在電池應(yīng)用領(lǐng)域，從電動(dòng)汽車到儲(chǔ)能系統(tǒng)，電池的安全性成為重中之重。電池在使用過程中，由于過充、過熱、短路等多種因素，內(nèi)部壓力可能會(huì)急劇上升，若不能及時(shí)有效泄壓，極易引發(fā)爆燃等嚴(yán)重安全事故。電池防爆閥作為保障電池安全的關(guān)鍵部件，其性能優(yōu)劣直接關(guān)系到整個(gè)電池系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定。因此，開發(fā)高效、可靠的電池防爆閥解決方案具有極為重要的現(xiàn)實(shí)意義。
電池防爆閥主要承擔(dān)兩大關(guān)鍵作用：一是在電池正常工作時(shí)，維持電池內(nèi)部與外部環(huán)境的氣壓平衡，避免因氣壓差影響電池性能與壽命；二是當(dāng)電池內(nèi)部壓力因異常情況超過設(shè)定閾值時(shí)，迅速開啟進(jìn)行泄壓，防止電池因內(nèi)部壓力過高而發(fā)生爆燃，從而保護(hù)電池及周邊設(shè)備與人員安全。
常見的電池防爆閥多基于壓力觸發(fā)機(jī)制。以金屬刻痕結(jié)構(gòu)的防爆閥為例，在閥體上預(yù)先設(shè)置刻痕區(qū)域，此區(qū)域?yàn)殚y體的薄弱部位。當(dāng)電池內(nèi)部壓力逐漸上升，達(dá)到刻痕區(qū)域所能承受的極限壓力時(shí)，刻痕處破裂，氣體得以排出，實(shí)現(xiàn)泄壓。而對(duì)于采用高分子薄膜的防爆閥，當(dāng)壓力達(dá)到薄膜的爆破壓力時(shí)，薄膜破裂泄壓。還有一些更為先進(jìn)的防爆閥，如基于傳感器聯(lián)動(dòng)的類型，通過壓力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池內(nèi)部壓力，當(dāng)壓力達(dá)到預(yù)設(shè)閾值時(shí)，傳感器觸發(fā)制動(dòng)模塊，采取如通電降低泄壓薄膜強(qiáng)度等方式，加速刻痕區(qū)域斷裂或使薄膜破裂，實(shí)現(xiàn)快速泄壓。
現(xiàn)有電池防爆閥存在的問題：1、觸發(fā)壓力與響應(yīng)速度問題。觸發(fā)壓力過高：傳統(tǒng)的鋰電池、鈉電池防爆閥，如采用金屬刻痕結(jié)構(gòu)或高分子薄膜的，其觸發(fā)壓力通常在 0.5 mpa - 2 mpa 之間。然而，隨著固態(tài)電池、柔性電池以及新型電池的發(fā)展，它們對(duì)低壓泄壓有著強(qiáng)烈需求，一般要求小于 0.2 mpa，現(xiàn)有防爆閥難以滿足這一要求。響應(yīng)速度慢：傳統(tǒng)刻痕結(jié)構(gòu)依賴機(jī)械斷裂來實(shí)現(xiàn)泄壓，破裂時(shí)間較長(zhǎng)，響應(yīng)時(shí)間一般大于 1s。在電池?zé)崾Э厮查g，壓力會(huì)快速飆升，這種緩慢的響應(yīng)速度無法及時(shí)應(yīng)對(duì)，導(dǎo)致難以有效阻止危險(xiǎn)發(fā)生。2、結(jié)構(gòu)與成本問題。結(jié)構(gòu)復(fù)雜：部分主動(dòng)泄壓方案，如一些帶有復(fù)雜機(jī)械或電子控制結(jié)構(gòu)的防爆閥，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零部件眾多。這不僅增加了生產(chǎn)制造的難度，也使得產(chǎn)品的可靠性受到影響，容易出現(xiàn)故障。成本高昂：復(fù)雜的結(jié)構(gòu)以及對(duì)高精度零部件的需求，使得防爆閥的制造成本居高不下。同時(shí)，由于難以小型化集成，無法適用于各種尺寸和類型的電池，限制了其應(yīng)用范圍，也進(jìn)一步推高了成本。3、環(huán)境適應(yīng)性與兼容性問題。環(huán)境適應(yīng)性差：在不同的環(huán)境溫度、濕度條件下，防爆閥的性能可能會(huì)受到明顯影響。例如，在高溫環(huán)境中，防爆閥的開啟壓力可能發(fā)生變化，導(dǎo)致無法在正確的壓力閾值下開啟泄壓；在高濕度環(huán)境中，一些材質(zhì)的防爆閥可能會(huì)受到腐蝕，影響其使用壽命與可靠性。兼容性不足：隨著電池包結(jié)構(gòu)的日益多樣化，如方形模組的側(cè)向安裝、圓柱模組的頂部空間限制以及軟包電池的曲面封裝等情況不斷出現(xiàn)。傳統(tǒng)采用固定方向安裝設(shè)計(jì)的防爆閥，難以靈活適配這些不同的電池包結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致安裝兼容性較差。
電池防爆閥解決方案：（一）新型材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：1、采用*強(qiáng)度、低觸發(fā)壓力材料。研發(fā)新型的金屬合金或高分子材料，使其具備*強(qiáng)度以保證在正常情況下的密封與抗壓性能，同時(shí)具有較低的屈服強(qiáng)度或破裂壓力，能夠在較低壓力下實(shí)現(xiàn)破裂泄壓。例如，通過對(duì)鋁合金進(jìn)行特殊合金化處理，添加微量的特定元素，改變其晶體結(jié)構(gòu)，提高材料的柔韌性與低壓力下的可破裂性。對(duì)于高分子材料，可通過分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與合成工藝優(yōu)化，制備出具有合適玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和力學(xué)性能的材料，使其在滿足一定強(qiáng)度要求的同時(shí)，能在低壓下迅速破裂。2、優(yōu)化刻痕與薄膜結(jié)構(gòu)。對(duì)于刻痕結(jié)構(gòu)的防爆閥，利用先進(jìn)的激光加工技術(shù)，精確控制刻痕的深度、寬度和形狀，使刻痕區(qū)域的應(yīng)力分布更加均勻，降低觸發(fā)壓力，同時(shí)提高刻痕區(qū)域在壓力作用下破裂的一致性與快速性。對(duì)于薄膜結(jié)構(gòu)的防爆閥，采用多層復(fù)合薄膜設(shè)計(jì)，各層薄膜具有不同的功能特性，如外層薄膜提供防水、防塵性能，中間層薄膜負(fù)責(zé)承受一定壓力，內(nèi)層薄膜在達(dá)到特定壓力時(shí)率先破裂，引導(dǎo)整體薄膜快速破裂泄壓。并且通過在薄膜表面制作納米級(jí)的微結(jié)構(gòu)，增加薄膜與氣體的接觸面積，促進(jìn)氣體快速?zèng)_破薄膜。3、設(shè)計(jì)多重泄壓結(jié)構(gòu)。在防爆閥內(nèi)部設(shè)置多重泄壓通道或結(jié)構(gòu)。例如，設(shè)計(jì)一個(gè)主泄壓通道和若干個(gè)輔助泄壓通道。在正常壓力升高階段，主泄壓通道先開啟進(jìn)行小流量泄壓，當(dāng)壓力急劇上升時(shí)，輔助泄壓通道迅速開啟，增大泄壓面積與流量，實(shí)現(xiàn)快速、高效泄壓。或者采用一種嵌套式的結(jié)構(gòu)，當(dāng)內(nèi)部壓力達(dá)到一定值時(shí)，內(nèi)層的泄壓結(jié)構(gòu)先動(dòng)作，若壓力持續(xù)上升，外層的泄壓結(jié)構(gòu)也相繼啟動(dòng)，確保在不同壓力變化情況下都能有效泄壓。（二）智能化控制與傳感器技術(shù)應(yīng)用：1、基于傳感器聯(lián)動(dòng)的主動(dòng)泄壓系統(tǒng)：構(gòu)建一套基于壓力傳感器、溫度傳感器等多傳感器融合的主動(dòng)泄壓系統(tǒng)。壓力傳感器實(shí)時(shí)精確監(jiān)測(cè)電池內(nèi)部壓力，溫度傳感器監(jiān)測(cè)電池溫度。當(dāng)壓力傳感器檢測(cè)到壓力接近預(yù)設(shè)閾值，且溫度傳感器檢測(cè)到電池溫度異常升高，預(yù)示可能即將發(fā)生熱失控時(shí)，系統(tǒng)提前發(fā)出預(yù)警，并根據(jù)預(yù)設(shè)的算法，通過控制模塊對(duì)制動(dòng)模塊進(jìn)行控制。例如，對(duì)于采用通電降低薄膜強(qiáng)度的防爆閥，制動(dòng)模塊向泄壓薄膜通電，降低其強(qiáng)度，當(dāng)壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，薄膜迅速破裂泄壓。同時(shí)，系統(tǒng)還可將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至電池管理系統(tǒng)（BMS），以便 BMS 對(duì)電池狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估與控制。2、實(shí)時(shí)調(diào)整泄壓閾值：結(jié)合電池的使用情況（如充放電次數(shù)、充放電電流大小等）和電池健康狀態(tài)（通過 BMS 監(jiān)測(cè)電池的內(nèi)阻、容量衰減等參數(shù)評(píng)估），利用大數(shù)據(jù)分析與機(jī)器學(xué)習(xí)算法，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整防爆閥的泄壓閾值。例如，對(duì)于新電池，由于其性能較為穩(wěn)定，可設(shè)置一個(gè)相對(duì)較高且保守的泄壓閾值；隨著電池使用時(shí)間增長(zhǎng)、循環(huán)次數(shù)增加以及健康狀態(tài)下降，適當(dāng)降低泄壓閾值，以更好地適應(yīng)電池不同老化階段的安全需求。具體可通過建立數(shù)學(xué)模型，將電池已使用時(shí)間、循環(huán)次數(shù)、健康狀態(tài)等參數(shù)作為變量，經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)訓(xùn)練，得到實(shí)時(shí)調(diào)整泄壓閾值的計(jì)算公式，如：pset=pset0+kt×t+kn×ncycle+ks×soh，其中pset為實(shí)時(shí)調(diào)整的壓力閾值，pset0為電池的初始?jí)毫﹂撝担瑃為電池已使用年限，ncycle為電池已循環(huán)次數(shù)，soh為電池健康狀態(tài)，kt、kn、ks為通過實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析確定的權(quán)重系數(shù)。3、與電池管理系統(tǒng)（BMS）協(xié)同工作：防爆閥的智能化控制系統(tǒng)與 BMS 深度集成。BMS 不僅為防爆閥提供電池的各種狀態(tài)信息，如電壓、電流、溫度、SOC（荷電狀態(tài)）等，還接收防爆閥的工作狀態(tài)反饋。當(dāng) BMS 檢測(cè)到電池出現(xiàn)過充、過放、過熱等異常情況時(shí)，及時(shí)向防爆閥控制系統(tǒng)發(fā)出指令，提前做好泄壓準(zhǔn)備或直接觸發(fā)泄壓動(dòng)作。同時(shí)，防爆閥在泄壓過程中，將泄壓流量、壓力變化等信息反饋給 BMS，以便 BMS 對(duì)電池后續(xù)的安全管理與修復(fù)措施做出決策，如調(diào)整充電策略、啟動(dòng)散熱系統(tǒng)等。（三）提高環(huán)境適應(yīng)性與兼容性的設(shè)計(jì)：1、環(huán)境適應(yīng)性材料與防護(hù)設(shè)計(jì)：選用具有良好耐溫、耐濕、耐腐蝕性能的材料制作防爆閥。2、可調(diào)節(jié)安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)一種具有方向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的防爆閥安裝結(jié)構(gòu)。方向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)連接于固定座的承載槽內(nèi)，并與防爆閥本體可拆卸連接，使得防爆閥本體能夠繞方向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)沿任意方向轉(zhuǎn)動(dòng)。
防爆閥選型要點(diǎn)：（一）根據(jù)電池類型與應(yīng)用場(chǎng)景選擇。不同類型的電池，如鋰電池、鈉電池、鉛酸電池等，其工作特性、內(nèi)部壓力變化范圍以及對(duì)泄壓的要求各不相同。例如，鋰電池能量密度高，熱失控風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較大，對(duì)防爆閥的響應(yīng)速度和泄壓能力要求較高；鉛酸電池工作壓力相對(duì)較低，但對(duì)防爆閥的耐腐蝕性能要求較高。同時(shí)，應(yīng)用場(chǎng)景也會(huì)影響選型，如電動(dòng)汽車中的電池，由于車輛行駛過程中會(huì)面臨震動(dòng)、溫度變化等復(fù)雜工況，需要防爆閥具有良好的抗震性能和環(huán)境適應(yīng)性；而儲(chǔ)能系統(tǒng)中的電池，更側(cè)重于防爆閥在長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行中的可靠性與準(zhǔn)確的壓力控制能力。（二）考慮開啟壓力與透氣量。開啟壓力是防爆閥選型的關(guān)鍵參數(shù)之一，必須根據(jù)電池的耐壓能力、電芯熱失控的產(chǎn)氣速率和溫升等因素進(jìn)行合理選擇。一般來說，開啟壓力應(yīng)在電池箱體所能承受的最大壓力基礎(chǔ)上，乘以一個(gè)合適的安全系數(shù)，如 70% - 80%。例如，若電池箱體的耐壓失效壓力為 15Kpa，那么防爆閥的開啟壓力可選擇 12Kpa 左右。透氣量方面，需要考慮電池在不同工況下的氣壓變化需求。在電池正常充放電過程中，會(huì)因溫度變化等因素導(dǎo)致內(nèi)部氣壓變化，此時(shí)需要防爆閥具有一定的透氣量來維持氣壓平衡，此為爆破前透氣量；而在電池發(fā)生熱失控等緊急情況時(shí)，需要防爆閥能夠快速大量地排出氣體，即要有足夠的爆破后透氣量。通常，可通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試電池在不同工況下的氣壓變化情況，計(jì)算出所需的爆破前透氣量和爆破后透氣量，然后選擇滿足這些透氣量要求的防爆閥。（三）評(píng)估結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與抗震性能。在實(shí)際應(yīng)用中，電池可能會(huì)受到各種外力作用，如車輛行駛過程中的震動(dòng)、運(yùn)輸過程中的顛簸等。因此，防爆閥必須具有足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，能夠承受一定的外部壓力和沖擊力，確保在各種惡劣環(huán)境下都不會(huì)發(fā)生損壞或泄漏。在選型時(shí)，可參考防爆閥的材料特性、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及相關(guān)的強(qiáng)度測(cè)試報(bào)告。同時(shí)，抗震性能也是重要考量因素，可通過模擬震動(dòng)實(shí)驗(yàn)，觀察防爆閥在震動(dòng)環(huán)境下的工作狀態(tài)，評(píng)估其抗震性能是否滿足要求。例如，對(duì)于應(yīng)用于電動(dòng)汽車的防爆閥，可按照汽車行業(yè)的相關(guān)震動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試，確保其在車輛行駛過程中的穩(wěn)定性與可靠性。（四）關(guān)注與電池管理系統(tǒng)的兼容性。如前文所述，防爆閥與電池管理系統(tǒng)（BMS）的協(xié)同工作對(duì)于保障電池安全至關(guān)重要。在選型時(shí)，要確保防爆閥的智能化控制系統(tǒng)能夠與所選用的 BMS 進(jìn)行無縫對(duì)接與通信。這包括通信協(xié)議的兼容性、信號(hào)傳輸?shù)姆�(wěn)定性以及控制指令的準(zhǔn)確性等方面。
