防水透氣閥(又稱防爆閥)作為電池包的關(guān)鍵組件,既要抵御外界水汽侵入,又要平衡內(nèi)外氣壓,更需在極端工況下快速泄壓防爆。本文從作用、原理、材料、分類及選型5各方面簡單介紹這項技術(shù)。
電芯熱失控中噴發(fā)高溫可燃燒煙氣
01 防水透氣閥的作用
(1)氣壓平衡的必要性
IP67防護(hù)等級的動力電池系統(tǒng)在長期使用中,因溫度、海拔變化可能導(dǎo)致內(nèi)外壓差過大,超過密封界面承受能力,進(jìn)而導(dǎo)致密封失效和IP67防護(hù)失效。
導(dǎo)致氣壓不平衡的典型工況:
(2)防爆功能的必要性
極端工況:電池系統(tǒng)在起火、爆炸等極端情況下會產(chǎn)生大量氣體,若無法及時泄壓,可能加劇爆炸程度。
防水透氣閥同時需具備防爆功能,在正常工況下調(diào)節(jié)壓差,在極端情況下快速泄壓,防止爆炸加劇。
(3)防冷凝和腐蝕但空氣濕度
當(dāng)空氣濕度較大時,如果電池包內(nèi)溫度發(fā)生驟降,則內(nèi)部很可能產(chǎn)生冷凝水。冷凝水可能導(dǎo)致高壓電氣回路短路,加速內(nèi)部金屬零件的腐蝕。
根據(jù)理想氣體定律,相對濕度可表示為:
式中,e為實際水汽壓強(qiáng),E為當(dāng)前溫度下的飽和水汽壓強(qiáng)。當(dāng)ϕ≥100%時,多余水汽即凝結(jié)為液態(tài)水。
02 核心材料與工作原理
(1)核心材料
防水透氣閥的核心材料是膨體聚四氟乙烯薄膜(e-PTFE),具有致密的微孔結(jié)構(gòu)(孔徑僅0.1~10μm)。一般空氣分子的平均直徑僅為0.0004μm,而水滴直徑通常在400μm左右,遠(yuǎn)大于微孔直徑。
另外膨體聚四氟乙烯薄膜具備良好的疏水性,水滴在其表面不會被潤濕和攤開,而是聚集成水滴滑落。
不僅如此,薄膜還具有耐化學(xué)性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、疏油性,還可以有效阻止灰塵、油污等進(jìn)入電池包內(nèi)部。
(2)工作原理
在正常工況下,內(nèi)置的e-PTFE防水透氣膜允許氣體雙向流通,維持箱內(nèi)外氣壓平衡;
當(dāng)內(nèi)部壓力因熱失控(如電芯短路引發(fā)氣體急速膨脹)超過設(shè)定閾值(通常為20-40kPa)時,機(jī)械觸發(fā)裝置立即響應(yīng):
活塞式防爆閥通過彈簧被壓縮釋放泄壓通道
頂針式防爆閥則利用高壓氣體頂破透氣膜實現(xiàn)瞬間泄壓。
氣壓平衡防爆閥通常由以下部件組成:
主體:支撐整體結(jié)構(gòu),提供安裝接口。
透氣膜:允許氣體通過,同時防止液體和固體顆粒進(jìn)入。
密封圈:確保防爆閥與電池系統(tǒng)外殼之間的密封性。
外部防護(hù)罩:保護(hù)透氣膜免受機(jī)械損傷。
過濾網(wǎng):過濾大顆粒污染物,延長透氣膜壽命。
內(nèi)部防護(hù)網(wǎng):防止電池系統(tǒng)內(nèi)部異物進(jìn)入防爆閥。
防爆閥的結(jié)構(gòu)和工作原理
02 分類與設(shè)計選型
(1)分類
a)活塞桿式防爆閥
結(jié)構(gòu):由彈簧、活塞桿及e-PTFE透氣膜組成,內(nèi)部設(shè)彈簧腔體。
特點:可反復(fù)使用,爆破后活塞自動復(fù)位;但泄壓速度較慢(約5-10秒),易受灰塵堵塞影響性能。
b)頂針式防爆閥
結(jié)構(gòu):內(nèi)置頂針與透氣膜,無彈簧組件,依賴高壓氣體頂破膜片。
特點:泄壓速度極快(<1秒),一次性使用;透氣量大(>5L/s),但需更換e-PTFE透氣膜。
根據(jù)電芯種類的不同,防爆閥選型一般也有所不同。如果是高能量密度的三元鋰電池,則一般選擇具有定向快速泄壓功能的防爆閥;而如果是熱穩(wěn)定較高的磷酸鐵鋰電池,一般選用成本較低的普通防水透氣閥。
(2)設(shè)計選型原則
在選擇電池防爆閥時,需要考慮以下因素:
1、開啟壓力閾值的設(shè)定
基于電池體系特性(如電芯化學(xué)體系、殼體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度)及應(yīng)用環(huán)境(如海拔、溫變范圍)綜合確定壓力閾值。
決定因素:
殼體耐壓極限:通常取殼體最大耐壓失效值的60%-80%
熱失控產(chǎn)氣特性:需匹配電芯熱失控初期氣體生成速率(如三元鋰電池初始產(chǎn)氣速率可達(dá)5-10L/s)
安全冗余設(shè)計:建議疊加1.2-1.5倍安全系數(shù),防止誤觸發(fā)或失效風(fēng)險
例如,如果電池箱體的最大耐壓失效壓力為20kPa,防爆閥的開啟壓力通常會在這個最大壓力的基礎(chǔ)上乘以一個安全系數(shù),比如80%,從而確定開啟壓力為16kPa。
2、正常工作時的透氣量選擇
根據(jù)國標(biāo)GB38031-2025中“8.2.8溫度沖擊”的規(guī)定,電池包需要在-40-60℃的交替溫度環(huán)境中進(jìn)行測試,且兩種極端溫度間的轉(zhuǎn)換時間需在30分鐘以內(nèi)。
假設(shè)電池包內(nèi)部的空氣凈容積為50升。依據(jù)該標(biāo)準(zhǔn),電池包從-40℃升溫至60℃時,在30分鐘內(nèi)氣體體積的膨脹量就是防爆閥所需的透氣量。
根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程中的蓋·呂薩克定律,當(dāng)壓強(qiáng)保持不變時,一定質(zhì)量的氣體體積與其熱力學(xué)溫度成正比(V1/T1 = V2/T2 = C,其中C是常數(shù))。因此,可以通過此公式計算出所需的透氣量V3=V2-V1。
防爆閥的透氣量需滿足:
Q——防爆開啟壓力下的防爆閥透氣量,L/min
Qc——電芯產(chǎn)氣速率
n——防爆閥數(shù)量
m——熱失控電芯數(shù)量
1.5為安全系數(shù),需結(jié)合電芯熱失控排氣量和防爆閥理論排氣量曲線對比進(jìn)行選擇
3、熱失控泄壓能力設(shè)計
鋰電池?zé)崾Э嘏c熱擴(kuò)散是一個多重因素導(dǎo)致的復(fù)雜失效現(xiàn)象,深入研究這一過程及其引發(fā)電芯爆炸的機(jī)理需要進(jìn)行大量的試驗和分析工作。
下面基于以下幾個假設(shè),進(jìn)行簡化計算:
假設(shè)電芯為圓柱形18650型號,其體積約為0.0165升;
當(dāng)單個電芯發(fā)生爆炸時,其產(chǎn)生的熱量足以使周圍六個相鄰電芯失效;
假設(shè)7個這樣的圓柱形電芯同時失效,則產(chǎn)生氣體的速度將達(dá)到25升/s。
直徑為10mm、面積達(dá)到78.5mm2的直通孔,其排氣速率可達(dá)到6L/s。
當(dāng)電芯因熱失控爆炸時,會產(chǎn)生高達(dá)其體積10倍的空氣膨脹。
泄壓面積需求計算:
25L/s(電芯分解) + 1.2L/s(包內(nèi)空氣膨脹) = 26.2L/s(總氣體排放體積速率)
A=26.2÷6×78.5=342.8 mm2,對應(yīng)直徑約為防爆閥有效泄壓直徑約為20.9mm
總結(jié):
防爆閥的選型注意事項
鋰電池的熱失控現(xiàn)象具有復(fù)雜性和多變性,因此在選擇防爆閥時還需考慮電池包的箱體材質(zhì)、工況等因素,并結(jié)合仿真分析和實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合評估。
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