合理设计泄压孔可减少电动汽车燃烧爆炸的危害，郑大学者发布研究成果

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频繁发生的电动汽车安全事故已经严重影响了电动汽车产业的健康发展，其中，由于过充电引发的安全事故占有相当高的比例。为研究锂离子电池电动汽车过充电引发热失控导致的燃烧爆炸事故，郑州大学电气工程学院、杰斯康软件（上海）有限公司的研究人员牛志远、姜欣、谢镔、金阳，在2022年第1期《电工技术学报》上撰文，通过试验确定了引起锂离子电池模组爆炸的可燃物主要成分，基于FLACS建立了电动汽车爆炸模型，分析了电动汽车电池舱爆炸的产生过程和影响，并研究了改变泄压孔对泄爆效果的的影响。

研究发现，不同泄压位置设计对爆炸冲击波扩散方向影响作用明显，当泄压孔设置在电池舱侧下方时，泄压效果最好，可有效减小爆炸强度。在合理的设计下，改变泄压孔的大小及开启压差可减小对周围车辆的冲击，尽可能地避免引燃相邻车辆。

随着全社会电动汽车保有量的增加，电动汽车动力电池安全问题越来越引起市场的高度重视，对整个行业健康发展的影响也越来越显著。与此同时，随着其配套的基础设施——充电桩的建设规模不断扩大，公共充电安全开始成为动力电池安全的主要问题之一。我国当前的公共充电市场以60kW的快充桩为主，公共充电安全主要体现在电动汽车采用快充服务时的安全性问题，包括电池表征安全、接口安全、通信安全、车辆安全和电池安全等。

近年来，电动汽车火灾事故频发，据统计，34%的电动汽车火灾发生在静置阶段，24%发生在充电阶段，这些非行驶工况下发生的自燃事故，引起了社会各界的极大担忧，严重影响了公众对电动汽车行业的信心。

目前电动汽车动力系统使用的主要为锂离子电池，包括磷酸铁锂、三元锂等。磷酸铁锂电池由于体积大的问题，主要用于大型和中型客车；小型乘用电动汽车锂离子电池能量密度较高，主要装配液态三元锂电池。锂离子电池热失控是动力电池安全事故的核心原因。更严重的是，高密度堆叠的锂离子电池在热失控过程中产生的可燃气体具有很高的爆炸风险。

目前文献未涉及电动汽车过充应用场景下的燃烧爆炸事故，且鲜有针对电动汽车发生大规模燃烧爆炸的相关研究。通过数值模拟仿真手段进行锂离子电池电动汽车的爆炸事故模拟是比较切实可行的研究方案。

基于此，郑州大学电气工程学院、杰斯康软件（上海）有限公司的研究人员从电动汽车在充电站过充情景出发，通过数值模拟仿真手段进行锂离子电池电动汽车爆炸事故模拟。

图1 电池热失控试验可见光图像主要画面

他们首先通过对磷酸铁锂电池模组进行过充热失控实验，发现电池模组在热失控发展过程中引发爆炸的可燃气主要成分为汽化电解液。其次，基于FLACS软件，构建了1:1尺寸的电动汽车几何模型，考虑真实场景的情况，以过充引发的锂离子电池汽化电解液为燃料，对电动汽车电池舱内汽化电解液点火爆炸进行全过程模拟分析。通过超压和高温等数据研究电池舱燃爆扩散特性及对周围环境的影响，并研究了改变泄压孔的位置、大小及开启压力对泄爆效果的的影响。

图2 电动汽车简化物理模型及分布

研究人员最后得出结论如下：

1）锂离子电池模组热失控后，产生CO2和H2等气体含量不足以达到起爆极限，引起爆炸的主要物质为汽化的碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯等有机物电解质。

2）电动汽车电池舱爆炸发生0.12s后泄压孔即被突破，产生的高温可达2158K，电动汽车爆炸对周围环境的影响方式主要通过高温，而非超压冲击波，传播范围较大，易引起周围充电桩和其他车辆燃烧。

3）泄压孔设置方向对高温传播方向有决定性作用，泄压孔设置时应尽量减小对周围环境的冲击，可考虑在主要泄压方向上装设保护装置；泄压孔的设置面积对泄压效果有很大影响，泄压孔面积越大泄压效果越好；降低泄压孔的开启压差可以有效降低爆炸对周围环境的危害。

本文编自2022年第1期《电工技术学报》，论文标题为“电动汽车过充燃爆事故模拟及安全防护研究”，作者为牛志远、姜欣 等。

下载论文PDF版，请点击左下角“阅读原文”，访问期刊网站。

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