图1 电池热失控试验可见光图像主要画面
Fig.1 The main screen of the visible light image of the battery thermal runaway test
摘要 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，该文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，基于爆炸模拟软件（FLACS）建立小型电动汽车几何模型，以锂离子电池过充引发的汽化电解液为燃料进行了电动汽车爆炸特性研究，对比分析了不同方向泄压设计的泄爆效果。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。
关键词：FLACS 电动汽车 锂离子电池 安全防护
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[1-2]，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[3-6]。
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[7]。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[8]。锂离子电池热失控是动力电池安全事故的核心原因[9-11]。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[12-13]。
目前，国内外科研团队对于电动汽车的动力锂离子电池的安全已有较多研究。王青松等[14]分析了单个锂离子电池以及多电池模组的热失控现象和相关火灾动力学。Huang Lüwei等[15]使用相同容量和化学性质的棱柱形和袋装锂离子电池进行了内部故障机制和外部特性的相关实验研究，发现不同的电池封装模式对锂离子电池在过充电过程中的热失控行为有影响。李哲[16]利用阶跃法研究了不同荷电状态（State of Charge, SOC）的电动汽车磷酸铁锂电池的充放电欧姆内阻和极化内阻。Hong Jichao等[17]基于电动汽车电池温度大数据引入异常系数，实现了对温度故障引起的热失控的诊断和预警。
关于锂离子电池的气体燃烧爆炸研究也比较深入。A. R. Baird等[18]梳理总结了不同锂离子电池的可燃气体产生情况，提出爆炸相关参数的计算方法，对电池爆炸危险性的量化具有重要意义。A. W. Golubkov等[19]分析了三种锂离子电池在超过130℃时产生的气体，其中磷酸铁锂电池产生的主要气体成分为CO2、H2、CO、C2H4和CH4等。Liao Zhenhai等[20]对不同SOC的三元锂电池的热失控特性进行研究，发现可燃气主要包括碳氧化物、碳氢化合物和碳氢氧化合物等，同时随着荷电状态的增加，产气类型也更加复杂。郭超超等[21]指出锂离子电池热解气体具有潜在爆炸危险性，热解气体的爆炸极限范围随着荷电状态的升高而增大，其爆炸极限范围与普通烃类气体爆炸极限范围相比明显较宽，易引起火灾爆炸事故。
然而，以上研究均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[22]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，本文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。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。
为明确电动汽车电池舱的防爆需求，分析电池舱内的气体燃烧爆炸过程，本文通过搭建锂离子电池热失控试验平台，对8.8kW×h的磷酸铁锂电池模组进行0.5C倍率过充直至电池发生燃烧，从温度、产气等角度对电池热失控过程[23-24]进行全面分析。试验过程的可见光图像主要画面如图1所示。
图1 电池热失控试验可见光图像主要画面
Fig.1 The main screen of the visible light image of the battery thermal runaway test
图1中，可见光图像记录将热失控过程分为三个阶段：①初始阶段：从开始过充到白色烟气逸出，此阶段电池不断鼓胀，顶部的安全阀陆续打开；②发展阶段：从白色烟气逸出到出现明火，此阶段电池内的化学反应不断进行，温度持续升高，白色烟气浓度逐渐增加；③燃烧阶段：电池模组热失控并发生剧烈燃烧直至爆炸。
通过对白色烟气主要成分提取并进行研究发现，锂离子电池的电解质存在多种有机溶剂，以碳酸乙烯酯（C4H6O3, EC）为主，再辅以低黏度的有机溶剂，如碳酸丙烯酯（C4H6O3, PC）、碳酸二乙酯（C5H10O3, DEC）等，从而改善电解质的综合性能。有机溶剂的性能参数见表1。
表1 电解液溶剂的性能参数
Tab.1 Electrolyte solvent characteristics
溶剂ECPCDEC 分子量88102118 黏度(25℃)/(Pa·s)1.9(40℃)2.530.75 介电常数(25℃)89.664.922.805 熔点/℃36.4—-43 沸点/℃248242126 闪点/℃16013231 密度/(g/mL)1.3211.20.969
由表1可以看出，电解质有机溶剂的沸点和闪点较低。锂离子电池发生热失控时，内部温度在化学副反应和正负极内短路的作用下急剧升高，副反应产生的大量气体在电池内部集聚并使内部压力升高，进而撑开安全阀释放压力。随后，内部温度超过有机溶剂的沸点时，有机溶剂迅速汽化，从安全阀处喷出后形成汽化电解液。
图2为电池模组表面温度变化曲线，其中温度变化最剧烈的部位是上表面，最高温度达520℃；其次是右表面以及左表面，变化最不明显的是电池模组后表面。上表面与后表面的峰值温差约有300℃，但不同位置的温度变化趋势和最大值出现时刻基本一致。
图2 热失控试验电池表面温度变化曲线
Fig.2 Surface temperature change curve of thermal runaway test battery
热失控试验主要气体监测记录浓度曲线如图3所示。其中H2量程和CO的量程均为0～0.10%，CO2量程为0～0.20%。
图3 热失控试验主要气体监测记录浓度曲线
Fig.3 Concentration curve of main gas monitoring records in thermal runaway test
从图3中可以看到，锂离子电池热失控发生后，H2浓度增长最为迅速，并在发展阶段超出仪器量程；CO和CO2浓度都是在起始阶段缓慢增加，并从发展阶段中期迅速增加，且CO2浓度在燃烧阶段的增速更高。从可见光画面及温度曲线可知，电池发生燃烧爆炸在1 500s前后，此时H2浓度刚刚突破量程约为0.1%，CO浓度为0.048%，在爆炸前远远未达到这两类气体的理论爆炸下限：4%和12.5%[25]。通过计算混合气体的爆炸极限，结论依旧如此。因此，电池热失控产生的气体并不能引起电池爆炸。
通过热失控试验可见光图像可知，在汽化电解液充满试验舱后电池发生了燃烧。
由此可以得出结论，在本次试验中，引发锂离子电池发生燃烧爆炸事故的可燃气主要为大量逸出的汽化电解液，而非电池热失控反应产生的气体；多种有机溶剂混合的电解液在电池热失控后浓度不断增加，完全遮挡住监控摄像头的视野，遇明火后即引发爆炸。
1.2.1 数学模型
FLACS是一款基于计算流体动力学CFD技术的爆炸及扩散的有限元数值模拟软件。FLACS采用一个描述火焰发展的模型实现对燃烧和爆炸的建模，研究局部反应随浓度、温度、压力和湍流等参数的变化。该软件可在三维笛卡尔网格上求解可压方程Navier Stokes，采用有理想气体状态方程和K-ε湍流模型[26-27]。在爆炸过程中，所有状态参数都遵循质量、动量、能量以及组分守恒方程。控制方程的一般形式为[28]
（1）式中，f为通用求解变量（包括质量、动量、能量等变量）；ρ为气体密度（kg/m3）；xj为在j方向上的积分；ui为i方向上的速度矢量；Gf为扩散系数；Sf为源项。
该方法考虑了火焰与装置、管道、设备等的相互作用和影响，可直接对气体爆炸冲击波进行计算。
FLACS软件能够研究复杂结构的通风情况，定义泄漏源的种类，气体泄漏到复杂结构的扩散过程，和点燃这样一个真实云团，在更真实场景下研究爆炸过程。锂离子电池在电池舱内剧烈燃烧引发爆炸事故是一种典型的定容爆炸[29]，可燃气体与空气混合物在刚性容器内的燃烧过程，整个过程容器体积保持不变。爆炸过程释放的能量被气体本身吸收，温度升高，压力升高，在化学计量比浓度下，定容爆炸的压力可达到初始压力的7～8倍。
1.2.2 物理模型与几何分布
参照某电动汽车建立爆炸模拟物理几何模型，该模型场景设置为电动汽车在充电站中正常充电，电池管理系统（Battery Management System, BMS）失效情况下的电池过充引发热失控。充电站长18m，宽7.5m，共6车位，如图4和图5所示。
图4 电动汽车锂离子电池示意图
Fig.4 Schematic diagram of lithium-ion batteries for electric vehicles
如图5a所示建立X、Y轴，竖直向上方向建立Z轴，计算区域扩大为30m×12m×8m。其中车位大小采用标准尺寸，长6m、宽2.5m。电动汽车几何模型长4.8m、宽1.8m、高1.6m、轴距2.7m。各电动汽车X轴间距7.2m，Y轴间距0.7m，并对各车辆进行编号。在几何模型中对电池舱附近网格进行局部加密，在边界区域将网格适当拉伸，以在不影响结果的前提下缩短计算时间。
图5 电动汽车简化物理模型及分布
Fig.5 Simplified physical model and distribution of electric vehicles
图5b显示了电池舱位于乘员舱正下方，长2m、宽1.6m、高0.12m。图5c显示了充电桩位于车辆后方，电动汽车充电口设置为车辆侧后方，充电线路与电池舱连接处在电池舱后边缘中部。图5d显示了不同泄压孔的设置位置，以研究不同方向位置泄压孔对泄爆效果的影响。泄压板均为单向突破，每个泄压孔中心点设置压力监测点观察超压变化。
1.2.3 爆炸相关参数
本文选取容量为某品牌电动汽车55kW·h的磷酸铁锂电池作为可燃气来源。根据锂离子电池模组的过充热失控试验结论，可燃气体的主要成分是锂离子电池模组中的汽化电解液，其主要成分为碳酸丙烯酯（C4H6O3）、碳酸乙烯酯（C3H4O3）、碳酸二乙酯（C5H10O3）等有机物溶剂。在以下数值研究中将使用CH4 19%、CO 56%，H2 25%的混合气体来等效汽化电解液。气体等效方程为
（2）由于实际电池爆炸事故多是因单体电池燃烧引发的连环燃烧，在密闭空间内一旦不能及时遏制火势，最终将会引发全部的电池组爆炸，故可以认为对于电池模组容量一定的电池舱，燃料总量是确定的。根据单个锂离子电池模组中电解质的总量计算得到爆炸前的可燃气体总量。从锂离子电池热失控试验的可见光记录可知，在汽化电解液充满舱体后发生燃烧爆炸事故，故可以假设爆炸前电池内的可燃气体是大致均匀分布的。爆炸参数初始条件见表2。
表2 爆炸参数设置初始条件
Tab.2 Initial conditions of explosion parameters setting
参数数值 环境温度/℃20 环境压力/kPa101.325（大气压） 风速/(m/s)0 边界条件EULER方程 湍流模型K-e标准模型 空气成分20.95%O2+79.05%N2标准气体
为研究锂离子电动汽车爆炸对周围的影响及泄压孔对结果的影响，本文做了大量关于泄压孔的对比研究，泄压孔的参数设置见表3。五组仿真中泄压孔开启压差均为10kPa。
表3 泄压孔设置参数汇总
Tab.3 Summary of pressure relief hole setting parameters
仿真编号位置形状大小 Case1下方中部方形1m×0.6m Case2两侧长条形2m×0.5m×2个 Case3上方中部方形1m×0.6m Case4下方中部方形1.5m×1m Case5下方方形2m×1.5m
爆炸车辆选择为图5a中①号车辆，起爆点设置为充电线路与电池舱连接处，即电池舱后边缘中部。监测点设置共5个：P1位于电池舱内部中心；P2位于乘员舱中心；P3位于电池舱下方中部；P4位于②号车侧面；P5位于④号车后方。
表征气体爆炸特征的参数主要有爆炸压力、升压速率、火焰温度、火焰速度、燃烧速度等。为详细描述电动汽车爆炸对周围环境的影响，本文选用温度T和超压变化为输出变量。
以点火时刻为起始时间t=0s，进行仿真研究分析。Case1泄压孔设置示意图如图6所示。
图6 Case1泄压孔位置示意图
Fig.6 Schematic diagram of Case1 pressure relief hole position
为了更清晰地呈现爆炸中火焰燃烧情况，对①号车辆所在区域进行放大，并对其余部分做透明处理。爆炸过程中的温度变化如图7所示。
图7 Case1温度场3D变化
Fig.7 3D changes of Case1 temperature field
从图7a可以看出，在爆炸发生初期，高温从起爆点开始在电池舱内部向前方蔓延，传播速度极快，电池舱内最高温度达到2 158K；从图7b可以看出，t=0.14s时，电池舱内所有电池模组均已热失控，泄压孔此时已被突破，高温沿泄压孔传递至车辆底部并向周围扩散；图7c和图7d分别显示了t=0.21s时的X、Y轴的温度剖面图，可以看到此时高温场以泄压孔为中心，呈半球状向四周扩散，同时整个温度场具有“内高外低”特点，高温已经对车辆左右方向周围1m处产生威胁。从图7e和图7f可以看出，在爆炸发生1.5s后，爆炸参数的高温已经蔓延至5m远，波及范围非常大，并且随着范围的扩大，高温受超压冲击影响主要沿水平面X、Y轴方向传播，斜向传播力度较小。
监测点P1和P3的温度数据说明了电池舱内部的具体情况，如图8所示。
图8 Case1电池舱内外温度变化
Fig.8 Temperature changes inside and outside the battery compartment of Case1
从图8可以看出，电池点燃后，燃烧约0.1s后传递至电池舱中部，温度急剧升高，在达到2 100K时泄压孔打开，温度不再攀升，并随着时间开始缓慢下降。泄压孔打开后，电动汽车底部温度迅速升高至800K后停止，在t=0.6s后开始平稳下降。
由此可以得出结论：t=0.1s时泄压孔打开，电池舱内产生的多余热量传递至电池舱外；0.8s后电池舱内产生的热量基本输送完成，电池舱内外均开始降温，同时泄压孔内部温度明显高于外部温度。
图7和图8已显示出①号电动汽车电池舱爆炸的温度变化情况。为了探究对周围环境的冲击情况，选取各监测点超压变化作为输出变量，超压变化如图9所示。
图9显示了①号电动汽车电池舱监测点的超压变化曲线，可以验证，泄压孔在t=0.12s左右被突破，由于P1监测点距泄压孔有5cm距离，故P1监测点最大超压仅9.2kPa；在冲击波突破泄压孔后，此处超压急剧减小，泄压孔下方P3监测点超压最大值为0.7kPa，远低于电池舱内部超压，推测是由于电池舱形状呈“大而薄”的特点，泄压孔在下方承受压力较小。P2、P4、P5监测点超压均较小，说明电池舱爆炸对周围环境的超压冲击较小。
图9 Case1各监测点超压变化
Fig.9 Case1 overpressure changes at each monitoring point
仿真结果表明：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2 158K；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，超压冲击波主要在电池舱内部作用，电池舱舱体材料的承压能力至关重要；电池舱爆炸产生的高温在沿泄压孔传递出去后，主要沿水平方向向四周传播，传播范围较大，极易引起周围充电桩和其他车辆燃烧。
电动汽车电池舱的爆炸事故对周围环境影响巨大，接下来本文将研究泄压孔的不同参数对泄爆效果的影响。
Case 1中泄压孔在电动汽车底部，Case 2和Case3将通过改变泄压孔的位置，以实现不同方向泄压的效果。
3.1.1 侧向泄压
Case 2泄压孔设置示意图如图10所示。Case 2爆炸过程中的温度变化如图11所示。Case 2监测点超压变化如图12所示。
图10 Case2泄压孔位置示意图
Fig.10 Schematic diagram of Case2 pressure relief hole position
图11 Case 2温度变化
Fig.11 Case 2 temperature change
图12 Case 2监测点超压变化
Fig.12 Case 2 monitoring point overpressure change
从图11a和图11b可以看出，t=0.1s前后爆炸产生的冲击波已突破泄压孔向车外传播，电池舱内最高温度达2 151K；图11c和图11d分别为t=0.23s时的车辆剖面图和全貌；图11g为t=0.23s时的2D平面图，可以看到高温主要沿两侧泄压孔向车辆侧下方蔓延，此时车辆正下方形成短暂的“真空”地带；从图11e和图11f可以看到，随着时间的推移，高温主要沿着Y轴传播，此时相邻车辆将受到更大威胁，引起燃烧的概率更大。
从图12可以看出，在t=0.07s时，泄压孔就已突破阀值打开，之后由于外部空气充足，部分燃料被冲出舱外后燃烧，形成短时间的负压区，超压方向改变。
仿真结果表明，当泄压方向改变至侧面时，由于泄压孔位置处于电池舱体最大受力区，升压速率更高，泄压孔突破时间提前至0.07s。电池舱内最高温度变化不大。冲击波在冲破泄压孔后，泄压方向集中于两侧，在Y轴传播更远，威力更大。而充电站内左右相邻车辆在Y轴相距仅0.7m，极易引起燃爆事故。
3.1.2 顶部泄压
Case3泄压孔设置如图13所示，Case3爆炸过程中的温度变化如图14所示。
图13 Case3泄压孔位置
Fig.13 Case3 pressure relief hole position
图14 Case3温度变化
Fig.14 Case3 temperature change
图14显示了Case3的温度变化，每个分图上图为3D温度场，下图为对应时刻的2D平面。从图14b可以看出高温在突破泄压孔后充满乘员舱，仅0.98s后，电动汽车乘员舱内部基本被800K以上的高温完全占据，最高温度达2 020K；从图14c、图14d可以看出，舱外高温区不断扩大，高温主要通过车窗向上方传播，对相邻车辆影响较小。
仿真结果表明，当电池舱上方设计为泄压位置时，虽然对周围车辆影响最小，但这种做法是以牺牲乘员舱为代价，没有实用价值。
接下来2组仿真泄压孔均在电动汽车底部，Case4和Case5通过改变泄压孔的大小，以实现不同面积泄压的效果对比。
3.2.1 Case4
Case4泄压孔大小设置为1.5m×1m，位置同Case1，Case4爆炸过程中的温度变化如图15所示。
图15 Case4温度变化
Fig.15 Case4 temperature change
图15b、图15c为t=0.09s时刻的电动汽车横纵面3D剖面图，此时泄压孔已经打开，泄压孔下方区域基本已被高温覆盖，平均温度达1 600K；从图15d可以看出，增大泄压孔面积后，整个电池舱下方区域明显被高温充满，下方区域平均温度明显升高；从图15e、图15f可以看出，高温冲击波传播力度明显减弱。
Case4电池舱内外温度变化如图16所示。从图16可以看出，增大泄压孔面积后，电池舱在t=0.08s时泄压孔打开时，监测点P1、P3温度有短暂下降，但此时电池舱内燃烧反应还在继续，不断产生的热量迅速将泄压孔内外的温度抬升，最高温度达到2 100K左右，持续至t=0.6s后温度开始平稳下降。其中P2、P5未检测到温度变化，所以在图16中未列出。
图16 Case4电池舱内外温度变化
Fig.16 Temperature changes inside and outside the battery compartment of Case4
Case4监测点超压变化如图17所示。从图17可以看出，由于泄压孔增大，电池舱下方监测点P3超压峰值明显升高，达到4kPa。
图17 Case4监测点超压变化
Fig.17 Case4 monitoring point overpressure change
3.2.2 Case 5
Case 5泄压孔大小设置为2m×1.5m，位置居于电池舱下方中部，Case 5爆炸过程中的温度变化如图18所示。
从图18可以看出，当泄压孔面积继续增大时，泄压孔打开后最高温度仍达到2 000K以上，但电池舱外平均温度较低。
Case5电池舱内外温度变化如图19所示。从图19可以看出，此时泄压孔附近最高温度仅达1 700K，其余监测点温度均较低，维持在500K左右，但呈现出缓慢上升状态，推测是随着泄压孔的打开，大量未燃的可燃物随冲击波传递至舱外，在空气充足的车辆外部继续燃烧。
Case5监测点超压变化如图20所示。从图20可以看出，P3监测点最大超压值为3kPa，产生的负压最大约为1.8kPa。
图18 Case5温度变化
Fig.18 Case5 temperature change
图19 Case5电池舱内外温度变化
Fig.19 Temperature changes inside and outside the battery compartment of Case5
图20 Case5监测点超压变化
Fig.20 Case5 monitoring point overpressure change
将Case1、Case4和Case5关键参数汇总为表4。
表4 不同面积泄压孔泄压效果对比
Tab.4 Comparison of pressure relief effects of pressure relief holes in different areas
Case泄压孔打开前温度/K泄压孔打开后温度/K降温幅度/K产生的负压/kPa 121502100500 4180014004002.6 5170070010001.8
从表4可以看出，在不改变泄压位置的前提下，泄压孔的降温效果随着泄压面积的增大而增加。当泄压孔较小时，由于电池舱下方空间狭小，不会产生负压，当泄压孔面积足够大时，大量的泄压面积使单位面积压强较小，产生的负压值较小；当泄压孔面积居中时，产生负压最大。
综合对比Case1、Case4和Case5的泄压效果，可以得出结论：随着泄压面积的增加，泄压孔的降温效果逐渐增加，整个车体所受的冲击逐渐减小，但周围环境所受的冲击增加。
为了探究不同开启压差对泄压效果的影响，本文基于Case1依次做了1kPa、3kPa、5kPa、7.5 kPa、20 kPa和30 kPa的开启压差的泄压模拟研究，如图21所示。
图21 不同开启压差下最高温度对比曲线
Fig.21 Comparison curve of maximum temperature under different opening pressure difference
不同开启压差下温度峰值的仿真结果如图21所示，可见即使在开启压力较低的7.5kPa条件下，爆炸所造成的最高温度也可超过2 100K。当开启压差超过7.5kPa后，温度峰值随泄压孔开启阈值的增加而提升，虽然幅值有限，均处2 150～2 250K之间，但仍反映出随着泄压孔开启阈值的提升，冲击波传播受到的限制不断增强。当开启压差低于7.5kPa时，最高温度没有明显下降。可见在本试验条件下，7.5kPa是一个较为合适的开启阈值。
更高的开启阈值导致更高的温度，进而增强对周围环境的冲击力。降低泄压孔的开启压差可以有效降低爆炸的危害。实际条件仍需结合更多因素以确定合适的开启阈值。
本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。
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（C4H6O3）、碳酸乙烯酯（C3H4O3）、碳酸二乙酯（C5H10O3）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2 158K，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。
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Study on Simulation and Safety Protection of Electric Vehicle Overcharge and Explosion Accident
Abstract Frequent electric vehicle safety accidents have seriously affected the healthy development of the electric vehicle industry. Among them, safety accidents caused by overcharging account for a high proportion. In order to study the combustion and explosion accidents caused by thermal runaway caused by overcharge of lithium ion battery electric vehicles, this article first conducted an overcharge runaway experiment on lithium iron phosphate battery modules, and found that the battery modules exploded in the process of thermal runaway development. The main component is vaporized electrolyte. Secondly, a geometric model of a small electric vehicle was established based on the explosion simulation software FLACS. The explosion characteristics of the electric vehicle were studied using the vaporized electrolyte caused by the overcharge of the lithium-ion battery as fuel, and the explosion venting effects of pressure relief designs in different directions were compared and analyzed. The study found that the design of different pressure relief positions has a significant effect on the direction of the explosion shock wave diffusion. When the pressure relief hole is arranged below the side of the battery compartment, the pressure relief effect is the best, which can effectively reduce the explosion intensity. Under a reasonable design, changing the size of the pressure relief hole and the opening pressure difference can reduce the impact on surrounding vehicles and avoid igniting adjacent vehicles as much as possible.
keywords：FLACS, electric vehicle, lithium-ion battery, security
DOI:10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.211276
中图分类号：TM911
国家自然科学基金资助项目（51807180）。
收稿日期 2021-08-14
改稿日期 2021-08-27
牛志远 男，1997年生，硕士研究生，研究方向为电池安全及防护。E-mail：niuzzyy@163.com
金 阳 男，1989年生，教授，博士生导师，研究方向为电网储能与电动汽车安全防护。E-mail：yangjin@zzu.edu.cn（通信作者）
（编辑 郭丽军）