熱對Pack電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響因素

鄭志鵬

摘 要：電動汽車最關(guān)鍵的技術(shù)是“三電”，即電池、電控、電機(jī)。pack結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不應(yīng)僅僅停留在將電池單體簡單的串并聯(lián)的層面，而應(yīng)該更深層次的融入輕量化、能量密度、熱管理、VDA標(biāo)準(zhǔn)、CAE仿真、電芯選擇等因素的探索。其中“熱”因素很大程度上影響電池包的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，增加熱管理，穩(wěn)定電芯工作溫度在最佳的工作范圍，避免電芯因溫度過高引起熱失控。為此，就是探索熱對電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響因素，更好的指導(dǎo)和完善結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要素，提供有價(jià)值的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：pack電池包；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；熱

1 概述

隨著石油的枯竭和不可再生，以及汽車尾氣排放造成的環(huán)境污染問題日益惡化，中國以及世界各國政策性的引導(dǎo)市場向新能源汽車發(fā)展，德國聯(lián)邦參議院決議在2030年禁止內(nèi)燃機(jī)汽車上路行駛，與此同時(shí)法國、印度、挪威、荷蘭等國都提出了禁售燃油車的時(shí)間表。

電池包由n個鋰電池單體經(jīng)過串并聯(lián)組成，鋰電池是電池包內(nèi)熱量的主要來源，但其又對溫度極其敏感，超過或低于一定溫度則會造成鋰電池工作異常基至起火燃燒，造成不可逆的嚴(yán)重危害，因此研究熱對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響因素，均衡熱量，為鋰電池提供最佳的工作環(huán)境溫度是必不可少的。

2 鋰電池對熱的要求

2.1 鋰電池的生熱機(jī)理

從電化學(xué)的角度可知，在充放電過程中鋰離子電池的生熱量主要有四部分組成，包括反應(yīng)熱Qr、歐姆內(nèi)阻的焦耳熱Qj、極化熱Qp和副反應(yīng)熱Qs。記鋰離子電池實(shí)際的生熱量為Qt，則有下式：

Qt=Qr+Qj+Qp+Qs

其中占主要部分的是內(nèi)阻焦耳熱Qj=I2R和電化學(xué)反應(yīng)熱Qr=nmQI/MF，式中n代表電池?cái)?shù)量，m代表電極質(zhì)量，Q代表電池正負(fù)極電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生熱量的代數(shù)和，I代表充放電電流，M代表摩爾質(zhì)量，F(xiàn)法拉第常數(shù)，R為歐姆內(nèi)阻。當(dāng)電池充放電時(shí)，鋰電池則會生成上述熱量。

2.2 鋰電池最佳工作溫度

以三元鋰電池放電為例，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，雖然三元電池的放電時(shí)的工作溫度區(qū)間在-20℃～60℃之間，但不同溫度范圍內(nèi)其內(nèi)部正負(fù)極活性物質(zhì)活躍程度不同，表現(xiàn)出來的容量也不相同。當(dāng)溫度在-40℃時(shí)，電池容量衰減至額定容量的1/3；當(dāng)溫度在-20℃時(shí)，電池容量是額定容量的70%；當(dāng)溫度在0～60℃之間，電池容量為額定容量的80%～120%；當(dāng)溫度在20℃～50℃，溫差在5℃之內(nèi)，電池容量為額定容量的100%。

電池容量越低，表現(xiàn)出電池放電的時(shí)間越短，所以會有冬天電動車的電量不經(jīng)用，掉電很快的現(xiàn)象，殊不知鋰電池最優(yōu)的工作溫度是在20℃～50℃±5℃的范圍內(nèi)。

2.3 溫度對鋰電池結(jié)構(gòu)的影響

鋰離子電池對溫度環(huán)境比較敏感，溫度太高會嚴(yán)重影響電池的充放電性能和很多特性參數(shù)，例如內(nèi)阻、電壓、SOC、可用容量、充放電效率和電池壽命等。如圖所示為溫度與電池?zé)崾Э匮葑冞^程（圖1）。當(dāng)電池溫度達(dá)到50～110℃區(qū)間時(shí)鋰電池電解液分解，在80～140℃溫度之間正極SEI膜分解，在140～240℃溫度之間負(fù)極SEI膜分解，160～270℃負(fù)極材料分解，當(dāng)電池溫度超過250℃時(shí)電池?zé)崾Э兀a(chǎn)生著火、爆炸。

過充電、低溫充電、水浸泡、電池內(nèi)部短路、機(jī)械撞擊穿刺等因素都會引發(fā)熱失控，而且像三元鋰電池在熱失控過程中自身會分解氧氣，故消防車、滅火器等滅火裝置是無計(jì)可施的，所以此類安全事故比一般的火情后果更加嚴(yán)重。

3 鋰電池?zé)崃抗芾磙k法

pack結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的一項(xiàng)技術(shù)是電池?zé)峁芾怼ｋ姵責(zé)峁芾硎歉鶕?jù)溫度對電池性能的影響，通過合理的設(shè)計(jì)解決鋰電池在溫度過高或過低情況下工作而引起熱散逸或熱失控問題，以提升電池整體性能的一門技術(shù)。電池?zé)峁芾砩婕皞鳠釋W(xué)、材料學(xué)、機(jī)械結(jié)構(gòu)等多學(xué)科耦合設(shè)計(jì)，最終目的是保持N個電池單體溫度一致，進(jìn)而控制電池性能的均勻性。

電池組內(nèi)單體間溫度的均勻性是影響電池性能的重要因素。單體溫差產(chǎn)生的主要原因是單體散熱量在空間上的不均勻，雖然目前對于電池組內(nèi)單體間的溫差控制在多少度還沒有一個明確的值，但這種溫差范圍應(yīng)該盡量小，建議在實(shí)際應(yīng)用中不大于5℃。

控制電池溫度主要有自然冷卻、強(qiáng)制風(fēng)冷和液體冷卻。電池散熱都是依靠自身與介質(zhì)對流換熱、熱傳導(dǎo)、熱輻射的形式降溫，相比之下自然冷卻散熱效率最低，強(qiáng)制風(fēng)冷的散熱效率是自然冷卻的5倍，液冷是自然冷卻的75倍，例如特斯拉采用乙二醇和水各50%比例作為冷卻介質(zhì)環(huán)繞在電池周圍的散熱方式。

pack結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)在串并聯(lián)的基礎(chǔ)上合理布局，設(shè)計(jì)風(fēng)道、液體流道，通過設(shè)置不一致的風(fēng)壓風(fēng)量和流體流量壓力保證各個局部溫度均勻性來提升電池包整體的性能。

4 熱對pack結(jié)構(gòu)件材料的影響

4.1 Pack結(jié)構(gòu)的材料選擇

耐高壓絕緣性能是電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最重要的技術(shù)要求之一。電池包結(jié)構(gòu)內(nèi)部裝載的是各種鋰電池，電池成組后總電壓及總電流會很大，其威力不可小覷，塑料具有很好的而高壓絕緣性，例如某車企對塑料材料絕緣要求是耐壓2000VDC，絕緣阻值11G以上。一般可采用強(qiáng)度和塑性較高的尼龍為原料，在材料中添加5%～45%的玻璃纖維，做GF強(qiáng)化可提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和耐振動性。

除了絕緣耐高壓，塑料的另一個顯著優(yōu)點(diǎn)是降低電池包的重量，提高蓄電池重量比能量密度，增加電動車的續(xù)航里程。蓄電池重量能量密度是蓄電池一個重要的衡量指標(biāo)，國家新能源汽車補(bǔ)貼政策對重量能量密度作出指導(dǎo)性意見。2016年國家補(bǔ)貼政策對電池重量能量密度的具體要求為：純電動乘用車動力電池系統(tǒng)的質(zhì)量能量密度不低于90Wh/kg，對高于120Wh/kg的按1.1倍給予補(bǔ)貼（最高補(bǔ)貼）。

雖然很多國外的大型車企為了降低結(jié)構(gòu)件重量采用了例如高碳纖維的高科技的新型材料，但其還未普及，加工工藝要求較高，價(jià)格非常昂貴，不適用大眾化的車型，因此采用塑料材料是綜合性價(jià)比較高的選擇，在滿足機(jī)械強(qiáng)度、沖擊、載荷的前提下，塑料材料取代金屬材料，提高比能量密度減輕pack包重量是必經(jīng)之路。

4.2 塑料件的阻燃性和燃燒性

當(dāng)單體電池因熱失控燃燒后，在火源熄滅后，添加阻燃劑的塑料件可在短時(shí)間內(nèi)自己熄滅，防止連鎖反應(yīng)，大大減少了燃燒帶來的損害，因此阻燃劑變成塑料制品中不可或缺的一部分。根據(jù)阻燃劑的配比，塑料件可以達(dá)到UL94 V-0、5VB、5VA等較高防火等級，通常選擇UL94 V-0作為阻燃性能的最低要求。國內(nèi)很多企業(yè)對塑料阻燃測試的樣品的厚度做了各自的要求，同樣是UL94的測試方法，同一種材質(zhì)不同的厚度會影響測試結(jié)果，樣品越薄測試條件越苛刻。

阻燃劑大致可分為鹵系阻燃劑和非鹵系阻燃劑，鹵素系添加劑在日本等發(fā)達(dá)國家是禁止使用的，因?yàn)辂u素系（氯系、溴系）阻燃劑無論是在其本身生產(chǎn)、在塑料成型加工時(shí)的使用、添加阻燃劑的塑料等制品的使用以及廢塑料焚燒處理等過程中都有產(chǎn)生有劇毒的二惡英或呋喃等危害人體健康和污染環(huán)境的問題。為了確保安全，電池包pack設(shè)計(jì)中的阻燃要求應(yīng)避免添加鹵系添加劑，成品中不應(yīng)含有鉛（Pb），鎘（Cd），汞（Hg），六價(jià)鉻（Cr（VI）），多溴聯(lián)苯（PBBs），多溴二苯醚（PBDEs），鄰苯二甲酸酯（DBP，BBP，DEHP，DIBP）等有害成分。

4.3 熱對金屬件表面鍍層的影響

金屬件在pack電池包中主要的應(yīng)用主要有三種，分別是鈑金件、匯流鎳片、導(dǎo)電銅排。鈑金件主要職責(zé)是承載結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、振動載荷、剛度特征等；匯流鎳片主要職責(zé)是將N個單體鋰電池串并聯(lián)時(shí)所使用的匯流導(dǎo)電裝置；導(dǎo)電銅排因其導(dǎo)電能力強(qiáng)、加工工藝好、價(jià)格適中所以通常用在電池pack的總正總負(fù)的環(huán)節(jié)。

對于鈑金件，溫度交換和熱浪沖擊等都會促使其表面鍍層出現(xiàn)裂紋起泡脫落等現(xiàn)象，損害箱體造成強(qiáng)度、防水、防塵等功能缺失，影響電池性能，因此對于鈑金件尤其是暴露在外側(cè)大氣中的，應(yīng)噴塑附著力較強(qiáng)的戶外漆。對于銅排，則通常在其表面電鍍薄薄的鎳層則可以起到防止銅氧化的效果。

綜上所述，對來料進(jìn)行抽檢時(shí)應(yīng)進(jìn)行溫度沖擊試驗(yàn)，樣品需接受較短時(shí)間內(nèi)-40℃±2℃的低溫到85℃±2℃的高溫環(huán)境的溫?zé)嵩囼?yàn)，并且要做N個循環(huán)靜置一段時(shí)間后檢查產(chǎn)品外觀，要求表面無裂紋，起泡、油漆、鍍層脫落等異?，F(xiàn)象則滿足設(shè)計(jì)要求。

5 總結(jié)

Pack結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一門高級藝術(shù)，應(yīng)該在滿足電壓容量電量功能屬性的基礎(chǔ)上耦合熱力學(xué)、材料學(xué)、機(jī)械、電化學(xué)、分子動力學(xué)等多學(xué)科，并融入輕量化設(shè)計(jì)、CAE強(qiáng)度仿真等因素，設(shè)計(jì)符合電池性能的結(jié)構(gòu)，為鋰電池提供適宜的工作環(huán)境溫度，提高各電池單體之間的均勻一致性，達(dá)到提升電池整體性能的目的。

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