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隨著全社會(huì)電動(dòng)汽車保有量的增加，電動(dòng)汽車動(dòng)力電池安全問題越來越引起市場(chǎng)的高度重視，對(duì)整個(gè)行業(yè)健康發(fā)展的影響也越來越顯著。與此同時(shí)，隨著其配套的基礎(chǔ)設(shè)施——充電樁的建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，公共充電安全開始成為動(dòng)力電池安全的主要問題之一。我國(guó)當(dāng)前的公共充電市場(chǎng)以60kW的快充樁為主，公共充電安全主要體現(xiàn)在電動(dòng)汽車采用快充服務(wù)時(shí)的安全性問題，包括電池表征安全、接口安全、通信安全、車輛安全和電池安全等。

近年來，電動(dòng)汽車火災(zāi)事故頻發(fā)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，34%的電動(dòng)汽車火災(zāi)發(fā)生在靜置階段，24%發(fā)生在充電階段，這些非行駛工況下發(fā)生的自燃事故，引起了社會(huì)各界的極大擔(dān)憂，嚴(yán)重影響了公眾對(duì)電動(dòng)汽車行業(yè)的信心。

目前電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)使用的主要為鋰離子電池，包括磷酸鐵鋰、三元鋰等。磷酸鐵鋰電池由于體積大的問題，主要用于大型和中型客車；小型乘用電動(dòng)汽車鋰離子電池能量密度較高，主要裝配液態(tài)三元鋰電池。鋰離子電池?zé)崾Э厥莿?dòng)力電池安全事故的核心原因。更嚴(yán)重的是，高密度堆疊的鋰離子電池在熱失控過程中產(chǎn)生的可燃?xì)怏w具有很高的爆炸風(fēng)險(xiǎn)。

目前文獻(xiàn)未涉及電動(dòng)汽車過充應(yīng)用場(chǎng)景下的燃燒爆炸事故，且鮮有針對(duì)電動(dòng)汽車發(fā)生大規(guī)模燃燒爆炸的相關(guān)研究。通過數(shù)值模擬仿真手段進(jìn)行鋰離子電池電動(dòng)汽車的爆炸事故模擬是比較切實(shí)可行的研究方案。

基于此，鄭州大學(xué)電氣工程學(xué)院、杰斯康軟件（上海）有限公司的研究人員從電動(dòng)汽車在充電站過充情景出發(fā)，通過數(shù)值模擬仿真手段進(jìn)行鋰離子電池電動(dòng)汽車爆炸事故模擬。

圖1 電池?zé)崾Э卦囼?yàn)可見光圖像主畫面

他們首先通過對(duì)磷酸鐵鋰電池模組進(jìn)行過充熱失控實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)電池模組在熱失控發(fā)展過程中引發(fā)爆炸的可燃?xì)庵饕煞譃槠娊庖?。其次，基于FLACS軟件，構(gòu)建了1:1尺寸的電動(dòng)汽車幾何模型，考慮真實(shí)場(chǎng)景的情況，以過充引發(fā)的鋰離子電池汽化電解液為燃料，對(duì)電動(dòng)汽車電池艙內(nèi)汽化電解液點(diǎn)火爆炸進(jìn)行全過程模擬分析。通過超壓和高溫等數(shù)據(jù)研究電池艙燃爆擴(kuò)散特性及對(duì)周圍環(huán)境的影響，并研究了改變泄壓孔的位置、大小及開啟壓力對(duì)泄爆效果的的影響。

圖2 電動(dòng)汽車簡(jiǎn)化物理模型及分布

研究人員最后得出的結(jié)論如下：

1）鋰離子電池模組熱失控后，產(chǎn)生CO2和H2等氣體含量不足以達(dá)到起爆極限，引起爆炸的主要物質(zhì)為汽化的碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯等有機(jī)物電解質(zhì)。

2）電動(dòng)汽車電池艙爆炸發(fā)生0.12s后泄壓孔即被突破，產(chǎn)生的高溫可達(dá)2158K，電動(dòng)汽車爆炸對(duì)周圍環(huán)境的影響方式主要通過高溫，而非超壓沖擊波，傳播范圍較大，易引起周圍充電樁和其他車輛燃燒。

3）泄壓孔設(shè)置方向?qū)Ω邷貍鞑シ较蛴袥Q定性作用，泄壓孔設(shè)置時(shí)應(yīng)盡量減小對(duì)周圍環(huán)境的沖擊，可考慮在主要泄壓方向上裝設(shè)保護(hù)裝置；泄壓孔的設(shè)置面積對(duì)泄壓效果有很大影響，泄壓孔面積越大泄壓效果越好；降低泄壓孔的開啟壓差可以有效降低爆炸對(duì)周圍環(huán)境的危害。

本文編自2022年第1期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“電動(dòng)汽車過充燃爆事故模擬及安全防護(hù)研究”，作者為牛志遠(yuǎn)、姜欣 等。