(xiàn)象?深入研究熱失控的機理和電芯爆炸的現(xiàn)象是一個非常繁瑣的工程,需要進行大量的試驗分析?此處為了方便量化計算,基于如下的假設(shè):

(1)選用圓柱18650電芯(體積為0.0165L);(2)單個電芯爆炸熱擴散到周圍6個電芯失效;

(3)7個圓柱電芯同時失效的產(chǎn)氣速率為25L/s;

(4)直徑為10mm(面積為78.5mm2)的直通孔排氣速率為6L/s(在24kPa壓力下); (5)電芯爆炸熱失控后產(chǎn)生的高溫引起電芯體積10倍的空氣膨脹量?

根據(jù)以上假設(shè),可得到7個電芯的體積為

0.0165×7≈0.12L,電芯爆炸導(dǎo)致氣體膨脹量為0.12×10=1.2L,電芯熱失控產(chǎn)生的氣體為25+1.2=26.2L/s,故電池包爆破的泄壓量為26.2L/s?根據(jù)假設(shè)(4)可得出需要的通孔面積為26.2/6×78.5=342.8mm2,即可推算得到通孔直徑為20.9mm?

根據(jù)上述求得的透氣量和通孔直徑兩個參數(shù),來選擇適合實際項目所需要的防爆閥的規(guī)格?需要特別說明的是,鋰電池熱失控的現(xiàn)象復(fù)雜多變,防爆閥的選型還需考慮箱體本身的材質(zhì)?電池包的工況等,同時需配合仿真分析和試驗數(shù)據(jù)?本文也僅是從理論計算的角度提出一種針對汽車動力鋰電池系統(tǒng)的防爆閥選型的思路?

4  防爆閥的安裝位置

防爆閥的安裝位置需要注意以下幾點要求:(1)因為防爆閥在電芯爆炸時起到定向泄壓排氣的功能,所以排出的可燃有毒氣體應(yīng)遠離車內(nèi)人員,同時應(yīng)具有充分的空間來保證氣體流通;(2)為了避免積水和落灰等情況,防爆閥應(yīng)布置在電池箱體的側(cè)面,使防爆閥處于垂直或者傾斜狀態(tài);(3)汽車在高速行駛時會產(chǎn)生空氣流動,高風速攜帶著空氣中的灰塵浮粒會沖擊防爆閥的透氣膜,為了避免透氣膜材和內(nèi)部零件受到?jīng)_擊毀壞,防爆閥的設(shè)計安裝位置應(yīng)在汽車行駛方向的背風面,避免迎風安裝?