淺談CMD 在動(dòng)力電池包上的被動(dòng)安全功能

王 軍，劉天航，王 祺，薛 雷，馮 佳

（1.孚能科技（贛州）股份有限公司，江西 贛州 341000；2.江蘇泛亞微透科技有限公司，江蘇 常州 213176）

1 研究背景

電池包作為新能源汽車的核心零部件，隨著結(jié)構(gòu)的優(yōu)化電芯堆疊數(shù)量不斷增加，電池包能量密度也隨之提高，電池包熱管理系統(tǒng)液冷技術(shù)是目前的主流方式，該方式是在電池箱內(nèi)采用裝有流動(dòng)冷卻液的冷卻板/管道進(jìn)行降溫，冷卻板一般使用高導(dǎo)熱性的鋁制材料，電池包內(nèi)的金屬構(gòu)件焊接會(huì)使用雙金屬工藝。

電池包充放電遇到有溫差和壓差環(huán)境時(shí)，需要有壓力平衡的裝置，現(xiàn)在使用防水透氣膜材料閥體解決，此方案可以隔絕液態(tài)的水，但是無法阻止空氣中水分子的進(jìn)入，當(dāng)外界環(huán)境濕度較大時(shí)電池包內(nèi)會(huì)形成與外界濕度平衡的狀態(tài)，導(dǎo)致箱內(nèi)濕氣聚集，電池工作時(shí)電池包內(nèi)溫度升高，而此時(shí)冷卻系統(tǒng)開始啟動(dòng)，電池包內(nèi)光滑物體表面（冷卻板外壁等）結(jié)霧凝露，嚴(yán)重時(shí)可能產(chǎn)生積水。

當(dāng)冷凝水無法排出，對(duì)電池包就會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的安全隱患：①容易導(dǎo)致電器連接件、高壓系統(tǒng)等絕緣下降造成短路或者產(chǎn)生拉?。虎诩觿‰p金屬焊接件的腐蝕和老化；③造成電池包內(nèi)部的溫度傳感器信號(hào)檢測(cè)不穩(wěn)定。

然而電池包凝露問題在電池包的設(shè)計(jì)方案中被長(zhǎng)期忽視，給電池包使用中帶來安全隱患。

目前市場(chǎng)上解決電池壓力平衡有單獨(dú)的平衡閥，當(dāng)發(fā)生熱失控時(shí)有負(fù)責(zé)快速泄壓的防爆閥，比較主流的方案是將壓力平衡和快速泄壓兩種功能結(jié)合在一起形成一個(gè)單獨(dú)的組件安裝在電池包上。江蘇泛亞微透與孚能科技共同驗(yàn)證并工程應(yīng)用了一種集壓力平衡、快速泄壓、凝露控制3個(gè)功能于一體的CMD平衡泄壓閥組件。

以下主要從組件結(jié)構(gòu)和試驗(yàn)驗(yàn)證兩個(gè)方面來介紹此產(chǎn)品優(yōu)異性能。

2 新型CMD平衡泄壓閥組件

組件模型如圖1所示。該組件含有螺紋孔⑤，可以通過螺栓安裝在電池包殼體上，組件主要由壓力平衡模塊①、防爆模塊②和除濕模塊④組成，其中壓力平衡模塊①中含有阻濕結(jié)構(gòu)③。

圖1 CMD平衡泄壓閥組件

1）當(dāng)電池包處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，阻濕閥門結(jié)構(gòu)③關(guān)閉，隔絕外部環(huán)境對(duì)電池包內(nèi)部的影響，同時(shí)除濕模塊④持續(xù)對(duì)電池包內(nèi)進(jìn)行吸濕。

2）當(dāng)電池包處于工作狀態(tài)時(shí)，阻濕閥門結(jié)構(gòu)③打開，氣體經(jīng)壓力平衡模塊①平衡電池包內(nèi)外壓差。

3）當(dāng)電池包處于熱失控狀態(tài)時(shí)，防爆模塊②打開，電池包得到快速泄壓。

4）整個(gè)部件使用耐腐蝕鋁合金材料，為保證整個(gè)部件安裝在電池包上達(dá)到等電位狀態(tài)，閥蓋表面粘貼TRT絕緣膜⑥，此膜材為聚酰亞胺膜雙面涂覆聚四氟乙烯，體積電阻率實(shí)測(cè)2.36×10Ω·cm，耐電壓強(qiáng)度實(shí)測(cè)190kV/mm。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

為測(cè)試CMD平衡泄壓閥在各工況下的凝露控制能力，對(duì)其進(jìn)行專業(yè)實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證，通過1960H的濕熱循環(huán)驗(yàn)證，模擬產(chǎn)品實(shí)際使用15年的表現(xiàn)，電池包內(nèi)不產(chǎn)生凝露，實(shí)驗(yàn)完成后產(chǎn)品通過透氣量、防水性能、爆破壓力測(cè)試。

注意：測(cè)試應(yīng)在實(shí)驗(yàn)要求的環(huán)境中進(jìn)行。DUT 測(cè)試工作須由專業(yè)的人員完成。測(cè)試參考DIN EN 60068-2-78 and DIN EN 60068-2-38《濕熱循環(huán)》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試步驟如下。

2.1 預(yù)處理

測(cè)試對(duì)象按圖2所示預(yù)處理，在進(jìn)行第一次濕熱循環(huán)之前需要根據(jù)IEC 60068-1（55℃±2K，相對(duì)濕度不超過20%）運(yùn)行一個(gè)24h的輔助干燥工況。然后測(cè)試對(duì)象在初始測(cè)試前在標(biāo)準(zhǔn)大氣環(huán)境下適應(yīng)至熱穩(wěn)定。

圖2 預(yù)處理

2.2 初始測(cè)試

在預(yù)處理完成后，測(cè)試對(duì)象需按照要求進(jìn)行電池包外殼和連接部位等目視檢查，密封性確認(rèn)，電壓、絕緣等實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2.3 濕熱循環(huán)

測(cè)試按照表1測(cè)試順序進(jìn)行，包含5個(gè)測(cè)試階段。

表1 濕熱循環(huán)

定義停車時(shí)整車環(huán)境的平均溫度為23℃，濕度為65%；測(cè)試溫度為55℃，濕度為95%。濕熱測(cè)試所需時(shí)長(zhǎng)計(jì)算方法如下：

3 驗(yàn)證結(jié)果

判定主要從電池包內(nèi)部肉眼可見的結(jié)構(gòu)腐蝕狀況和絕緣電阻值兩個(gè)方面給出測(cè)試結(jié)果。

3.1 腐蝕測(cè)試結(jié)果

3.1.1 搭載CMD平衡泄壓閥組件測(cè)試結(jié)果

圖3為搭載CMD平衡泄壓閥組件測(cè)試結(jié)果：邊緣/角落等凝露容易聚集處未出現(xiàn)任何腐蝕現(xiàn)象。

圖3 電池包內(nèi)照片（無腐蝕痕跡）

3.1.2 搭載普通透氣膜閥體電池包測(cè)試結(jié)果

圖4為搭載普通透氣膜閥體電池包測(cè)試結(jié)果：邊緣/角落等凝露容易聚集處有明顯腐蝕現(xiàn)象產(chǎn)生，對(duì)于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的穩(wěn)定性和絕緣性能有非常大的隱患。

圖4 電池包內(nèi)照片（有腐蝕痕跡）

3.2 絕緣測(cè)試結(jié)果

出于安全考慮，溫濕實(shí)驗(yàn)全程實(shí)時(shí)檢測(cè)電池包內(nèi)絕緣值，如果低于整車絕緣標(biāo)準(zhǔn)即有警報(bào)產(chǎn)生。

電池包在濕熱循環(huán)測(cè)試中，不含CMD平衡泄壓閥組件電阻值，主要在冷熱交變高濕環(huán)境中絕緣阻值會(huì)小于整車絕緣警報(bào)標(biāo)準(zhǔn)，絕緣一度處于警報(bào)失效狀態(tài)。含CMD模塊整體呈現(xiàn)較好表現(xiàn)，未發(fā)生整車絕緣報(bào)警失效狀況。CMD平衡泄壓閥組件提高了電池包供電的安全性和可靠性，具體絕緣數(shù)值曲線如圖5所示。

圖5 整車絕緣電阻值比對(duì)

4 結(jié)論

CMD作為一種被動(dòng)的冷凝控制系統(tǒng)的安全模塊，能夠有效地改善電池包內(nèi)部產(chǎn)生冷凝水所帶來零部件腐蝕老化、絕緣性能下降、溫度讀取失真等問題，從而保證電池包能夠更加安全可靠地為整車提供電能。因此CMD是電池包非常關(guān)鍵和重要的安全組件。在電池包上推廣采用CMD平衡泄壓閥組件可以降低成本，使得新能源汽車行業(yè)產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，為汽車廠家贏得美譽(yù)和品牌增值效應(yīng)。