航空锂电池热失控燃爆火焰抑制阻火单元研究

doi:10.7527/S1000-6893.2025.31831

Abstract

Abstract:

The thermal runaway and explosion flames generated by the aviation Lithium Battery （LIB） system pose a significant risk of high-temperature thermal impact to the surrounding equipment， wiring， and structures on the aircraft. This study constructs a simulation model of the corrugated fire retardant unit and its fluid domain 5 cm on both sides of the unit. By analyzing the temperature and pressure flow characteristics during the thermal runaway process， it is known that a larger core height of the fire retardant unit is more conducive to reducing the accumulation of internal pressure in the LIB compartment， a smaller core height is more favorable for heat ab-sorption and limiting heat escape， and a greater thickness has a more pronounced effect on flame suppression and control of gas flow. A dedicated testing platform for LIB thermal runaway flame suppression was established to experimentally compare the suppression effects of fire retardant units with different structural parameters on the thermal runaway flames of LIB. The conclusion is drawn that the core height parameter focuses on intervening in heat transfer and the isolation effect of high energy fragments， with fire retardant units of core heights 0.6， 0.9， 1.2 mm achieving the highest suppression effects on the exhaust gas temperature of up to 86.55%， 76.80%， and 80.93%， respectively. The thickness significantly affects the escape path of the explosive gases and the balance of the pressure inside the chamber， and for core heights of 0.6， 0.9， 1.2 mm， each reduction of 1 mm in thickness lead to pressure parameter peak increases of 250， 190， 120 Pa， respectively. A comprehensive analysis of simulation and experiments indicates that the fire retardant unit with a core height of 0.9 mm and a thickness of 30 mm has the best suppression effect on the thermal runaway and explosion flames of LIB. This configuration effectively reduced the LIB explosion compartment environmental temperature from 365.6 ℃ to 156.1 ℃， and lowered the backside temperature of the fire retardant unit from 238.3 ℃ to 108.5 ℃， without causing blockage of the fire retardant unit or the dispersion of high-energy fragments.

Key words: aviation lithium battery, thermal runaway, gas explosion, explosion protection, flame suppression, corrugated plate fire retardant unit

CLC Number:

V242

Juan YANG, Haoyu ZHAO, Jianghao NIU, Wenjing LI, Heran WANG, Qingsong ZHANG, Jiang XIE. Fire retardant unit for thermal runaway explosion flame suppression of aviation lithium batteries[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2026, 47(1): 431831.

Figures/Tables 25

Fig.1

Fig.2

Table 1

Porosity and thickness of metal corrugated plate

芯体孔高 $h$ /mm	孔隙率 $p$ /%	板材厚度w/mm
0.6	55.13	0.081 4
0.9	70.72	0.050 5
1.2	80.21	0.049 6

Table 1

Table 2

Pressure drop values［26］

芯体孔高 $h$ /mm	板材厚度 $d$ /mm	$Δ P 1$ /Pa	$Δ P 2$ /Pa	$Δ P 3$ /Pa	$Δ P 4$ /Pa
0.6	20	1 889.69	1 562.16	1 666.12	1 672.56
0.6	30	3 405.02	2 575.13	2 958.44	2 975.25
0.9	30	5 380.36	3 744.14	4 643.07	4 653.44
1.2	30	7 711.97	4 960.68	6 628.07	6 614.10

Table 2

Table 3

Viscous drag coefficients and inertial drag coefficients

芯体孔高 $h$ /mm	板材厚度 d/mm	黏性阻力系数 $1 / α$	惯性阻力系数 $C 2$
0.6	20	620 366.279 1	44.105 7
0.6	30	1 010 651.162 8	22.536 0
0.9	30	637 784.883 7	24.230 4
1.2	30	629 081.395 5	24.532 2

Table 3

Fig.3

Table 4

Boundary conditions and domain conditions

定解设置	条件确定
材料	304不锈钢
单元尺寸/m	1 $×$ 10^-3
入口类型	速度入口
速度/（m·s^-1）	70
气体成分	90% CO、6% NH₃、 3% HCl、1% HF
温度/K	623.15
出口类型	压力出口
操作压力/Pa	101 325
壁面粗糙度	标准
流体密度/（kg·m^-3）	1.225
流体黏度/（Pa·s）	1.72 $×$ 10^-5
收敛判定	<1.0 $×$ 10^-4

Table 4

Fig.4

Fig.5

Fig.6

Fig.7

Fig.8

Fig.9

Fig.10

Fig.11

Fig.12

Table 5

Temperature suppression effect of fire retardant unit

阻火单元规格		$Δ T$ /℃	$Δ T T 1$ /%
h/mm	d/mm	$Δ T$ /℃	$Δ T T 1$ /%
0.6	20	382.1	85.85
0.6	30	375.8	86.55
0.9	20	194.8	69.80
0.9	30	221.4	76.80
1.2	20	240.1	73.72
1.2	30	261.5	80.93

Table 5

Table 6

Protective effect comparison of flame retardant unit and flame retardant layer［21］

对比项目	阻火单元	阻燃涂层
实验对象	21 700单节	18 650单节
$T 外$ /℃	83.30	85.49
$T e n$ （无防护）/℃	600.8	490.7
$T e n$ （有防护）/℃	147.6	431.1
$Δ T e n$ /%	75.43	12.14

Table 6

Fig.13

Table 7

Experimental pressure value

阻火单元规格		$P e n$ /MPa	$P 1$ /MPa	$Δ P$ /kPa
h/mm	d/mm	$P e n$ /MPa	$P 1$ /MPa	$Δ P$ /kPa
0.6	20	0.112 3	0.108 6	3.7
0.6	30	0.107 6	0.106 4	1.2
0.9	20	0.117 2	0.113 9	3.3
0.9	30	0.113 5	0.112 1	1.4
1.2	20	0.113 9	0.110 8	3.1
1.2	30	0.111 2	0.109 3	1.9

Table 7

Table 8

Comparison results of characteristics parameters

阻火单元规格		$Δ T$ /℃	$Δ v$ / （m·s^-1）	$P 1$ -P_atm/kPa
h/mm	d/mm	$Δ T$ /℃	$Δ v$ / （m·s^-1）	$P 1$ -P_atm/kPa
0.6	20	382.1	55.601	7.275
h0.6	30	375.8	57.894	5.075
0.9	20	194.8	22.285	12.575
0.9	30	221.4	35.901	10.775
1.2	20	240.1	37.936	9.475
1.2	30	261.5	55.355	7.975

Table 8

Fig.14

Fig.15

Fig.16

Table 9

Comparison of fire retardant unit （d=30 mm） test parameters

参数	$h$ =0.6 mm	$h$ =0.9 mm
$T b a t$ 峰值/℃	447.2	424.7
$T e n$ 峰值/℃	246.6	156.1
$T 1$ 峰值/℃	434.2	288.3
$T 2$ 峰值/℃	91.2	108.5
$P e n$ 峰值/MPa	0.107 6	0.103 5
$P 1$ 峰值/MPa	0.106 4	0.102 1
$v 1$ 峰值/（m∙s^-1）	114.223 1	64.981 5
$v 2$ 峰值/（m∙s^-1）	56.329 3	29.080 8

Table 9

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Fire retardant unit for thermal runaway explosion flame suppression of aviation lithium batteries

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[1]	Juan YANG, Jianing HU, Jiacheng TONG, Qingsong ZHANG. Experiment on high-temperature jet impact induced by thermal runaway in aviation lithium-ion batteries [J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2025, 46(23): 430965-430965.
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