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电池热失控的仿真和优化

   次浏览   汽车电子设计   2021-04-29

今天到家比较晚,我们来看一下AVL整理的这一份WEBINAR里面有价值的地方,这份材料主要是介绍热失控设计防护仿真的,又恰好是用的比较用的多双排大模组。《Hazard Limitation and Safety Assessment for EV Batteries Using Simulation-Based Development》

电池热失控的仿真和优化

图1 GTR N20下热失控防护的延缓设计成为全球标准配置

考虑对象双排模组

这个研究对象是我们比较用的多的双排方壳模组,如下图所示

电池热失控的仿真和优化

研究仿真还原的是电芯在喷发气体的危害因素,在排气过程中气体成分、质量和流量,研究不同的泄压阀位置和内部的效果;当然我们最关注的还是电芯热失控过程中的时间传播延迟性还有对于加入隔热材料等措施的有效性。

电池热失控的仿真和优化

图2 热失控实验的分析和仿真监控

1)喷发过程的评估

电芯达到临界温度以后,汽化的电解质就会高压喷发到电池模块中的气隙中。这种气体的温度最高可达1400°C,可在很短的时间内熔化附近的部件,在这里最直接的就是模组上盖的融化。

电池热失控的仿真和优化
电池热失控的仿真和优化

图3 热失控以后喷发气体造成的危害


热失控过程中释放出来的气体包含H2,CO,CH4,DMC和其他(在某些情况下为有毒的)成分,这样的混合气体高度易燃。 在整包仿真中的意义是考核烟气隔离盖、泄压阀数量&位置和排气通道的设计优化。

电池热失控的仿真和优化
电池热失控的仿真和优化

图4气体在环境下是否会自燃也是影响整个反应的过程

2)泄压阀的设计

目前电池包内设计的泄压阀,是确保电池系统内可燃气体在可控状态下排出的最主要的设计手段,通过对泄压阀的建模对于确定选择泄压阀的数量、位置和压力释放特性比较关键。

电池热失控的仿真和优化
电池热失控的仿真和优化

图5 Etron、ES8和Model 3的泄压阀设计


3)模组内电芯热传递的时间优化

模组内隔绝电芯热传播的手段主要是通过增加电芯的间距,间隔的隔热材料,端板的绝缘防护和顶部绝缘烟气盖的设计。

电池热失控的仿真和优化

图6 在端板附近电芯引发热失控的传递时间


4)烟气隔离

有效的烟气隔离设计主要是能够影响模组内的热失控传播时间,另一方面也有助于防止气体对于模组上盖的快速融化。

电池热失控的仿真和优化

图7 烟气隔离盖

系统措施

现在行业里面都在提零热失控,也就是即使电芯热失控,整包也能控制住。这个我们能采取的手段如下图所示,手段都是相似的,就是在不同位置和不同条件下是否能做到完全的一致,完全能在可控范围内。

  • 泄压:通过泄压阀的设计,在热失控的时候把高温的其他排出去防止压力的堆积
  • 喷发物控制:方壳电芯有小一半的热量是通过喷发物排出来的,所以在电池系统里面需要设计完善的排烟通道并且把喷发物和其他电芯进行隔离
  • 降温:在预警出现以后,开启整车水泵对电池系统进行紧急的降温的措施,尽量把热失控的电芯的热量通过原有的热管理系统排出去
  • 预警:采用压力传感器搭配温度和电压检测的办法,在一个电芯出现热失控,整包的气压出现变化以后就进行唤醒,然后确认热失控的情况。
  • 隔热:这个行业内都比较熟悉,对于方壳电芯而言,主要通过电芯之间的隔热材料实现热隔离
电池热失控的仿真和优化

图8 目前各个电池厂做的系统层面设计都是相似的

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