儲能鋰離子電池預制艙熱失控煙氣流動研究

隨著社會的不斷發(fā)展，能源危機逐漸顯現(xiàn)

。面對環(huán)境污染和能源危機的雙重壓力，世界各國開始廣泛地發(fā)展新能源，對電能儲存的要求也越來越高

。鋰離子電池由于具有能量密度高、循環(huán)壽命長、自放電低等優(yōu)點，被廣泛應用于電化學儲能系統(tǒng)中

。然而，當鋰離子電池發(fā)生機械、電氣或熱濫用時，會發(fā)生熱失控，電池在熱失控過程中產生的氣體具有很高的燃爆特性，極易造成嚴重的危害

。在儲能系統(tǒng)中，鋰離子電池通過串并聯(lián)組成模組

，當一只電池發(fā)生熱失控時，熱量傳播到鄰近電池，會引發(fā)模組的熱蔓延甚至整個儲能系統(tǒng)的事故。因此，迫切需要對儲能系統(tǒng)中鋰離子電池熱失控的煙氣危害和特性進行深入研究。

元蔓高速公路（玉溪段）勘察主要難點分析及勘察對策……………………………………………… 郝莉莉，章衛(wèi)衛(wèi)（8-64）

在鋰離子電池的熱失控特性方面，F(xiàn)eng 等

總結了鋰離子電池的熱失控反應過程，并分別分析了鋰離子電池在高溫、過充電和機械濫用條件下的熱失控機理。Chen 等

總結了鋰離子電池在熱失控時的產熱特性，并分別分析了鋰離子電池在加熱、過充和針刺工況下的爆炸機理。Said等

比較了鈷酸鋰、三元鋰和磷酸鐵鋰電池在加熱條件下的產氣特性，對氣體類型和氣體量進行了定量分析，發(fā)現(xiàn)電池的SOC 越高，熱失控產氣的毒性和危險性也越高。Macdonald等

研究了磷酸鐵鋰電池在短路導致的熱失控過程中內部化學反應的熱動力學過程。Golubkov等

對磷酸鐵鋰電池的熱失控噴發(fā)現(xiàn)象進行研究，發(fā)現(xiàn)磷酸鐵鋰電池產生的氣體的主要成分是CO

、H

、CO、C

H

、CH

等，具有較強的可燃性。Baird 等

回顧了鋰離子電池產生的可燃氣體，并討論了電池爆炸特性的分析和建模方法。Qin 等

通過仿真比較了兩種不同結構的磷酸鐵鋰電池模組的熱失控行為，發(fā)現(xiàn)高濃度的氫氣和乙烯可能是引發(fā)模組著火和爆炸的主要原因。Zhang等

對鋰離子電池熱失控后產生的有毒氣體進行了研究，發(fā)現(xiàn)主要有毒氣體是CO 和HF，并且這些氣體的毒性會在噴水滅火后增加。Meng等

對磷酸鐵鋰電池的熱失控和火災特性進行了分析，提出了一種滅火藥劑與間歇性噴霧冷卻相結合的滅火方案。Zou 等

研究了單體電池在熱失控過程中的噴射行為，并提出了預測噴射速度的方法。Jin 等

進行了加熱觸發(fā)磷酸鐵鋰儲能預制艙熱蔓延的實驗，對其熱蔓延的溫度特性進行分析，并使用Flacs 軟件開展了儲能預制艙的爆炸風險仿真研究。目前大多數研究只關注單體電池或小型電池模組，對儲能預制艙的研究較少。儲能預制艙內電池數量、體積巨大，熱失控產生的可燃氣流動問題復雜，且難以開展實驗。

本工作針對某款儲能鋰離子電池預制艙熱失控煙氣流動特性開展研究。模型分析流程如圖1 所示，首先針對方殼磷酸鐵鋰電池開展了熱失控噴發(fā)測試，獲取電池熱失控噴發(fā)物成分、噴發(fā)量、噴發(fā)速率和噴發(fā)速率參數，為模型仿真提供了數據邊界。然后，建立兆瓦時級別的儲能預制艙噴發(fā)產氣模型，基于模型對預制艙內不同情境下的熱失控煙氣流動特性開展仿真分析。結果表明，當預制艙中模組內電池發(fā)生熱失控的電池數目小于3只時，模組的位置越高則預制艙內可燃煙氣的濃度越大，而當熱失控電池數目大于3 只時，隨著電池數的增多，模組位置越低則預制艙內可燃煙氣濃度越大，且電池室中的可燃煙氣會擴散至控制室。對于同一個高度的模組，不同的位置形成的可燃氣體積基本一致。在預制艙兩側均勻設置足夠大的泄壓板，可有效地將艙內可燃氣體排出，若泄壓板位置不當或泄壓面積不足，則艙內可燃氣體不能及時排出。

1 電池熱失控實驗

1.1 熱失控產氣測試

實驗測試采用某款方殼磷酸鐵鋰電池，該電池的標稱容量為23 Ah，尺寸為145 mm×68 mm×22 mm，噴閥口位于電池正上方。使用定容壓力容器

對該磷酸鐵鋰電池開展熱失控氣體噴發(fā)量和成分分析，該壓力容器如圖2所示，該設備主要包含試驗腔體、密封門、內部電路、換氣管路和溫度、壓力傳感器等部件，具有極好的密封性，可承受最大3 MPa的內部壓力，能夠以加熱的方式觸發(fā)電池的熱失控，對電池的熱失控溫度及噴發(fā)參數進行實時檢測，并將電池熱失控產生的煙氣保存在腔體中。

試驗前，對電池進行稱重，記錄其初始質量后，以1/3 C的倍率將待測電池充電至100%SOC。在電池大面的中心位置布置熱電偶(Omega GG-K-30)。選取與電池大面面積相同的加熱板，其厚度為3 mm，加熱功率為500 W。為了降低熱失控電池向環(huán)境的散熱，緊貼加熱器和電池大面放置兩塊厚度為8 mm 的云母板，并用不銹鋼夾具對電池、加熱器和云母板進行夾持，其夾緊力矩為1 N·m，如圖3所示。

電池熱失控產氣的測試環(huán)境采用氬氣惰性氣體氛圍，首先對定容壓力罐中的氣體進行置換。具體操作如下：關閉定容壓力容器，使用抽氣泵抽出其中空氣直至壓力為20 kPa，使用氣瓶向容器內輸入氬氣，直至容器內壓力為101 kPa，重復以上換氣過程3次并靜置一段時間，完成對容器內氣體的置換。

西西和很多女人不一樣，她三十七八歲，微微發(fā)胖，卻又不是令人厭惡的潘美麗的那種肥，而是那種睡上去像棉花一樣柔軟的胖，特別是彎下腰在口袋里取鹽或白糖時，那圓溜溜的屁股直直地對著甲洛洛，讓他那閑置多年的小兄弟蘇醒過來，抖擻起來。但甲洛洛心里很清楚，這女人不簡單，雖然是個寡婦，也上了年紀，可像個修女一樣遠離著男人，哪怕一個帶點小色情的玩笑，她都會撕下臉面，怒目相向。而她的這種堅守，讓很多男人們更加想入非非。

使用直流電源為加熱器供電，電壓為220 V，電池熱失控后立即關閉加熱器。使用數據采集器(HIOKI LR8400)對電池表面的溫度、壓力容器腔體內的環(huán)境溫度和腔體內的壓力進行實時檢測。容器內環(huán)境溫度降至80 ℃以下時，使用集氣袋收集熱失控氣體。最后，利用氣相色譜儀(島津GC-2014)對熱失控的氣體成分進行檢測。

1.2 測試結果

4 只電池熱失控的電池室內可燃煙氣體積和當量可燃煙氣體積的仿真結果如圖13所示。M2、M5和M8 模組仿真中的4 只電池發(fā)生熱失控后，可燃煙氣體積的曲線幾乎一致，M5 模組中電池熱失控后可燃煙氣體積較M8 模組更大，這是因為M5 模組位置更低，在電池熱失控的煙氣能在更大的范圍內擴散。對于M2模組，在熱失控電池數上升至4只時，其結果曲線較之前有較大變化，說明對于不同位置的電池模組，在預制艙的可燃煙氣體積問題上存在一個熱失控電池數目的邊界。

容器內壓力急劇上升有兩段，第一段是電池初噴引起的壓力急劇上升，噴射物質主要以電解液為主；第二段為電池熱失控主噴導致的壓力上升，主要氣體組分為可燃混合氣體。腔體內最高溫度為137.1 ℃，最大壓力為9.93 kPa，隨后逐漸趨于穩(wěn)定，約為5.87 kPa，熱失控過程中，壓力響應的時間稍早于溫度響應。根據理想氣體方程

=

計算得到該款電池的熱失控產氣量為4.78 mol，電池熱失控產氣成分的歸一化結果見圖5。熱失控產氣中H

的占比最大，為71.39%，其次為CO

，為13.46%，這與文獻[24]中的磷酸鐵鋰電池產氣成分較為接近。

需要指出的是，根據Abadie（2005）的研究，用于估計傾向得分的協(xié)變量既應影響地區(qū)的入境旅游水平，同時也應影響地區(qū)過境免簽政策的實施，以降低樣本自選擇效應對實證結果的影響。為此，本文將上述控制變量作為傾向得分匹配法的協(xié)變量進行匹配。

2 仿 真

本工作使用Flacs 軟件建立了儲能鋰離子電池預制艙幾何模型，如圖6 所示?；趨⒖嘉墨I[19]中的儲能預制艙實物對仿真預制艙進行設計，該預制艙分為控制室與電池室兩部分，儲能電池單體容量為69 Ah，系統(tǒng)總能量為兆瓦時級別。預制艙內每個模組中包含32只電池，以4并聯(lián)8串聯(lián)的方式進行排列，將2個模組組成一個電池簇并疊放在電池室中，共有10×12×2=240 個電池模組。預制艙內的空氣域體積為23.04 m

。

朋友們的善意我都心領了。而實際上，我也只能心領。但老婆卻不這么認為。她認為我是在端架子，故意不給她閨中密友面子，讓她難堪。甚至還為了這點兒芝麻綠豆大點兒的小事兒向我發(fā)脾氣。大概十月末，我們終于坐到了一起，當包東坡問起我身體的情況時，她竟然語帶挖苦地說我是小病大養(yǎng)。氣得我差一點兒就當場噴血。就為了她這句極不負責任的話，我也有理由拿出勇氣，捍衛(wèi)我的自尊。更何況我當時的癥狀才剛剛有所好轉，滴流才停，還一直口服著頭孢。

試驗所得單個23 Ah的磷酸鐵鋰電池熱失控噴發(fā)氣體量為56.4 g，基于等比例轉化，仿真所用的儲能預制艙電池熱失控氣體噴發(fā)量為169.2 g。由于熱失控瞬間噴發(fā)速度極快，假設噴發(fā)時間10 s，計算得到氣體噴發(fā)速度為0.01692 kg/s。在Flacs軟件中設置單個電池噴口面積為0.035 m

，噴口位置為每個模組的中心處，噴出氣體溫度為200 ℃

。

1.3.2 B組31例患兒給予多次胰島素皮下注射,患兒三餐前皮下注射短效胰島素,根據患兒血糖檢測情況適當調整胰島素注射用量,患兒睡前給予中效諾和靈注射。

圖7 為預制艙內部控制室和電池室的示意圖，圖中標紅模組M1～M9為待分析的熱失控模組。仿真的對象選取為預制艙內部空氣域的可燃煙氣體積和當量可燃煙氣體積，其中可燃煙氣體積是指空氣域中實際的可以被點燃的氣體體積，當量可燃煙氣體積是指非均勻的實際可燃煙氣體積可通過均勻小體積的當量可燃氣體積進行近似，兩者的爆炸威力相同。

3 結果與討論

3.1 不同位置電池發(fā)生熱失控

3.1.1 單個電池在不同位置發(fā)生熱失控

分別在模組M2、M5 和M8 中，設置模組中單只電池發(fā)生熱失控，其余電池不失控。電池室內可燃煙氣體積和當量可燃煙氣體積的仿真結果如圖8所示。

各組仿真中的電池發(fā)生熱失控后，可燃煙氣體積和當量可燃煙氣體積都迅速上升并達到峰值，并在維持一定數值后迅速下降，體現(xiàn)出較為相似的曲線。M2 和M5 模組的仿真中，電池發(fā)生熱失控后，可燃煙氣體積都迅速上升至峰值0.5 m

，并在17 s后迅速開始下降；而M8 模組的仿真中，電池熱失控后，可燃煙氣體積在15 s內迅速上升至1.5 m

以上，在45 s時降低至0.5 m

左右，并在之后的500 s內緩慢降低至0.3 m

左右。

對比3組仿真，當頂層模組的單只電池發(fā)生熱失控后，預制艙內頂部會有一定量的可燃煙氣，且其體積隨時間逐漸變小；而當中層和底層的單只電池發(fā)生熱失控后，預制艙內的可燃煙氣體積迅速降低至0。

根據混合氣體平均摩爾質量計算方程

=∑

cM

計算得到該款電池的熱失控產氣的平均摩爾質量為11.801 g/mol，則該款電池熱失控產氣質量為56.4 g。

圖9 為3 組仿真中不同泄漏位置的可燃煙氣濃度云圖，在各組仿真中的電池熱失控后，可燃煙氣就迅速從模組中排出并擴散至電池室中，并在10 s內完全釋放。由于可燃煙氣的平均密度小于空氣，在模組M2 和M5 的仿真中，煙氣自釋放后向上擴散，并迅速擴散至整個電池室。而M8 模組的電池失控后，煙氣僅在電池室頂層擴散，因此可燃煙氣的濃度一直維持在較高值。

3.1.2 2只電池在不同位置發(fā)生熱失控

分別在模組M2、M5和M8中，設置模組中2只電池依次發(fā)生熱失控，期間無時間間隔，其余電池不失控，電池室內可燃煙氣體積和當量可燃煙氣體積的仿真結果如圖10所示。

與1只電池熱失控的仿真相比，M5和M8模組仿真中的2只電池發(fā)生熱失控后，可燃煙氣體積和當量可燃煙氣體積的曲線體現(xiàn)出較為相似的特性，而M2模組仿真的曲線較之前無太大變化。M8模組的仿真中，2只電池發(fā)生熱失控后，可燃煙氣體積在20 s中上升至峰值4 m

，而且在500 s內無明顯的下降趨勢；而M5 模組的仿真中，可燃煙氣體積上升至4 m

左右后，在之后的80 s 保持穩(wěn)定，之后的400 s中以較慢的速度降低至1 m

左右。

圖11 為不同泄漏位置的可燃煙氣濃度云圖，與1 只電池熱失控的泄漏云圖對比，可以看出M8和M5模組的仿真中，云圖已體現(xiàn)出很高的相似性，僅可燃煙氣的濃度和擴散高度略有差別。從云圖的濃度可以看出，可燃氣體在空間中出現(xiàn)了明顯的濃度分層現(xiàn)象，越高的位置濃度越大。

對比3 組仿真，當頂層模組的2 只電池發(fā)生熱失控后，艙內頂部的可燃煙氣體積和當量可燃煙氣的體積在較長時間內都處于較高狀態(tài)；熱失控電池在中層位置時，艙內頂部形成的可燃煙氣會逐漸向頂層擴散，可燃煙氣體積和當量可燃煙氣體積逐漸下降；當底層的2只電池發(fā)生熱失控后，預制艙內的可燃煙氣體積仍會迅速降低。

分別在模組M2、M5 和M8 中，設置模組中多只電池依次發(fā)生熱失控，其余電池不失控。其中3只電池熱失控的電池室內可燃煙氣體積和當量可燃煙氣體積的仿真結果如圖12 所示。M5 和M8 模組仿真中的2只電池發(fā)生熱失控后，可燃煙氣體積的曲線幾乎一致，由于熱失控電池數目的增加，這兩組仿真中，可燃煙氣體積和當量可燃煙氣體積都明顯上升。而對于M2 的仿真，雖然數值都有所上升，但其曲線仍與單只電池熱失控的仿真類似。

3.1.3 多個電池在不同位置發(fā)生熱失控

定容壓力罐中的環(huán)境溫度、壓力數據特征曲線如圖4 所示。在置換氣體之后，對容器進行一段時間的靜置，此時容器內的壓力逐漸下降并最終保持穩(wěn)定，之后開啟加熱器，電池表面的溫度開始上升。

圖14和圖15分別為不同位置模組中3只和4只電池熱失控后電池室內的可燃煙氣濃度云圖，隨著熱失控電池數目的增加，頂層和中層模組發(fā)生熱失控的仿真中可燃煙氣的云圖變化不大，隨著電池數目的增多，可燃煙氣呈現(xiàn)出從頂層向底層緩慢擴散的趨勢；對于底層模組，可以看出可燃煙氣云圖區(qū)別明顯，主要是隨著熱失控電池數的增加，可燃煙氣從底層向頂層擴散的總量增加，最后擴散至整個電池室。

對比3組仿真，隨著模組中熱失控電池數目的增加，不管模組在什么位置發(fā)生熱失控，電池室頂部都會形成穩(wěn)定的可燃氣云，且發(fā)生熱失控的模組位置越低，則電池室內可燃煙氣的擴散體積越大。

3.2 不同位置模組發(fā)生熱失控

在模組M1～M9中，分別設置指定模組中的所有電池依次發(fā)生熱失控。預制艙內可燃煙氣體積和當量可燃煙氣體積的仿真結果如圖16所示。

在同一高度，不同位置的單個模組發(fā)生熱失控后的500 s 內，電池室內可燃煙氣體積和當量可燃煙氣體積區(qū)別很小，說明同一高度中熱失控模組的位置對電池室內的煙氣危害嚴重性幾乎沒有影響；而在同一位置的不同高度，電池室內可燃煙氣體積和當量可燃煙氣體積區(qū)別則很大。當一個模組內的電池全部熱失控后，巨量的煙氣被釋放在電池室中并迅速擴散，當模組位置較高時，這些煙氣將在電池室頂部擴散，可燃煙氣的體積在上升至10 m

后逐漸下降至6 m

左右，當量可燃煙氣體積體現(xiàn)出了相似的變化趨勢；對于位置較低的模組，釋放的煙氣可以擴散至更廣的區(qū)域，因此電池室內可燃煙氣體積及當量可燃煙氣體積都更大。值得注意的是，在最低位置模組的仿真中，可燃煙氣的體積已經大于電池室中的空氣體積，說明在這些仿真的工況下，煙氣已從電池室擴散至控制室。

本文試用齊律對甘肅金昌白家嘴子礦區(qū)進行了找礦前景預測，預測結果在理論上符合數學模型及推演法則。本文旨在起到拋磚引玉的作用，希望和更多的地質同仁們一起對用數學模擬進行找礦預測的方法進行交流探討。

1)當異步電動機失電后，由于其轉速無法瞬間到0，電動機將在一段時間內呈現(xiàn)異步發(fā)電機狀態(tài)，向故障點注入電流，影響線路故障點熄弧。

圖17 為不同泄漏位置的可燃氣體濃度云圖，可以看到，可燃煙氣在空間中有明顯的濃度分層，發(fā)生熱失控的模組位置較高時，可燃煙氣幾乎全部聚集在電池室的頂部，頂層的濃度很大；當失控模組位置較低時，煙氣在更大范圍內擴散。由于控制室和電池室之間有門縫等可供煙氣擴散的通道，煙氣會通過這些通道擴散至控制室，由于失控電池數目過多，控制室中也會存在大量可燃煙氣，帶來更大的安全隱患。

以上仿真說明，當電池室中有模組的所有電池都發(fā)生熱失控時，熱失控模組位置越靠近艙底，則形成的可燃氣云體積、當量可燃氣云體積越大，而如果模組的位置過低，煙氣泄漏至相鄰房間，則會帶來更大的爆炸風險。

3.3 泄壓板對熱失控排氣的影響

由以上仿真結論可知，當最低位置的模組M2中的所有電池發(fā)生熱失控時，預制艙內可燃煙氣體積最大，發(fā)生爆炸的風險最高。針對模組M2發(fā)生熱失控的工況，為了在電池熱失控后將可燃煙氣迅速排放到預制艙外，設置了不同數目及面積的泄壓板，并進行了泄壓板對排氣影響的仿真。如圖18 所示，圖中紅色區(qū)域即為設置的泄壓板。各構型的泄壓板都位于預制艙兩側的艙壁上，與艙外環(huán)境相通。各構型泄壓板的具體設計參數見表1。

爬上東坡梁子，天已經大亮。我說：“大梁，你轉去吧。槐生醒來冇見我，會以為整夜夕都冇見我的，那他會怕?！?/p>

對于不同的泄壓板，預制艙內可燃煙氣及當量可燃煙氣體積的變化趨勢如圖19 所示，可燃煙氣的擴散云圖如圖20所示。對于構型(a)，與圖16中無泄壓板的仿真結果對比，可以發(fā)現(xiàn)由于總泄壓面積較小，預制艙內的可燃煙氣體積無明顯變化，可燃煙氣仍然擴散至控制室內，排氣效果不明顯；對于構型(b)，在模組開始發(fā)生熱失控的500 s后，預制艙內的煙氣體積開始下降，并在之后的200 s 中降低至10 m

以下，但在700 s 后預制艙內可燃煙氣濃度逐漸穩(wěn)定，只有在所有電池熱失控結束后，排氣效果才會顯現(xiàn)，但是不能避免可燃煙氣擴散到其他區(qū)域；對于構型(c)，在模組內電池熱失控過程中，沒有明顯的排氣效果，而在所有電池都熱失控后，預制艙內的煙氣體積開始迅速下降，并在150 s之后迅速下降至0，說明泄壓板能將煙氣完全釋放出去；對于構型(d)，模組發(fā)生熱失控后的280 s，預制艙內可燃煙氣的體積逐漸增大至15 m

左右，此時模組內的熱失控仍在進行，但可燃煙氣濃度已開始下降，并在80 s內迅速降至0，該構型的泄壓板排氣效果最為明顯。

4 結 論

本工作通過Flacs 軟件建立了儲能鋰離子電池預制艙熱失控擴散模型，通過仿真得出了多種特定條件下預制艙內鋰離子電池模組熱失控煙氣流動的行為。基于仿真結果發(fā)現(xiàn)：

（1）當預制艙中電池室內不同位置的單個模組中不同數目電池發(fā)生熱失控，熱失控電池數目小于3 只時，模組的位置越高則預制艙內可燃煙氣的濃度越大，而當熱失控電池數目大于3只時，隨著電池數的增多，模組位置越低則預制艙內可燃煙氣濃度越大。

[25] Department of the Navy, A Cooperative Strategy for the 21st Century Sea Power, https://www.hsdl.org/?view&did=479900, October 2007.

（2）當預制艙中電池室內不同位置的單個模組中所有電池發(fā)生熱失控時，對于同一個高度的模組，不同的位置形成的可燃煙氣體積基本一致。同時，熱失控發(fā)生在底層模組時，可燃煙氣將擴散到相鄰房間，造成更大的危害。

閩臺方言合唱音樂的和聲進行，常融入二度音、七度疊字音程等。在整體音響上比較協(xié)和，而平行四度也是閩南音樂的典型的特點，平行四度在傳統(tǒng)和聲里是不提倡的，而閩南音樂卻常見平行四度這一特征。在閩南語合唱歌曲中, 為了在合唱中使和聲保持一致，有時會應用大量相同節(jié)奏和聲織體，如《情》《阮的希望攏在我心》就是比較典型的歌曲，分別采用了四部聲、二部聲合唱，合唱中的和聲非常的整齊。曲式方面，常以中國傳統(tǒng)音樂的多段式為主。近現(xiàn)代作品中也常見回旋曲式、三段五段曲式等。如《臺灣好風光》即為典型的回旋曲式，四句式樂段結構,使得句式結構顯得非常突出，具有鮮明的聲樂藝術特征。

（3）在預制艙的電池室兩側均勻設置泄壓板，有助于將艙內的可燃氣體排出。泄壓板的總面積越大，可燃煙氣的排出效果越好，若泄壓板位置不當或泄壓面積不足，則艙內可燃氣體不能及時排出。

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