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SST-Porous ®HighFlow防爆阀选型原则

2023-08-28

  一、简介

  1.电池正常工作时,电池箱内压力通过防爆阀透气膜排出,平衡箱体内外压力,并防止水液、灰尘进入;

  2.箱体内部出现异常压力并在短时间内剧增,当压力达到防爆阀设定的临界时,防爆阀压力弹簧瞬间向后压缩使电池箱内外直通连接,快速排出箱内压力,压力释放后弹簧自动复原,完全密封,减少压力对箱体及内部电子元件的损坏。

防爆阀产品图

  二、选型原则

  1.开启压力的选择:

  一般而言,开启压力的选择取决于电池包的耐压能力和电芯热失控的产气速率和温升。

  如电池箱体的耐压失效压力为20kpa,则防爆阀的开启压力在箱体的最大耐压失效压力上取一个安全系数,比如说80%,选择开启压力16kpa。

  2.正常工作时,透气量的选择:

  根据国标GB38031-2020中“8.2.8温度冲击”的要求,电池包需置于-40-60℃的交变温度环境中,两种极端温度的转换时间在30min以内。此处假设电池包内的空气净容积为50L。根据国标要求,在30min内,电池包从-40℃升温到60℃,气体体积的膨胀量即为防爆阀所需的透气量。

  根据理想气体的盖·吕萨克定律,压强不变时,一定质量气体的体积跟热力学温度成正比。

  V1/T1=V2/T2=C(恒量)(1)

  V3=V2-V1(2)

  Q=V3/t×1.5(3)

  式中:V1为初始温度(-40℃)时箱体内气体的体积(50L);T1为初始温度(-40+273)K;V2为

  60℃时箱体内气体的体积;T2为最高温度(60+273)K;V3为箱体内部温升后产生的气体体积;Q为透气量;t为温升时间,即需要的排气时间为30min;1.5为安全系数。

  根据式(1)-式(3),可求得透气量Q等于1.07L/min。

  3.开启后的流量选择:

         锂电池热失控与热扩散是一个复杂的多因素构成的失效现象。深入研究热失控的机理和电芯爆炸的现象是一个非常繁琐的工程,需要进行大量的试验分析。此处为了方便量化计算,基于如下的假设:

  (1)选用圆柱18650电芯(体积为0.0165L);

  (2)单个电芯爆炸热扩散到周围6个电芯失效;

  (3)7个圆柱电芯同时失效的产气速率为25L/s;

  (4)直径为10mm(面积为78.5mm2)的直通孔排气速率为6L/s(在24kPa压力下);

  (5)电芯爆炸热失控后产生的高温引起电芯体积10倍的空气膨胀量。

  根据以上假设,可得到7个电芯的体积为0.0165×7≈0.12L,电芯爆炸导致气体膨胀量为0.12×10=1.2L,电芯热失控产生的气体为25+1.2=26.2L/s,故电池包爆破的泄压量为26.2L/s。根据假设(4)可得出需要的通孔面积为26.2/6×78.5=342.8mm2,即可推算得到通孔直径为20.9mm。

  根据上述求得的透气量和通孔直径两个参数,来选择适合实际项目所需要的防爆阀的规格。需要特别说明的是,锂电池热失控的现象复杂多变,防爆阀的选型还需考虑箱体本身的材质、电池包的工况等,同时需配合仿真分析和试验数据。

  三、安装位置

  防爆阀的安装位置需要注意以下几点要求:

  (1)因为防爆阀在电芯爆炸时起到定向泄压排气的功能,所以排出的可燃有毒气体应远离车内人员,同时应具有充分的空间来保证气体流通;

  (2)为了避免积水和落灰等情况,防爆阀应布置在电池箱体的侧面,使防爆阀处于垂直或者倾斜状态;

  (3)汽车在高速行驶时会产生空气流动,高风速携带着空气中的灰尘浮粒会冲击防爆阀的透气膜,为了 避免透气膜材和内部零件受到冲击毁坏,防爆阀的设计安装位置应在汽车行驶方向的背风面,避免迎风安装。