用于电力SSB蓄电池模块热失控传播的新型应急冷却系统的数值模拟与实验研究
2026-08-13 22:04:37
大容量锂离子三元电池的热失控过程非常严峻，因此有效抑制热失控对电池安全至关重要。本文探讨了通过喷雾冷却方法，结合制冷剂冷却，并结合涡管气体冷却，探索三元锂电池热失控的创新方法。通过直接向电池模块注入制冷剂，该方法在热失控事件中迅速扑灭火灾并冷却过热的电池单元。进行了模块级实验和数值模拟，以评估这种耦合冷却策略的性能。具体来说，研究分析了两种制冷剂和三种不同喷射方式对紧急冷却效率的影响。结果显示，冷却介质喷雾显著降低了热失控电池的温度，并且对相邻电池具有明显的热抑制作用。其中，间歇喷洒且间隔更短的冷却性能优于连续喷洒。R134a制冷剂入口温度为0°C时，间歇喷洒时电池温度下降速度较快。紧急冷却系统的灭火测试进行了，结果发现CO的火焰持续时间2 涡管冷却配合R227EA喷雾冷却仅需5秒，喷射20秒后，电池模块的散热时间增加了三倍。电池的紧急冷却对高容量三元锂电池设计具有重要的参考意义。这项工作为设计大容量锂离子三元电池应急冷却系统提供了宝贵见解，有助于提升安全和热管理策略。
新能源车（EV）是全球向可再生能源转型的重要组成部分，利用太阳能和风能等清洁能源。它们在减少排放和污染方面具有显著潜力，并在交通和储能领域发挥关键作用[1]，[2]。电池是这些电动汽车的主要动力来源，对整体性能和效率至关重要。为了确保电池在安全温度范围内工作，有效的热管理系统至关重要。电池热管理系统（BTMS）专门设计用于调节电动汽车电池单元的温度，采用多种方法，如液冷和加热[3]、[4]、相变材料（PCMs）[5]、[6]热管（HP）[7]以及混合冷却系统[8]、[9]。
然而，当电化学系统处于超出安全限值的恶劣条件下时，热失控行为才是最严重的安全隐患[10]、[11]。此类条件可能导致热量和气体快速产生，可能导致火灾或爆炸[12]。如图1所示，这些虐待性条件可分为电气、机械和热虐待[10]、[13]。单个电池中的热失控可能触发链式反应，导致温度和热量的快速且指数级上升。这种情况不仅危及受影响的电池，还可能危及整个电池模块的完整性，因为产生的热量和压力可能传播到相邻电池，加剧热事件[14]、[15]。
一旦发生热失控，温度可显著上升，常常在短时间内超过130°C[12]。在此阶段，热量产生率常常超过传统BTMS的制冷效率，导致危险情况。为降低此风险，实施应急控制措施，并在启动前迅速冷却和散热。此类主动预防策略有望抑制或延缓其发作，最终提升安全性并降低重大损失的可能性。应急冷却技术包括使用灭火剂如十二氟-2-甲基戊烷-3-酮（C）的快速冷却和灭火系统6F12O）[16]，加压气体（空气、氩气和氮气）[14]，CO2[17]、R227ea [17]、水雾[18]、[19]、液氮[20]、纳米流体[21]、干粉[22]等。然而，直接注入气态灭火剂由于吸热能力有限和热导率低，冷却和灭火性能相对较差[16]。例如，研究表明一氧化碳2抑制效率较低，因为无法有效降低电池温度[23]。此外，固体灭火剂如干粉在特定条件下可以抑制锂离子电池的火灾，但无法阻止电池内部的放热反应[22]。另一方面，喷雾冷却，即喷洒细雾液冷剂，在传热和冷却速度方面具有优势。Meng 等人利用 C 探索了不同的喷洒策略6F12O，他们的发现显示间歇喷洒延长了低温持续时间并提高了冷却效率[24]。然而，尽管这些喷雾冷却策略有潜在好处，但仍存在一定局限性。这些紧急干预通常伴随着重量增加和制造复杂度增加，可能影响其在大规模应用中的实用性和可扩展性[14]。在某些情况下，液体制冷剂蒸发过快，导致冷却效率低下。涡管是一种简单的热力学装置，在气体冷却应用中非常有效，能够实现快速的温度降低（见图2）。通过利用高压气体，涡流管可瞬时产生约40°C的温度下降，展示了其高效冷却气体和有效管理热负荷的能力[25]， [26]。这一能力使其在需要快速冷却的应用中高效管理热负荷。许多新能源车辆的空气悬挂系统配备了车载气瓶，通常填充二氧化碳或氮气，用于调节悬挂高度。值得注意的是，这些气瓶与涡管集成后，可以在紧急情况下为电池提供实用且有效的冷却方案。此外，考虑到灭火剂在到达过热电池前可能蒸发的风险，实施预冷和温控措施也非常重要。
本研究提出了一种创新的应急冷却系统，将涡管废气与液态制冷剂的冷却效果相结合。该系统结合了低温气体和液体制冷剂的优势，利用其协同冷却效果快速冷却过热的电池单元。通过数值模拟和实验研究，评估不同运行条件下的热失控传播，并详细研究连续和间歇冷却策略的抑制、延迟和冷却效应。首先在不同入口温度和制冷剂条件下，研究连续喷雾的冷却效果。结果显示，R134a优于R277ea，其进气口温度较低的0°C比10°C的冷却性能更好。 接下来，使用R134a比较0°C下不同喷涂模式的冷却性能。随后，对不同喷涂方法进行了全面比较，并分析了其底层冷却机制。此外，实验结果显示喷洒后，火焰持续时间比无紧急热管理时缩短至10.2%，热扩散时间延长1200秒，展示了紧急冷却系统的高效。
