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相变材料介质阻断电池热失控传播特性研究

工程热物理学报 2023年第5期44卷 1376-1382页

作者：马瑞鑫李炜吴伟雄暨南大学国际能源学院(能源电力研究中心) 珠海519070

针对锂离子电池热失控传播问题,以石蜡/膨胀石墨复合相变材料为电池模组热管理介质,建立电池热失控传播二维数值计算模型。通过改变膨胀石墨与石蜡的质量分数得到不同导热系数与相变焓的复合材料,探究关键设计参数对电池热失控传播的阻... 详细信息

针对锂离子电池热失控传播问题,以石蜡/膨胀石墨复合相变材料为电池模组热管理介质,建立电池热失控传播二维数值计算模型。通过改变膨胀石墨与石蜡的质量分数得到不同导热系数与相变焓的复合材料,探究关键设计参数对电池热失控传播的阻断特性。研究结果表明相变材料能够有效延缓甚至阻断热失控的传播,当导热系数较低或较高(如0.3和21.01 W·m^(-1)·K^(-1))时皆能阻断热失控传播,对于中间导热系数材料的模组,首次热失控传播时间间隔随导热系数升高而增加,而后续传播间隔随着导热系数升高而减小。

关键词：电池热失控相变材料阻断特性

锂电池动力船舶电池热失控释放气体电池舱内扩散输运数值模拟

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大连海事大学学报 2023年第3期49卷 122-128页

作者：廉洁封星刘一凡廖伟民李伟中共大连市委党校辽宁大连116001 大连海事大学轮机工程学院辽宁大连116026 东疆海事局天津731699

为准确评估锂电池动力船舶电池热失控事故可能产生的爆炸风险,基于欧拉多相流模型耦合标准k-ε湍流模型,建立不同通风条件下电池舱内爆炸性气体云团扩散输运数值模型。以国内某沿海航行锂电池动力船舶为研究对象,开展不同空调送风量下... 详细信息

为准确评估锂电池动力船舶电池热失控事故可能产生的爆炸风险,基于欧拉多相流模型耦合标准k-ε湍流模型,建立不同通风条件下电池舱内爆炸性气体云团扩散输运数值模型。以国内某沿海航行锂电池动力船舶为研究对象,开展不同空调送风量下多种规模电池热失控后气体输运过程分析,以释放气体中主要成分H_2燃烧爆炸范围为边界获得可燃爆炸气体云团分布发展情况。计算结果表明,气体释放后在电池舱内迅速扩散并向舱顶聚集,热失控电池数量越大,爆炸性气体云团范围越大且气体浓度越高;通风可以有效降低爆炸性气体云团范围,但仅通过改变风量来降低爆炸性气体云团范围并非有效措施;CFD数值模拟可以辅助评估气体释放事件带来的舱室爆炸风险。

关键词：锂电池动力船舶电池热失控爆炸性气体云团扩散输运数值模型计算流体力学(CFD)

纯电动和燃油公交车的火灾发展特性数值模拟研究

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安全与环境学报 2024年

作者：朱凯杨亚鹏孙峰王强孔杰王小飞中国计量大学能源环境与安全工程学院浙江大学平衡建筑研究中心中铁第四勘察设计院集团有限公司

为了研究纯电动和燃油公交车火灾发展特性的异同，采用FDS数值模拟方法，考虑动力电池发生热失控喷射释放可燃气体并燃烧形成喷射火，对比电池包和燃油两类典型点火源下，公交车整车燃烧的热烟释放与火灾发展特性。结果表明：针对10.5 ... 详细信息

为了研究纯电动和燃油公交车火灾发展特性的异同，采用FDS数值模拟方法，考虑动力电池发生热失控喷射释放可燃气体并燃烧形成喷射火，对比电池包和燃油两类典型点火源下，公交车整车燃烧的热烟释放与火灾发展特性。结果表明：针对10.5 m长的纯电动和燃油公交车火灾，火灾增长速率均位于超快速火和快速火之间，在前500 s燃油公交车的热释放速率（Heat Release Rate， HRR）大于电动公交车，然而电动公交车HRR在500 s后大于燃油车。纯电动和燃油公交车峰值热释放速率（Peak Heat Release Rate， PHRR）分别为25.4 MW、24.2 MW，总热释放量（Total Heat Release， THR）为20.2 GJ、17.5 GJ，电动公交车相比燃油车具有更高的PHRR和THR，但PHRR达峰时间滞后144 s。本文考虑点火源距离后门较近和火灾前期100 s门窗均处于关闭状态最不利的情况下，相比燃油公交车，电动车上部内饰的引燃时间提前、下部有所延迟和后天窗附近窗户破窗时间提前；公交车火灾发展中，电动车窗户等开口部位处溢流火大于燃油车，1 min内是人员逃生关键时间，且车厢内中后部温度均高于前部。

关键词：安全工程电池热失控纯电动公交车火灾特性人员逃生

基于气凝胶与相变材料夹层结构的电池热失控-热管理综合布置决策

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消防科学与技术 2024年第5期43卷 626-633页

作者：丁永鑫马非赵军戴传山天津大学机械工程学院天津300350 中低温热能高效利用教育部重点实验室天津300350

为提高电池模组热失控抑制与热管理散热综合效果,本文设计了一种电池间添加相变材料(PCM)-气凝胶夹层结构的热管理系统并优化夹层的布置结构。结果表明,针对抑制热失控传播,纯气凝胶的布置效果最佳,相较于自然空冷,可使模组中最后一个... 详细信息

为提高电池模组热失控抑制与热管理散热综合效果,本文设计了一种电池间添加相变材料(PCM)-气凝胶夹层结构的热管理系统并优化夹层的布置结构。结果表明,针对抑制热失控传播,纯气凝胶的布置效果最佳,相较于自然空冷,可使模组中最后一个电池触发热失控的时间延长,但电池热管理散热效果显著恶化;针对强化热管理散热,纯相变材料的布置效果最佳,相较于自然空冷,可使电池一个放电循环下的最高温度降低20℃以上,但其抑制热失控传播的效果明显弱于纯气凝胶;针对热失控-热管理综合效益,PCM-气凝胶-PCM布置形式具有更广泛的适用性,在保证电池热失控抑制效果的同时强化了电池正常工作时的散热,可实现整体效益的最大化。

关键词：电池热失控电池热管理相变材料气凝胶

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不同正极材料锂离子电池热失控产物研究

消防科学与技术 2023年第5期42卷 598-602页

作者：张青松牛江昊赵洋中国民航大学民航热灾害防控与应急重点实验室天津300300

针对目前单节锂离子电池热失控过程中产生的气体,其可燃性和爆炸性将会引起热蔓延的问题,选择3种不同正极材料的18650电池作为研究对象,在不同的荷电状态条件下,通过对比热失控特征温度、热失控气体的成分、析出时间,对不同正极材料锂... 详细信息

针对目前单节锂离子电池热失控过程中产生的气体,其可燃性和爆炸性将会引起热蔓延的问题,选择3种不同正极材料的18650电池作为研究对象,在不同的荷电状态条件下,通过对比热失控特征温度、热失控气体的成分、析出时间,对不同正极材料锂离子电池热失控危险性进行研究。结果表明:在相同荷电状态(SOC)的条件下,三元正极材料的锂离子电池的热失控起点温度明显低于以钴酸锂为正极材料的电池,且热失控峰值温度远高于钴酸锂电池,表明三元锂离子电池的危险性明显高于钴酸锂电池。对比两种不同的三元锂离子电池,镍元素的比例很大程度影响了电池的安全性,随着镍元素比例的提高,电池热失控的危险性随之升高。不同正极材料的锂离子电池在热失控之后产生的气体种类大致相同,H2与CO_(2)的析出时间都随着SOC的增加逐渐提前,且在相同试验条件下,三元锂离子电池的H_(2)析出比钴酸锂电池更早,CO_(2)的峰值也随着SOC的增加逐渐升高,并且100%SOC组的锂离子电池热失控之后产生的CO_(2)远高于其他SOC试验组。

关键词：锂离子电池正极材料电池热失控热失控气体

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受限空间对锂离子电池热失控的影响

南京工业大学学报（自然科学版） 2021年第2期43卷 232-237,263页

作者：刘添添白伟张青松中国民航大学民航热灾害预防与应急重点实验室天津300300 南京工业大学安全科学与工程学院江苏南京211800

针对目前锂离子电池在实际运输及使用过程中通常处于受限空间中这一现状,选取市面上常见的18650型商用锂离子电池作为研究对象,在开放及不同容积(10、20 L)的受限空间中开展热失控实验。通过对比热失控现象与电池在热失控过程中的温度... 详细信息

针对目前锂离子电池在实际运输及使用过程中通常处于受限空间中这一现状,选取市面上常见的18650型商用锂离子电池作为研究对象,在开放及不同容积(10、20 L)的受限空间中开展热失控实验。通过对比热失控现象与电池在热失控过程中的温度、电压以及实验舱内压力的变化,对锂离子电池热失控危险性进行研究。结果表明:在一定容积范围内,电池荷电状态越高,其安全阀开启温度以及热失控起始温度越低,热失控最高温度越高,电池热失控后的质量损失越大;在相同荷电状态下,环境容积越小,电池热失控最高温度越高,电池火灾危险性越大。荷电状态为100%的电池在10 L容器内热失控最高温度可达887.4℃,热失控时容器内的压力变化为204.1 kPa,质量损失为23.457 g。研究结果可对受限空间中锂离子电池的热失控防控提供理论支撑。

关键词：受限空间锂离子电池电池热失控荷电状态

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电池用隔热防火可瓷化硅橡胶复合材料

绝缘材料 2020年第6期53卷 45-50页

作者：韩景勃邹雄余品璇安淑云施利毅苏桂明王金合上海大学纳米科学与技术研究中心上海200444 常熟市中联光电新材料有限责任公司江苏常熟215501

以甲基乙烯基硅橡胶为基体,云母为成瓷填料,气凝胶、海泡石纤维、空心玻璃微珠3种无机材料分别为隔热填料,通过共混法制备了隔热防火可瓷化硅橡胶复合材料,并对复合材料烧结前的力学性能、密度、导热系数以及烧结后形成的多孔陶瓷材料... 详细信息

以甲基乙烯基硅橡胶为基体,云母为成瓷填料,气凝胶、海泡石纤维、空心玻璃微珠3种无机材料分别为隔热填料,通过共混法制备了隔热防火可瓷化硅橡胶复合材料,并对复合材料烧结前的力学性能、密度、导热系数以及烧结后形成的多孔陶瓷材料的密度、导热系数和烧结形貌进行表征。结果表明:在高温下,采用海泡石纤维制备的隔热防火可瓷化复合材料的隔热性能优于另外两种;隔热防火可瓷化硅橡胶复合材料常温下的导热系数高于传统可瓷化硅橡胶,烧结后的导热系数最低可达0.074 W/(m·K);烧结后复合材料的外观形貌完整,无明显裂纹,有望应用于新能源电池隔热防火界面材料领域。

关键词：电池热失控可瓷化硅橡胶隔热防火

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锂离子电池热失控释放气体可燃极限研究

锂离子电池热失控释放气体可燃极限研究

作者：马彪北京交通大学

学位级别：硕士

近年来,低排放、低污染、可持续发展的环境友好型新能源成为人们的普遍诉求,新能源汽车得到快速发展,然而电动汽车起火爆炸事故时有发生,仅2020年我国就出现了124起电动汽车烧车事件,严重制约了新能源汽车的普及和发展。其中电池热失控... 详细信息

近年来,低排放、低污染、可持续发展的环境友好型新能源成为人们的普遍诉求,新能源汽车得到快速发展,然而电动汽车起火爆炸事故时有发生,仅2020年我国就出现了124起电动汽车烧车事件,严重制约了新能源汽车的普及和发展。其中电池热失控释放气体的燃烧是导致电动汽车着火的关键因素。为了探索电动汽车着火抑制技术,本文以探究电池热释放气体的可燃极限边界为目标,系统地研究了电池热释放气体在不同初始条件以及惰性气体稀释时的可燃极限。从而为新能源汽车火灾安全预防以及灭火措施等方面提供参考依据。首先,本文以Chemkin软件包中的PREMIX程序为基础,通过添加光学薄模型及统计窄带模型研究CO、HO和CO的辐射热损失对可燃极限的影响,使用单点温度控制法来求解贫燃及富燃处的可燃极限值,搭建了可以准确预测多组分电池热释放气体可燃极限的仿真计算模型。其次,系统的研究了初始温度、压力变化时,热释放气的可燃极限变化规律,并对可燃极限处燃料的氧化过程开展了化学反应动力学分析。研究表明贫燃极限随初始温度的升高线性降低,富燃极限随初始温度的升高线性增加。随着初始压力的增加,贫燃及富燃极限均增大,且增大的趋势变缓。提出了可燃极限值与初始温度和压力之间的多项式拟合公式。同时明确了影响可燃极限的关键基元反应以及主要的自由基离子。最后,研究了不同惰性气体(CO、HO和N)对不同正极材料锂离子电池(NCA、LCO、LFP)的热释放气体可燃极限的影响。研究发现添加CO能够显著减小气体的可燃区域,惰化效果最好,其次为HO,N的惰化能力较弱。对于三种锂离子电池来说,NCA和LCO电池热释放气体最难被惰化,LFP电池最容易被惰化,并找到了热释放气达到完全惰化点时惰性气体的添加量。研究发现当惰性气体含量超过一定值时,L-C公式计算的贫燃极限的偏差逐渐增大。同时,量化了添加CO和HO对可燃极限在热效应、三体化学反应和直接化学反应等方面的影响权重。发现当稀释气体为CO时,热效应是影响可燃极限的主要因素,特别是对于富燃极限,影响程度占比高达95%左右。而通过直接化学反应产生的影响几乎可以忽略不计,完全由三体反应造成。当稀释气体为HO时,化学反应对贫燃极限的影响大于热效应产生的影响,化学反应中三体反应产生的影响较大;富燃极限时热效应占主导地位,化学反应中三体反应和直接化学反应作用效果相当。

关键词：电池热失控电池热释放气体可燃极限化学反应动力学

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面向动力电池热失控研究的加速量热系统研制

面向动力电池热失控研究的加速量热系统研制

作者：张钧豪中国计量大学

学位级别：硕士

随着电动汽车续航里程的增加,动力电池能量密度越来越高,热失控事故频繁发生。目前国内面向动力电池热失控测试的加速量热系统研究还未见报道,仪器被国外垄断,无法满足动力电池的快速发展需求。本文以电池热失控加热量热系统为研究对象... 详细信息

随着电动汽车续航里程的增加,动力电池能量密度越来越高,热失控事故频繁发生。目前国内面向动力电池热失控测试的加速量热系统研究还未见报道,仪器被国外垄断,无法满足动力电池的快速发展需求。本文以电池热失控加热量热系统为研究对象,对其工作原理、平台结构、测控系统及温控算法等开展研究,具体研究内容如下。首先,分析了动力电池机械滥用、电滥用和热滥用热失控触发诱因及机理;结合加速量热系统工作原理及热失控行为参数计算方法,对动力电池热失控加速量热系统性能影响因素展开分析,设计了总体方案,提出了系统主要功能和技术参数。其次,分析了加速量热系统的核心部件量热炉性能要求,确定了加热器选型和布局以及热电偶传感器安装位置,设计了超压泄放结构,并对炉体机械结构及辅助功能进行了集成设计;结合炉体结构,设计了基于伺服电机控制的针刺机构、安全防爆箱以及压力测试罐等电池热失控辅助功能单元,搭建了电池热失控加速量热平台。根据仪器功能和性能需求开展软硬件和控温算法设计。对加速量热系统电气布局进行规划,设计了供电模块;以微处理器为核心,设计了温度检测、压力检测、功率检测、控温以及通信电路等;基于μC/OS-Ⅱ嵌入式实时操作系统,编写了下位机控制软件;针对恒温控制提出了基于前馈补偿的PID温控算法,针对绝热跟踪控制提出了基于模糊PID温控算法;以Lab VIEW软件开发了上位机监控软件和分析软件,进行测试过程进行监控及数据保存、分析。最后,采用研制的加速量热系统对50Ah方形镍钴锰电池热失控、不同SOC的18650钴酸锂电池热失控和针刺热失控进行实验。实验结果表明,系统在室温～350℃内放热检测灵敏度优于0.02℃/min,最大追踪速率为10℃/min,电池热失控热行为参数测试一致性良好。加速量热系统性能达到了设计预期,可为动力电池的热失控安全评估提供有效手段。

关键词：电池热失控加速量热系统温度测量温度控制