電動客車火災撲救中電池組冷卻系統(tǒng)優(yōu)化

摘要：針對大型電動客車火災事故中三元鋰電池組熱失控導致的連鎖反應問題，以某品牌12m純電動客車為研究對象，通過分析其368V/562Ah動力電池組的冷卻系統(tǒng)局限性，提出了基于相變材料與微通道液冷相結合的復合冷卻系統(tǒng)優(yōu)化方案。實驗數據表明，該系統(tǒng)能有效控制高溫環(huán)境下電池組溫度，顯著降低熱擴散速率，提升冷卻效率。優(yōu)化后的系統(tǒng)為大型電動客車火災撲救提供了可借鑒的技術方案。

關鍵詞：電動客車電池組；相變材料；微通道液冷；溫度場分布；熱失控抑制

中圖分類號：D631.6" " " 文獻標識碼：A" " " "文章編號：2096-1227（2024）11-0013-03

隨著電動客車在公共交通領域的廣泛應用，其安全性能越來越受到關注。以某品牌12m純電動客車為研究對象，該車型配備368V/562Ah三元鋰電池組，采用傳統(tǒng)風冷與水冷結合的冷卻系統(tǒng)。在實際火災撲救中，該系統(tǒng)存在降溫速度慢、冷卻不均勻等問題，難以有效防止熱失控蔓延。因此，開發(fā)適用于大容量電池組的快速高效冷卻系統(tǒng)成為提升電動客車火災撲救能力的關鍵。

1 電動客車電池組冷卻系統(tǒng)現狀分析

某品牌12m純電動客車動力電池組由368V/562Ah三元鋰電池構成，56個電池模塊串聯，每模塊32個電芯并聯。電池組分置前后兩個倉室，單倉尺寸1850mm×960mm×420mm，總質量680kg。采用風冷與水冷復合冷卻，模塊間設6mm冷卻風道，底部布置蛇形水冷管路，制冷功率22kW。

2023年3月一起碰撞引發(fā)的起火事故中，電池組溫度4min內從38℃升至146℃，引發(fā)熱失控。紅外成像顯示熱量通過模塊間隙橫向擴散，消防車雖采用大流量水槍降溫，但難以滲透至電池包內部。事故處置耗水15t，用時4.2h才控制火勢。針對該案例分析，現有冷卻系統(tǒng)存在三個問題：第一，高溫下風冷效率顯著降低，120℃時傳熱系數下降78%。第二，水冷系統(tǒng)熱量傳導路徑過長，難以快速響應局部過熱。第三，模塊間6mm間隙過大形成熱擴散通道，相鄰模塊溫差達85℃，加劇熱失控蔓延。亟需開發(fā)新型高效冷卻方案，解決熱量快速吸收、傳導路徑優(yōu)化、均勻散熱三個技術難點。

2 冷卻系統(tǒng)優(yōu)化設計

針對現有冷卻系統(tǒng)存在的熱量吸收慢、傳導路徑長、散熱不均勻等問題，設計了一種基于相變材料與微通道液冷相結合的復合冷卻系統(tǒng)。該系統(tǒng)充分利用相變材料的高潛熱特性實現快速吸熱，通過微通道結構優(yōu)化熱量傳導路徑，并采用智能控制策略確保冷卻均勻性。

2.1" 相變材料選型與布置方案

根據電池組熱失控時的溫度特性，相變材料的選擇需同時滿足相變溫度、潛熱值、熱導率、化學穩(wěn)定性等要求。通過材料性能對比，選定n-十八烷作為基礎相變材料，其熔點48℃，潛熱值241kJ/kg，導熱系數0.35W/（m·K），體積膨脹率3.5%。為提高導熱性能，采用濕法混合工藝將質量分數5%的碳納米管均勻分散在n-十八烷中。碳納米管直徑20～30nm，長徑比＞1000，純度99.9%，經表面改性處理確保分散穩(wěn)定性。復合后材料導熱系數提升至1.2W/（m·K）。相變材料采用模塊化封裝結構，設計蜂窩狀鋁制基體作為載體。基體采用5052鋁合金制作，通過定向凝固工藝成型，孔徑4mm，壁厚0.2mm，高度8mm，孔隙率85%。單個PCM模塊外形尺寸150mm×100mm×8mm，內部設置12×8個規(guī)則蜂窩孔[1]。蜂窩孔側壁經過等離子處理，表面粗糙度Ra0.4μm，提高了與相變材料的接觸性能。

為防止高溫下相變材料泄漏，PCM模塊采用雙層密封結構。內層為0.5mm厚改性鋁箔膜，經過深拉伸工藝成型，與蜂窩基體過盈配合。外層選用1mm厚的防火防爆復合材料，由60%硅橡膠、30%氧化鋁和10%阻燃劑組成。兩層之間填充高溫導熱硅膠，厚度0.3mm，導熱系數3.0W/（m·K）。PCM模塊在電池組布置方案中，每個電池模塊兩側各布置4個PCM模塊，通過定制的鋁制卡槽固定。卡槽采用6063鋁合金擠壓成型，表面噴涂高溫絕緣漆，厚度0.8mm。卡槽與PCM模塊之間采用導熱系數4.5W/（m·K）的相變導熱凝膠，涂覆厚度0.2mm，確保良好的熱傳導性能。相鄰PCM模塊間隔1mm，內置K型熱電偶用于溫度監(jiān)測。

2.2" 微通道液冷系統(tǒng)構建

微通道液冷系統(tǒng)的核心是集成在電池模塊底部的冷卻板。冷卻板采用6061鋁合金制造，尺寸320mm×240mm×12mm，由上下兩層板材真空擴散焊接而成。微通道結構在上層板材表面通過高精度數控銑削加工形成，采用“工”字型布局，提高流道覆蓋面積。主流道橫向布置，寬度2mm，深度1.5mm；支流道縱向分布，寬度0.8mm，深度1mm，間距4mm。流道表面經過陽極氧化處理，形成20μm氧化膜，提高耐腐蝕性。為優(yōu)化流體分配，進出口歧管采用漸變截面設計。進口歧管內徑從6mm逐漸減小至2mm，出口歧管反向漸變，通過計算流體力學分析確定最優(yōu)漸變角度為4°。主流道與支流道交接處設計半徑為0.3mm的圓滑過渡，降低局部阻力損失[2]。在2L/min設計流量下，整體壓降控制在12kPa以內。

冷卻液選用乙二醇水溶液，質量濃度45%，在-30℃～120℃范圍內保持良好流動性[3]。添加質量分數0.5%的納米氧化鋁懸浮液提升傳熱性能，0.2%的緩蝕劑防止管路腐蝕。冷卻液輸送系統(tǒng)包括直流變頻水泵、儲液罐、熱交換器等部件。水泵揚程15m，最大流量8L/min，功率400W。儲液罐容積5L，內置波紋管補償液體熱膨脹。每個電池倉室配置一套獨立的微通道冷卻系統(tǒng)，通過DN15快速接頭連接。接頭采用316L不銹鋼材質，密封圈選用耐溫150℃的氟橡膠，彈簧片鍍鉻處理，保證反復插拔500次無泄漏。管路采用內徑8mm的PTFE軟管，外包金屬編織層，耐壓1.6MPa。系統(tǒng)設置過濾器、溫度傳感器、壓力傳感器等監(jiān)測元件，實現工況監(jiān)控。

2.3" 復合冷卻控制策略

控制系統(tǒng)采用分層架構設計，包括現場層、控制層和監(jiān)控層。現場層布置24個PT100溫度傳感器，精度±0.1℃，沿電池組周向均勻分布。每個微通道冷卻板設置1個渦輪流量計和1個壓力變送器，監(jiān)測冷卻液流量和壓力。監(jiān)測數據通過CAN總線實時傳輸至控制器，采樣周期100ms。控制器選用STM32H743芯片，主頻480MHz，配置256KB SRAM。控制算法采用模糊自適應PID策略，將電池組劃分為8個獨立控制區(qū)域。輸入變量包括區(qū)域平均溫度、溫度變化率和相鄰區(qū)域溫度差，輸出變量為該區(qū)域冷卻液流量。模糊規(guī)則庫包含49條規(guī)則，基于專家經驗建立。PID參數自適應調節(jié)范圍：Kp0.8～2.5，Ki0.05～0.2，Kd0.1～0.4。

控制邏輯分為正常工作模式和應急處置模式。正常工作模式下，相變材料通過被動方式吸收熱量，微通道液冷系統(tǒng)維持基礎流量1L/min。當檢測到任一區(qū)域溫度超過45℃時，該區(qū)域液冷流量逐步提升；溫度超過52℃時，相鄰區(qū)域流量同步增加，形成協(xié)同降溫效果。應急處置模式針對熱失控工況，啟動備用水泵，將系統(tǒng)流量提升至最大值，同時降低冷卻液進口溫度[4]。

2.4" 系統(tǒng)集成與實現

系統(tǒng)集成采用模塊化設計理念，將PCM模塊、微通道板、管路系統(tǒng)預先組裝成獨立單元。PCM模塊安裝采用燕尾槽結構，槽深4mm，傾角15°，實現自鎖功能。定位精度通過型腔底部臺階控制，配合間隙0.1mm。微通道板與電池模塊間采用石墨烯導熱墊，厚度0.5mm，導熱系數12W/（m·K），確保均勻傳熱。管路系統(tǒng)采用模塊化快換設計，將所有接頭、傳感器集成在配電箱兩側[5]。配電箱尺寸400mm×300mm×150mm，采用1.2mm冷軋鋼板制作，表面噴塑處理。箱體內部設置絕緣層和導熱層，控制器安裝在隔熱腔體內。線束采用防水接插件，線路布置遵循強弱電分離原則。冷卻液管路設置快速排空閥，便于系統(tǒng)維護。

工程實施中重點解決了系統(tǒng)密封性、抗振性和EMC防護三個問題。所有密封面采用搭接結構，密封圈采用雙道密封。關鍵緊固件選用10.9級高強螺栓，涂覆微膠囊型防松膠。PCM模塊支架和管路支架均采用橡膠隔振墊，固有頻率控制在15Hz以下。控制器電源端增加EMI濾波器，信號線采用屏蔽雙絞線，接地電阻小于4Ω。

3 優(yōu)化效果驗證

3.1" 溫度響應特性測試

采用高溫熱源模擬電池組熱失控工況，熱源功率可調范圍0～200kW，升溫速率最高達到300℃/min。在電池組表面72個測點布置K型熱電偶，采樣頻率10Hz。通過數據采集系統(tǒng)記錄溫度場演變過程，測試環(huán)境溫度（25±2）℃，相對濕度45%±5%。實驗分別在50kW、100kW、150kW三種熱源功率下進行，每組實驗重復3次。不同熱源功率下系統(tǒng)溫度響應特性見表1。

收集的溫度數據顯示優(yōu)化后冷卻系統(tǒng)具有顯著的快速響應特性。在150kW熱源功率下，電池組表面溫度從25℃升至45℃僅需28s，相變材料即刻啟動吸熱，使溫升速率從15.8℃/s降至3.2℃/s。微通道液冷系統(tǒng)協(xié)同工作，在120s內將溫度穩(wěn)定在52℃以下。

3.2" 冷卻均勻性分析

通過紅外熱像儀獲取電池組表面溫度分布云圖，熱像儀分辨率640×480，測溫精度±0.5℃，掃描頻率60Hz。在電池組四周設置紅外反射板，確保測量視角完整覆蓋。實驗工況設置為100kW持續(xù)熱源輸入，記錄30min內溫度場變化。電池組表面溫度均勻性分析見表2。數據分析表明，優(yōu)化后系統(tǒng)表現出良好的溫度均勻性。電池組表面最大溫差控制在8.2℃以內，遠低于安全閾值15℃。相變材料的布置顯著改善了溫度梯度，邊緣區(qū)域與中心區(qū)域溫差減小67%。

3.3" 熱失控抑制效果評估

采用光纖測溫系統(tǒng)監(jiān)測電池組內部溫度分布，布置48個測點，測溫范圍-50～300℃，響應時間0.1s。通過高壓放電觸發(fā)單個電池模塊熱失控，記錄熱量擴散過程。熱失控蔓延抑制效果分析見表3。實驗在專業(yè)防爆艙內進行，配備氣體檢測和應急處置設備。分析結果顯示優(yōu)化后系統(tǒng)具有顯著的熱失控抑制效果。觸發(fā)點溫度達到180℃時，相鄰模塊溫度僅上升12℃，熱擴散速率降低87%。系統(tǒng)持續(xù)工作45min后，受影響區(qū)域限制在起始模塊周圍100mm范圍內。

4 結束語

通過對12m純電動客車368V/562Ah電池組冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化研究，成功開發(fā)了一套相變材料與微通道液冷相結合的復合冷卻系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用熔點為48℃的相變材料進行熱量快速吸收，配合優(yōu)化后的微通道結構實現熱量持續(xù)導出。實驗結果表明，在保持系統(tǒng)緊湊性的同時，優(yōu)化后的冷卻系統(tǒng)具有更好的溫度響應特性和均勻性，可有效防止熱失控蔓延。這一研究成果為提高大型電動客車火災撲救效率提供了可靠的技術支持。

參考文獻

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[3]何宇.新能源汽車動力電池冷卻技術研究綜述[J].汽車文摘，2024（10）：9-13.

[4]陳岳浩，陳莎，陳慧蘭，等.儲能電池組浸沒式液冷系統(tǒng)冷卻性能模擬研究[J/OL].儲能科學與技術，1-12.

[5]程露，柳亮.基于Comsol的鋰電池冷卻性能的仿真研究[J].內燃機與配件，2024（16）：17-19.