电动车电池仓火灾预警系统中传感器布局优化研究

谌福鹏　罗佳丽 冒兴峰

摘 要：随着现在的新能源汽车的发展，越来越多品牌的新能源汽车可以供人们出行的选择，但是也就是随着新能源的发展，动力电池仓的安全也成了现在人们的主要安全问题。文章主要分析锂离子电池的充放电温度特性，以及锂离子电池发生热失控后参数的变化和环境，选择合适的传感器类型。并根据某一品牌的电动汽车现在已经有的监测方式，在其原来的监测位置的基础上，优化其传感器的位置，来提高监测的实效性、准确性，同时减少不必要的成本损耗。通过Pyrosim火灾模拟，进行火灾建模仿真。分析温度切片，布置合适的传感器位置，进行失火模拟分析，来判断方案的可行性和准确性。

关键词：Pyrosim火灾模拟 传感器位置 失火模拟

1 前言

电动车电池仓火灾引起了人们的广泛关注。电动车电池作为车辆的核心部件之一，其性能稳定与否直接关系到电动车的安全运行。因此，研究电动车电池仓安全监测系统成为一项迫切的需求。传感器是电动车电池仓安全监测系统的核心组成部分，吴梦宇等人[1]介绍了烟雾、温度、气体传感器及红外成像仪的原理和应用；TagneFute Elie[2]等人研究了移动无线传感器网络在火灾监测中的应用。李紫轩等人[3]提出了基于NTC温度传感器的锂电池内部温度监测。张风银[4]提出了多传感器融合的火灾探测模型，并应用BP神经网络进行训练学习。Fantham Thomas L[5]和Lin C.等人[6]分别讨论了锂离子电池实验室检测的安全性和国际电池标准与法规的比较。这些研究和标准的制定推动了电动车电池仓安全监测系统的发展和应用。唐雁雁[7]从锂离子电池的原理出发，阐述了锂离子电池的应用和发展趋势。

电动车电池仓安全监测的研究现状呈现出技术日益成熟、系统功能不断完善的趋势，为提高电动车电池仓的安全性和可靠性提供了有力支撑。然而传感器的布局不合理可能导致系统对火灾前兆的检测不到位或者误报警情况，影响系统的可靠性和准确性。本文对传感器布局进行优化研究，针对电动车电池仓的特点和火灾可能发生的场景，设计出最佳的传感器布局方案，对提高火灾预警系统的性能具有重要意义。

2 电动汽车电池仓温度特性研究

2.1 电池仓充放电温度研究

锂离子电池的充放电温度特性对于电池的性能和安全性具有重要影响。林涛[8]通过对三元锂电池的充放电研究，得出锂电池的温度特性，当环境温度在35℃时，电池组放电效率有最高点（92%）。选取磷酸铁锂电池为实验目标，在30℃的环境温度下观测其充放电过程中的电池温度变化如图1，充放电过程会产生热量，特别是在高速率充放电时，热量释放更为显著，可能导致电池温度迅速上升。

同时温度显著影响电池内部化学反应速率，升高温度会加快电池内部的化学反应速率，影响电极活性物质扩散和电解质离子迁移速率等。高温可能引发安全问题，如热失控，进而导致火灾或爆炸。因此，对电池的温度进行控制和监测至关重要。

2.2 传感器的选取

锂电池热失控过程中的主要特征有：温度变化，气体烟雾产生、起火爆炸。在发生热失控后三元锂离子电池温度能达到900℃。在锂离子电池燃烧过程中，都伴随着大量的烟雾产生。温度的变化较明显、并会产生烟雾，在电池仓这种相对密闭的环境当中，这几种参数的变化也较为明显。为实现对电池仓的火灾探测，在进行电池仓火灾自动预警系统设计中，预将温度、烟雾浓度同时作为电池仓环境的监测参数变量，通过采集电池仓中这些参数变量的变化来判断是否有火灾发生。

目前，市场上主流的温度传感器主要有：热敏电阻式、热电偶式、半导体式以及集成电路型温度传感器[9]，其性能对比如表1所示。

在安全监测系统中，温度监测是至关重要的，特别是对于三元锂电池热失控前的温度变化。及早控制热失控现象可以有效预防后续的火灾发生。即使无法控制热失控，温度传感器也应持续监测，尤其是在中后期温度较高的情况下。针对这种需求，应选择精度高、温度范围广、物化特性稳定且灵敏度良好的热敏电偶式温度传感器。对于火焰蔓延速度较快、烟雾颗粒较小的剧烈火焰，离子式烟雾传感器效果更好。考虑到锂电池热失控火焰的特点，离子式烟雾传感器是安全监测系统的合适选择。

3 电池仓传感器布局优化

3.1 电池仓模型搭建

创建电动汽车中的锂电池模型具体尺寸为长160cm、宽80cm、高20cm，电池仓内有10个电池包，电池包尺寸相同（长720mm，宽50mm，高150mm），在电池仓中的分布情况为长边上的间隔为100mm，宽边上的间隔为40mm，高度位于距离底部20mm，顶部30mm位置。在用Pyrosim进行火灾模拟仿真时，火灾的场景即为所选用的锂电池仓。

根据相关研究数据，采用锂离子电池燃烧单位面积热释放速率为2250kW/m?进行仿真。为了平衡仿真精度和热释放速率，采用了10mm×10mm×10mm 的网格单元尺寸，共划分为32000个小单元格，建立了电池仓模型。如图２所示。

3.2 传感器位置的确定

由于电池仓属于一个密闭空间，通过黄玉彪在密闭空间下的火灾烟气填充特性及壁面热传导效应[10]的研究发现，发现恒温环境和低差温环境对火灾烟气的填充过程几乎没有影响，且温度的传播在一定范围内也不受影响，但是当内外界温差过大时，内部的温度传播会收到影响。由于我们只考虑由电池仓内部引起的火灾安全，所以温度的传播在内部不受影响。

由于此电池仓为对称模型，且电池仓属于密闭空间，没有风速，热传导不受影响，为了减少模拟时间，只对模型一半进行火源设置。起火点位置与温度分布对比如图3所示。将火源位置分别设置在电池仓的正中央，坐标位置为（0.7，0.37，0.02），工作界面如图3（a）所示，仿真结果如图3（b）；电池仓的前端，坐标位置为（0.1，0.04，0.02）。工作界面如图3（c）所示，仿真结果如图3（d）；电池仓的一点，坐标位置为（0.4，0.2，0.02）。工作界面如图3（e）所示，仿真结果如图3（f）。

图3（b）、3（d）、3（f）中，红色区域热值最高，蓝色区域热值最低，当发生火灾时，热量在电池仓内迅速扩散。本文采用温度传感器分别布置在电池的2个侧面60（2*3*10）个传感器和电池仓壳体对应的80（8*10）个传感器，一共140个温度传感器，如图4黄色位置。考虑到烟雾出现时扩散速度比较快，且电池仓空间相对较小，设置两个烟雾传感器置于电池仓壳体顶部，如图4绿色位置，具体布置位置如图4所示。

将传感器位置初步确定后，进行失火模拟分析，将三个不同位置燃烧面的实验仿真得出的温度数据。起火点坐标位置分别为（0.4，0.2，0.02）得、（0.7，0.37，0.02）和（0.1，0.04，0.02）。通过三处不同位置起火点的仿真模拟，可以得出在不同位置起火的时候，温度检测器的检测结果不一样，但是在三处不同的位置起火时，有相同的温度传感器进行了较为准确的检测。将三处不同的火灾监测设备记录的文件进行数据筛选，剔除记录数据变化不明显的传感器编号，可以得到以下折线图5。

通过对数据的对比分析，可以得出温度传感器1、z13、z23、z33、s23、s33、s43、x23、x33，在三处均可以明显检测到温度的变化。传感器位置如图６所示。

由于模拟时候进行了简化处理，只放置了部分的传感器，但在电池仓这个密闭空间内，没有风速，温度的传导不受影响。有以上数据可进行推断在完整模拟过程中的传感器检测情况，便可以确定整个电池仓内温度传感器的安装位置，如图7。对比于优化前的传感器位置，我们可以发现由红色圆圈标记的传感器为被优化掉的传感器，其主要为分布在电池的周围与电池直接接触的60个温度传感器。

4 总结

本文旨在研究电动车电池仓火灾预警系统中传感器布局的优化。通过对锂离子电池在30℃环境温度下充放电的温度特性分析，探讨了温度变化对电池效率的影响。在此基础上，结合锂离子电池燃烧的实验数据，分析了热失控时环境条件的变化，比较了常见传感器的性能，以选择合适的传感器。通过Pyrosim火灾模拟电池仓失火，获取温度切片，初步确定传感器的安装位置。随后再次利用Pyrosim火灾仿真，读取传感器的监测数据，对比筛选各个传感器的数据，确定最合适的传感器布局方案。该研究旨在优化电动车电池仓火灾预警系统中传感器的布局，提升预警系统的准确性和有效性，从而增强电动车电池仓的安全性。

参考文献：

[1]吴梦宇，王猛猛.传感器在火灾监测中的应用[J].林业机械与木工设备，2012，40（05）：52-52.

[2]Elie T，Emmanuel T. Modelling and Self-organizing in Mobile Wireless Sensor Networks： Application to Fire Detection[J].International Journal of Applied Information Systems，2013，5（3）：2-7.

[3]李紫轩，荣浚合，王新改，等.基于NTC温度传感器的锂电池内部温度监测技术研究[J].电源技术，2024，48（02）：276-283.

[4]张凤银. 基于多传感器融合的电动汽车电池仓火灾自动预警系统研究与设计[D].西安：长安大学，2021.

[5]L. T F ，T. D G.An overview of safety for laboratory testing of lithium-ion batteries[J].Energy Reports，2021，7（S2）：3-8.

[6]C.L，P.B，L.L，et al."Deep-Dive analysis of the latest Lithium-Ion battery safety testing standards and regulations in Germany and China"[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews，2023：173.

[7]唐雁雁.锂离子电池在电动汽车中的应用现状及发展综述[J].环境技术，2023，41（07）：94-100.

[8]林涛，赖沛恒，李丽雅，等.NCR18650A电池的充放电温度特性与管理[J].新能源进展，2020，8（06）：455-461.

[9]曹博，刘文评.温度传感器的对比研究[J].内江科技，2019，40（09）：137+156.

[10]黄玉彪，杨立中，郑源，等.密闭空间在不同热环境下的火灾烟气填充特性及壁面热传导效应[J].船海工程，2017，46（03）：1-5.