熱對(duì)動(dòng)力電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響因素探析

汪云云

摘要：隨著新能源汽車在我國(guó)的快速推廣，其相關(guān)領(lǐng)域研究也在逐步推進(jìn)。電動(dòng)汽車作為目前應(yīng)用最廣的一種新能源汽車，備受人們關(guān)注。動(dòng)力電池、控制系統(tǒng)和電機(jī)設(shè)備是電動(dòng)汽車運(yùn)行過(guò)程中的必要設(shè)備，是影響汽車正常運(yùn)行的三大要素。其中，動(dòng)力電池PACK作為電動(dòng)汽車的能量來(lái)源，在運(yùn)行中有不可或缺的重要地位，因此，熱性能對(duì)動(dòng)力電池PACK的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響也愈發(fā)受到人們的關(guān)注?；诖?，本文從動(dòng)力電池PACK的熱需求入手，就熱性能對(duì)動(dòng)力電池PACK的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響展開討論，希望對(duì)后續(xù)的動(dòng)力電池PACK的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、高效穩(wěn)定運(yùn)行奠定夯實(shí)的基礎(chǔ)。

Abstract： With the rapid promotion of new energy vehicles in China， its related field research is also gradually advancing. As the most widely used new energy vehicle， electric vehicle has attracted much attention. Power battery， control system and motor equipment are the necessary equipment in the operation process of electric vehicles， which are the three main factors affecting the normal operation of vehicles. Among them， the power battery PACK， as the energy source of electric vehicles， plays an indispensable and important role in operation. Therefore， the influence of thermal performance on the structural design of the power battery PACK is increasingly attracting people's attention. Based on this， this paper starts with the thermal requirements of the power battery PACK and discusses the influence of thermal performance on the structural design of the power battery PACK， hoping to lay a solid foundation for the structural design and efficient and stable operation of the subsequent power battery PACK.

關(guān)鍵詞：熱;動(dòng)力電池;PACK;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);影響

Key words： heat;power battery;PACK;structural design;impact

0? 引言

動(dòng)力電池PACK是近幾年我國(guó)電動(dòng)車輛中最為常見的能量來(lái)源。動(dòng)力電池PACK通常是指圍繞著動(dòng)力電池的加工和組裝，即將動(dòng)力電池電芯、保護(hù)組件、控制組件及連接件等組裝到一起的整體部件[1]。就目前電動(dòng)汽車中比較常見的動(dòng)力電池PACK而言，往往需要根據(jù)汽車需求的不同，為動(dòng)力電池PACK設(shè)計(jì)不同的功率和結(jié)構(gòu)。另一方面，周圍環(huán)境對(duì)動(dòng)力電池PACK的影響也逐漸受到人們的關(guān)注，過(guò)低或過(guò)高的環(huán)境溫度都會(huì)影響動(dòng)力電池PACK的工作效率，嚴(yán)重的更會(huì)對(duì)電池造成不可逆轉(zhuǎn)的損傷，并形成安全隱患。因此，本文著眼于熱性能對(duì)動(dòng)力電池PACK結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響的因素，對(duì)此展開討論。熱性能對(duì)PACK結(jié)構(gòu)的影響已經(jīng)成為現(xiàn)階段動(dòng)力電池PACK結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)迫切需要解決的問(wèn)題之一[2]。

1? 鋰電池最適運(yùn)行溫度及熱量管理重要性

1.1 鋰電池最適運(yùn)行溫度

動(dòng)力電池在工作運(yùn)行的時(shí)候，將不可避免的持續(xù)產(chǎn)熱，這是由于電化學(xué)的原理導(dǎo)致的。造成電池運(yùn)行生熱的主要原因是電池在充電和放電過(guò)程中產(chǎn)生的焦耳熱、反應(yīng)熱以及極化熱[3]。

以目前常用的三元鋰電池為例，動(dòng)力電池的運(yùn)行溫度范圍在負(fù)20℃至60℃之間。但考慮到電池內(nèi)部反應(yīng)物在不同溫度下的活躍程度差異，因此在不同環(huán)境下電池的實(shí)際儲(chǔ)電容量也有所不同。一般而言，在20℃到50℃之間時(shí)，電池的實(shí)際運(yùn)行容量約為額定容量的100%;當(dāng)電池運(yùn)行溫度低于負(fù)20℃時(shí)，電池的實(shí)際運(yùn)行容量會(huì)縮減到額定容量的1/3左右，無(wú)法進(jìn)行正常使用;當(dāng)運(yùn)行溫度在0℃到60℃之間時(shí)，電池的實(shí)際運(yùn)行容量是額定容量的80-120%。可以看出，電池運(yùn)行溫度對(duì)電池的實(shí)際運(yùn)行情況影響顯著。

基于單體電芯運(yùn)行合適溫度范圍的研究基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮動(dòng)力電池PACK在受外界環(huán)境溫度影響時(shí)，整包的運(yùn)行狀態(tài)，該狀態(tài)也會(huì)隨環(huán)境溫度而發(fā)生一定程度的轉(zhuǎn)變。比如，當(dāng)電池PACK運(yùn)行溫度低于0攝氏時(shí)，電池PACK中的含水電解液就可能會(huì)出現(xiàn)凍結(jié)的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致電池整包性能的明顯降低，嚴(yán)重的更會(huì)損害電池的使用壽命。

另外，當(dāng)電池PACK工作在溫度較高的環(huán)境下時(shí)，大量的反應(yīng)熱也會(huì)作用于電池PACK的內(nèi)部，從而導(dǎo)致電池PACK中作為電極的活性材料與電池PACK中的電解液發(fā)生反應(yīng)，明顯降低了電池PACK的容量，還有可能引發(fā)后續(xù)使用過(guò)程中的電池PACK安全問(wèn)題。所以，在后續(xù)電池PACK的設(shè)計(jì)中，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)最大程度上通過(guò)電池PACK的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)保障電池在不同使用環(huán)境中都能夠處于較為合適的溫度范圍內(nèi)，從而規(guī)避溫度改變對(duì)電池單體以及電池PACK的負(fù)面影響，保障電池PACK的安全有效使用。如圖1所示。

1.2 鋰電池?zé)崃抗芾淼闹匾?/p>

根據(jù)對(duì)鋰電池的相關(guān)研究可以發(fā)現(xiàn)，鋰電池是一種對(duì)溫度變化比較敏感的電池類型。在使用過(guò)程中，當(dāng)運(yùn)行溫度高于或者低于使用范圍時(shí)，都可能會(huì)對(duì)電池造成一些不利的影響。過(guò)低的溫度可能會(huì)導(dǎo)致鋰枝晶的形成，影響電池安全;過(guò)高的溫度會(huì)導(dǎo)致電池中的電解液、SEI膜分解，進(jìn)一步的溫升則會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的熱失控問(wèn)題[4]，甚至電池爆炸等。通過(guò)對(duì)以往動(dòng)力電池PACK熱失控問(wèn)題的調(diào)查研究，可以發(fā)現(xiàn)在使用過(guò)程中的過(guò)充過(guò)放、長(zhǎng)時(shí)間低溫充電、外力沖擊、短路、浸水等諸多因素都可能成為PACK的熱失控誘因。因此，有必要在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，針對(duì)電池的熱管理需求進(jìn)行分析考慮。合理的動(dòng)力電池PACK結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有助于在較大程度上規(guī)避極端情況下電池的熱失控問(wèn)題，在實(shí)現(xiàn)PACK內(nèi)部結(jié)構(gòu)耦合的情況下保障電池的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，提高電池的運(yùn)行效率，降低安全隱患的可能性[5]。所以，在電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池PACK設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注系統(tǒng)的熱管理，滿足熱量及溫度的調(diào)控要求，保證電池運(yùn)行在合適的溫度區(qū)間，為電動(dòng)汽車提供安全穩(wěn)定的動(dòng)力源。

2? 熱對(duì)動(dòng)力電池PACK結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響

基于上述討論，通過(guò)對(duì)以往動(dòng)力電池PACK的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)調(diào)研，可以看出，熱對(duì)動(dòng)力電池PACK結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響主要集中在以下幾個(gè)方面：

2.1 熱對(duì)動(dòng)力電池PACK材料的影響

作為電動(dòng)汽車的動(dòng)力來(lái)源，動(dòng)力電池PACK內(nèi)部搭載了大量的鋰電池，由于其具有高集成、大容量的特性，因此也具備一定的危險(xiǎn)性[6]。因此，考慮到當(dāng)前動(dòng)力電池PACK的常規(guī)設(shè)計(jì)需求，以及鋰電池運(yùn)行中的熱量管理需求，有必要針對(duì)性的為動(dòng)力電池PACK選取耐高壓、絕緣的結(jié)構(gòu)材料，這一重要措施可以保證后續(xù)設(shè)計(jì)的有效開展。

比如塑料材料是實(shí)際動(dòng)力電池PACK設(shè)計(jì)過(guò)程中常見的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主材料，這一材料的應(yīng)用既能夠有效降低動(dòng)力電池PACK的重量，實(shí)現(xiàn)輕量化目標(biāo)，同時(shí)還能夠在一定程度上提升單位鋰電池的能量密度，也滿足了系統(tǒng)對(duì)絕緣的要求，在提升動(dòng)力電池PACK的使用效率的同時(shí)也降低了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的成本。合適的選材將有利于動(dòng)力電池PACK的推廣。

2.2 熱對(duì)動(dòng)力電池PACK塑料件阻燃性的影響

當(dāng)電動(dòng)汽車在運(yùn)行過(guò)程中，如果動(dòng)力電池產(chǎn)生的熱量無(wú)法及時(shí)排除，那大量的熱量積累極可能導(dǎo)致鋰電池失去控制從而引發(fā)自燃的現(xiàn)象。為了防止這一極端情況導(dǎo)致嚴(yán)重的后果，需要在動(dòng)力電池PACK中使用添加了阻燃劑的塑料輔件。這一舉措不但能幫助起火點(diǎn)在短時(shí)間內(nèi)自行熄滅，同時(shí)也有助于減輕燃燒熱對(duì)周圍電池造成嚴(yán)重?fù)p壞，抑制熱失控的蔓延，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池PACK結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全目標(biāo)。針對(duì)動(dòng)力電池PACK的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，相關(guān)監(jiān)管部門已經(jīng)對(duì)PACK結(jié)構(gòu)中的輔件阻燃性做了明確規(guī)定，并根據(jù)不同的防火等級(jí)為不同的塑料材質(zhì)劃進(jìn)行了劃分。在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以根據(jù)具體的PACK結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求，選擇合適的塑料阻燃材料，達(dá)到預(yù)期的安全阻燃要求，優(yōu)化動(dòng)力電池PACK的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2.3 熱對(duì)動(dòng)力電池PACK金屬件表面的影響

在以往的動(dòng)力電池PACK結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，比較常見的金屬輔件主要是鈑金件、匯流鎳片、導(dǎo)電銅排等。受到焦耳熱和電池?zé)醾鲗?dǎo)的影響，這幾種金屬附件在長(zhǎng)時(shí)間的使用后都會(huì)出現(xiàn)不同程度的表面涂層脫落，這一現(xiàn)象會(huì)影響動(dòng)力電池PACK的后續(xù)正常使用，一定程度上無(wú)法保障設(shè)計(jì)之初的防腐需求。

所以，考慮到熱對(duì)動(dòng)力電池PACK金屬件的影響，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)對(duì)金屬件表面涂層的耐熱情況進(jìn)行充分的測(cè)試，通過(guò)短時(shí)間溫度變化測(cè)試的方式考察熱對(duì)動(dòng)力電池PACK中金屬件表面涂層的狀態(tài)影響，據(jù)此為后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供支持，有效保障動(dòng)力電池PACK結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求的實(shí)現(xiàn)。

據(jù)此，在明確了上述熱因素對(duì)動(dòng)力電池PACK的影響后，相關(guān)測(cè)試技術(shù)人員也應(yīng)針對(duì)已經(jīng)設(shè)計(jì)好的電池PACK進(jìn)行運(yùn)行測(cè)試。通過(guò)對(duì)電池PACK在不同環(huán)境溫度下的充電及放電情況、短路情況、內(nèi)阻情況等基礎(chǔ)項(xiàng)目進(jìn)行針對(duì)性的檢驗(yàn)測(cè)試，從而確保電池包的設(shè)計(jì)能夠滿足設(shè)計(jì)的需求，消除熱因素對(duì)電池PACK的不利影響，從而推動(dòng)這一領(lǐng)域的研究和發(fā)展。

3? 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)上述討論可以看出，隨著電動(dòng)汽車領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展，動(dòng)力電池PACK作為電動(dòng)汽車的關(guān)鍵部件之一，關(guān)于熱對(duì)動(dòng)力電池PACK結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響也日愈受到人們的關(guān)注。在未來(lái)的動(dòng)力電池PACK結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，技術(shù)人員應(yīng)從熱、材料、電化學(xué)等多方面出發(fā)，綜合考慮實(shí)際運(yùn)行中動(dòng)力電池PACK的使用需求，在此基礎(chǔ)上為動(dòng)力電池PACK在電動(dòng)汽車中的運(yùn)行提供良好的環(huán)境，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池PACK結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

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