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隔热层/细水雾及其协同策略对锂离子电池热失控传播的影响研究

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隔热层/细水雾及其协同策略对锂离子电池热失控传播的影响研究

作者：唐琪中国科学技术大学

学位级别：硕士

热失控是锂离子电池最严重的安全问题,而热失控在电池模组内的传播更是导致大规模电池火灾与爆炸事故的直接原因,亟需可靠的方法对其进行有效防控。热失控传播的主要路径在于热失控电池释放的热量通过热传导、辐射等方式传递给相邻电池... 详细信息

热失控是锂离子电池最严重的安全问题,而热失控在电池模组内的传播更是导致大规模电池火灾与爆炸事故的直接原因,亟需可靠的方法对其进行有效防控。热失控传播的主要路径在于热失控电池释放的热量通过热传导、辐射等方式传递给相邻电池,因此防控的关键在于控制电池间的传热,目前主要的控制手段包括在电池间插入低导热率隔热层的被动防控措施和施加冷却灭火介质的主动防控措施,在冷却介质中细水雾又因其出色的冷却能力而被首选为热失控抑制介质。前人在热失控传播抑制方面的研究大多侧重于隔热、散热的单一抑制策略,但目前的单一抑制策略往往抑制能力不足,难以起到显著作用,因此,为进一步探求热失控传播的有效抑制手段,有必要开展隔热层隔热和细水雾吸热协同抑制策略下电池模组内灾害传播抑制的有效性研究,以期为发展协同高效的锂离子电池热失控抑制策略提供必要的数据支撑。本文通过自主搭建的小尺度锂离子电池热失控传播抑制实验台,以7 Ah方形三元锂离子电池为研究对象,开展了隔热层/细水雾及其协同抑制策略下热失控灾害传播抑制的有效性研究,对比分析了不同抑制策略下的热失控传播速度、时间间隔、热失控触发时间等热失控动力学参数及温度、温度变化速率、加热速率、散热速率等热参数的变化规律,并结合电压、实验现象获得了不同条件下的临界抑制参数,揭示了协同策略的抑制机制。同时,提出了不同SOC下隔热层厚度/细水雾施加时间对热失控传播时间间隔的推导公式。通过改变隔热层厚度、细水雾施加时间,开展了隔热层隔热、细水雾吸热两种单一抑制策略下热失控传播研究。结果表明:隔热层的添加可有效延缓甚至阻断75%SOC以下电池模组的热失控传播进程,但对高SOC的效果却不佳,隔热层的插入会导致电池模组出现严重的聚热现象,使初始电池提前触发热失控;细水雾的施加可延缓甚至部分阻断热失控传播进程,但对于75%SOC以上的电池模组总是存在细水雾冷却速率小于相邻电池的加热速率的情形,一旦电池表面温度超过临界控制温度,细水雾的冷却速率便会小于电池的加热速率,从而导致热失控抑制失效。基于单独抑制策略的抑制不足,对单独抑制失效工况下的抑制策略进行了优化,展开了协同抑制策略对热失控传播抑制的有效性研究。发现隔热层与细水雾协同抑制策略对75%SOC以上电池模组的热失控灾害传播具有显著的抑制效果,协同策略抑制锂离子电池热失控传播的机制在于先隔热主导再散热主导,隔热层减小了电池间热传导速率,延长了电池自身的散热和细水雾的冷却吸热时间,细水雾吸热减少了电池间热量传递,从而成功阻断了热失控传播;相较于隔热层隔热及细水雾吸热单一抑制策略,协同抑制策略的抑制效果更优,抑制后电池模组热失控的严重程度更小,热失控释放的有毒气体CO、SO2的浓度分别下降了 21%、30%;并且对未失效电池的容量等性能影响较小,容量退化率小于1%。本文所研究的协同抑制策略可有效改进隔热层隔热及细水雾吸热单一抑制策略的不足,从而为实际工程提供一定参考。

关键词：锂离子电池热失控传播隔热层细水雾协同抑制

细水雾与隔热层协同对锂离子电池灾害传播抑制的研究

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火灾科学 2023年第3期32卷 195-206页

作者：唐琪胡健朱小龙王喜世中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室合肥230026

热失控是锂离子电池最严重的安全问题,一旦发生,极易在电池模组内传播,其释放的热量成倍增长后会导致严重的燃烧爆炸事故,严重阻碍了其在储能、电动汽车等行业的应用,因此需要可靠的方法来阻隔热失控在电池间的传播。目前主流的散热与... 详细信息

热失控是锂离子电池最严重的安全问题,一旦发生,极易在电池模组内传播,其释放的热量成倍增长后会导致严重的燃烧爆炸事故,严重阻碍了其在储能、电动汽车等行业的应用,因此需要可靠的方法来阻隔热失控在电池间的传播。目前主流的散热与隔热两种热失控抑制策略都存在不足,细水雾因其出色的冷却能力被首选为散热介质,因此有必要开展细水雾散热与隔热层隔热对电池模组内灾害传播协同抑制的有效性研究。以4块车用7 Ah方型动力三元锂离子电池为研究对象,对比分析了隔热层隔热、细水雾散热及其协同抑制三种策略对热失控传播抑制中的关键参数变化。结果表明:本实验中单纯的隔热或细水雾散热方法均无法完全阻断热失控蔓延,但协同抑制策略不仅能完全有效阻断,还可有效解决隔热板导致的聚热现象与细水雾冷却速率有限的问题,相邻电池的最高温度及最大温升速率控制在了132.4℃、0.35℃/s以下;同时,有毒气体CO、SO_(2)的浓度相比无抑制时分别下降约21%、30%。协同抑制的综合效果大于两者单独作用之和,本研究可为电池包内合理平衡隔热和散热之间的关系设计提供数据参考。

关键词：三元锂离子电池热失控传播隔热层细水雾协同抑制

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高温载荷下带隔热层加筋板结构热力响应研究

船舶工程 2023年第9期45卷 152-159,165页

作者：杨逸飞袁昱超唐文勇上海交通大学海洋工程国家重点实验室上海200240 上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院上海200240

隔热材料在船舶领域应用广泛,起到良好的稳定舱室温度的作用,但目前对带隔热层加筋板结构热力响应的研究较少。基于热弹性力学,采用直接热力耦合的方法对有隔热层的加筋板在高温载荷作用下的结构热力响应进行数值模拟,确定了更合理的带... 详细信息

隔热材料在船舶领域应用广泛,起到良好的稳定舱室温度的作用,但目前对带隔热层加筋板结构热力响应的研究较少。基于热弹性力学,采用直接热力耦合的方法对有隔热层的加筋板在高温载荷作用下的结构热力响应进行数值模拟,确定了更合理的带隔热层加筋板结构热力分析方法,研究了隔热材料的厚度、导热系数和热膨胀系数对加筋板结构温度场和热应力场的影响;计算了将隔热层覆盖区域进行绝热处理时加筋板结构热力响应结果,并与考虑隔热层的复杂模型热力响应结果进行对比分析。结果表明:有无隔热层对加筋板结构的热力响应结果有极大影响,继续增加隔热层厚度,结构的温度和应力均会增大;隔热材料的热膨胀系数在一定范围内对结构的温度结果和应力结果影响很小;将隔热层覆盖区域进行绝热处理后,结构的温度和应力有所增大,各特征点等效应力最多增大了9.42%,绝热简化模型的计算结果相对保守。研究结果可为船舶结构设计和安全性分析提供技术支撑。

关键词：隔热层加筋板数值模拟热力响应绝热处理

高地温隧道隔热层方案优化设计及应用——以尼格隧道为例

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科学技术与工程 2023年第9期23卷 4004-4010页

作者：齐兵杨松曹振生张少强隆能增中电建路桥集团有限公司北京100048 重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重庆400044

为优化高地温隧道隔热层的设计及应用方案,以红河州建(个)元高速公路尼格隧道为工程背景,采用正交试验及数值模拟相结合的方法,研究了隧道风速、导温系数、围岩温度和隔热层的厚度对隧道内环境温度的影响。结果表明:夹心式硬质聚氨酯泡... 详细信息

为优化高地温隧道隔热层的设计及应用方案,以红河州建(个)元高速公路尼格隧道为工程背景,采用正交试验及数值模拟相结合的方法,研究了隧道风速、导温系数、围岩温度和隔热层的厚度对隧道内环境温度的影响。结果表明:夹心式硬质聚氨酯泡沫塑料隔热层对降低高地温隧道内环境温度有显著的作用,影响隧道内环境因素的顺序为隧道内风速、围岩温度、导温系数和隔热层的厚度;导温系数为0.02 W/(m·K)、厚度为5 cm的隔热层敷设方案,可将尼格隧道内的环境温度控制在31.45℃以下。该研究结果可为优化高地温隧道的隔热层设计提供参考。

关键词：高地温隔热层方案优化正交设计数值模拟

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热防护服隔热层材料的成型工艺研究

棉纺织技术 2022年第S1期50卷 13-17页

作者：戴佳欣李小辉东华大学上海200051 现代服装设计与技术教育部重点实验室上海200051

探讨热防护服隔热层材料成型工艺的研究进展,并分析了隔热层现有的局限和未来的发展方向。介绍了气凝胶、形状记忆材料和相变材料在隔热层中的应用,分析了目前隔热层结构的存在形式,并通过非织造成型工艺、三维立体间隔织物成型工艺以... 详细信息

探讨热防护服隔热层材料成型工艺的研究进展,并分析了隔热层现有的局限和未来的发展方向。介绍了气凝胶、形状记忆材料和相变材料在隔热层中的应用,分析了目前隔热层结构的存在形式,并通过非织造成型工艺、三维立体间隔织物成型工艺以及其他成型工艺3个方向,对现有的隔热层结构进行归类。基于当前研究进展,分析了隔热层材料的局限,并展望了隔热层的未来发展方向。认为:空气层的发展、材料的选择和新型工艺的推进是未来的发展重点。

关键词：热防护服隔热层气凝胶形状记忆材料相变材料激光切割技术空气层

隔热层对深季节冻土区涵底冻深的影响及其优化设计

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铁道学报 2015年第12期37卷 96-105页

作者：张蔚汪江红李先明江聪牛永红中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冰冻圈科学国家重点实验室甘肃兰州730000 中国科学院大学北京100049 兰州大学土木工程与力学学院甘肃兰州730000 哈大铁路客运专线有限公司辽宁沈阳110002 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室甘肃兰州730000

在深季节冻土区,涵洞的存在使其基础的冻结深度大于天然场地冻结深度,前者约为后者的2倍,工程中一般将铺设隔热层作为解决方法。本文通过等效厚度换算法比较现阶段3种常用隔热材料的优缺点;以哈大高速铁路上的试验涵洞为原型,运用有限... 详细信息

在深季节冻土区,涵洞的存在使其基础的冻结深度大于天然场地冻结深度,前者约为后者的2倍,工程中一般将铺设隔热层作为解决方法。本文通过等效厚度换算法比较现阶段3种常用隔热材料的优缺点;以哈大高速铁路上的试验涵洞为原型,运用有限元分析方法,对深季节冻土区涵底有隔热层涵洞的温度场进行数值模拟;为检验隔热层效果,改变隔热层铺设的位置、方式和厚度,分别进行数值计算,了解各因素对涵底冻深的影响,得到适合涵洞基础的最佳隔热层铺设方案。结果表明:泡沫混凝土是涵底隔热层的理想材料,针对试验涵洞,应在基础最上端铺设厚度38cm、比基础宽10cm的泡沫混凝土作为隔热层,这样可以减少涵底最大冻结深度,满足寒区工程需要。

关键词：深季节冻土涵洞隔热层材料铺设方案

隔热层对季节冻土区无砟轨道路基冻胀防治的适应性分析

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铁道学报 2014年第5期36卷 76-81页

作者：田亚护肖伟沈宇鹏王天亮北京交通大学土木建筑工程学院北京100044 石家庄铁道大学土木工程学院河北石家庄050043

结合客运专线无砟轨道路基的工程结构及我国东北地区季节冻土的工程特点,通过对粗颗粒土的室内冻胀试验,得出随着细颗粒含量的增加,粗颗粒土的持水性和冻胀率都相应增大;当粗颗粒土中小于0.075 mm细颗粒含量为5%时,土样经饱和再排水条... 详细信息

结合客运专线无砟轨道路基的工程结构及我国东北地区季节冻土的工程特点,通过对粗颗粒土的室内冻胀试验,得出随着细颗粒含量的增加,粗颗粒土的持水性和冻胀率都相应增大;当粗颗粒土中小于0.075 mm细颗粒含量为5%时,土样经饱和再排水条件下冻胀率为1.31%。根据哈齐客运专线季节冻土区的地质及气候条件,采用有限元数值方法分别对季节冻土区既有和新建的客运专线无砟轨道路基设置隔热层后的路基温度场进行了对比分析,计算结果表明:对于新建路基,在路基面铺设10 cm厚隔热层和保温护坡措施后路基的保温效果良好,可以起到对路基冻害的预防作用;对于既有路基,采用在路基面(轨道板处除外)和边坡位置铺设隔热层措施,路基的保温效果不明显。

关键词：季节冻土区隔热层客运专线路基

隔热层对锂电池模组热失控蔓延特性影响的实验研究

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汽车工程 2021年第10期43卷 1448-1456页

作者：常润泽郑斌冯旭宁徐成善王淮斌陈立铎王有镗山东理工大学交通与车辆工程学院淄博255049 清华大学汽车安全与节能国家重点实验室北京100084 中汽研新能源汽车检验中心(天津)有限公司天津300300

本文中对不同类型隔热层对电池模组热失控蔓延特性的影响进行了实验研究。结果表明:隔热层具有延长电池模组热蔓延时间、防止电池喷阀后起火和降低模组热蔓延最高温度的作用;其中预氧化丝气凝胶隔热层热蔓延抑制效果最优,其模组完全热... 详细信息

本文中对不同类型隔热层对电池模组热失控蔓延特性的影响进行了实验研究。结果表明:隔热层具有延长电池模组热蔓延时间、防止电池喷阀后起火和降低模组热蔓延最高温度的作用;其中预氧化丝气凝胶隔热层热蔓延抑制效果最优,其模组完全热蔓延时长是使用陶瓷气凝胶隔热层模组的138%,是使用纳米玻璃纤维隔热层模组的279%。

关键词：锂电池模组隔热层热失控热蔓延抑制气凝胶

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单通道飞机客舱隔热层渗风量的模拟与测量

单通道飞机客舱隔热层渗风量的模拟与测量

作者：董劲松天津大学

学位级别：硕士

客机运营过程中,舱内与机身隔热层的压差可造成客舱与隔热层之间的空气交换。当客机巡航时,其蒙皮温度远低于客舱空气的露点温度,从内饰板接口或铆钉处渗入隔热层的湿空气可造成蒙皮内壁凝水或结冰。随着客机运行时间增加,隔热层内的水... 详细信息

客机运营过程中,舱内与机身隔热层的压差可造成客舱与隔热层之间的空气交换。当客机巡航时,其蒙皮温度远低于客舱空气的露点温度,从内饰板接口或铆钉处渗入隔热层的湿空气可造成蒙皮内壁凝水或结冰。随着客机运行时间增加,隔热层内的水分也逐渐积累,滋生微生物,造成霉变、材料腐蚀、和机体增重。客舱往隔热层的渗风受飞机巡航高度、缝隙位置、缝隙几何尺寸等诸多因素影响,目前还缺乏对对客舱与隔热层之间渗风机理以及影响渗风量大小的系统研究。本文使用经过实验验证的数值模拟方法研究了飞机巡航高度、缝隙尺寸、缝隙位置、以及在隔热层内安装阻流板与否,对气流场、温度场、气压场和渗风量的影响。首先在实验室建立了包含蒙皮、隔热层、内饰板的缩比客机舱段模型,使用加热器和混合风扇控制舱内温度。将实验舱段放置于零下20℃的低温环境舱中,来模拟客机巡航时的外部环境。使用微压计、温度传感器和铂电阻对缩比模型舱的隔热层气压和舱内温度和壁面温度进行了测量。将获得的实验测试结果与CFD模拟结果进行对比,验证数值模拟方法的准确性。然后,运用CFD对单通道窄体客机的舱段进行模拟,设计的模拟案例涵盖:12km、10km和8km三种巡航高度;5mm、2.66mm和1mm三种缝隙尺寸;阁顶处、行李架下方以及窗户处不同缝隙位置的多种组合;以及在隔热层设置阻流板与否等。最后对客舱往隔热层的渗风量进行预测分析。研究结果表明,本文采用的CFD模拟方法获得了与实验测试数据较为一致的结果,验证了所采用模拟方法的准确性。分析模拟结果发现,飞机的巡航高度越高,舱内外温差越大,从客舱到隔热层的渗风量就越大,客机在12km高度巡航时的渗风量要比客机在8km巡航高度时的渗风量的两倍还大。缝隙尺寸越小,渗风量越小,1mm缝隙尺寸的渗风量小于5mm和2.66mm渗风量的一半。缝隙越多,越偏离客舱和隔热层压差的中和面,渗风量就越大。在隔热层中间加装流阻板,可以使客舱向隔热层的渗风量降低34.5%。

关键词：客机隔热层渗风气压实验 CFD