動(dòng)力電池復(fù)材箱蓋的耐熱失控性能探究

邵力行，趙傳軍*，黃姿禹，張 偉，李 煒，馮兆玄

動(dòng)力電池復(fù)材箱蓋的耐熱失控性能探究

邵力行1，趙傳軍*1，黃姿禹2，張 偉2，李 煒1，馮兆玄1

（1.上汽大眾汽車有限公司，上海 201805；2.杭州卡淶復(fù)合材料科技有限公司，浙江 杭州 311107）

連續(xù)纖維復(fù)合材料作為一種優(yōu)良的輕質(zhì)材料，在動(dòng)力電池箱蓋上的應(yīng)用具備一定的優(yōu)勢。根據(jù)新國標(biāo)提出的熱擴(kuò)散要求，箱蓋開發(fā)時(shí)需要同時(shí)兼顧輕量化和熱擴(kuò)散安全。連續(xù)纖維復(fù)合材料多為薄壁結(jié)構(gòu)，需要進(jìn)行相應(yīng)的耐熱失控性能研究以達(dá)到安全性與輕量化兼顧的目的。文章基于連續(xù)纖維復(fù)合材料動(dòng)力電池箱蓋，進(jìn)行了靜態(tài)火燒試驗(yàn)和帶沖擊火燒試驗(yàn)的對(duì)比研究，為耐熱失控電池箱蓋輕量化設(shè)計(jì)和材料選型提供了方案和思路。

復(fù)合材料；電池箱蓋；熱失控；火燒試驗(yàn)

就環(huán)保性和能源發(fā)展角度而言，新能源純電動(dòng)汽車有著極為廣泛的應(yīng)用前景，是我國交通運(yùn)輸?shù)闹攸c(diǎn)發(fā)展目標(biāo)[1]。對(duì)于新能源電動(dòng)汽車而言，動(dòng)力電池包是核心部件，直接影響整車的續(xù)航里程、車速和加速性能[2]。因此，越高的電池能量需求意味著電池用量越多，從而導(dǎo)致較高的電池箱質(zhì)量，其質(zhì)量約占整車質(zhì)量的25%～30%。過重的電池箱總成也致使其自身消耗了大量的電池效能，因此，動(dòng)力電池箱總成自身的輕量化是新能源電動(dòng)汽車發(fā)展所需要面對(duì)的核心問題[3]。

動(dòng)力電池箱輕量化是必然的發(fā)展方向，同時(shí)也受到材料的制約[4]。提升電池的能量密度，使用高比能量的電極材料體系是減重的重要途徑。電池正極材料的選擇對(duì)于能量密度至關(guān)重要，低鈷高鎳的三元材料是當(dāng)前的主要方向，有高能量密度、低溫穩(wěn)定等特性[5]。但是能量密度越高的材料，其熱失控觸發(fā)時(shí)的能量也越大，故安全風(fēng)險(xiǎn)也隨之增高。目前箱蓋采用鋼質(zhì)材料的技術(shù)較為成熟，通過結(jié)構(gòu)改進(jìn)和優(yōu)化可減少壁厚以減少重量，但僅20%的減重效果，仍未達(dá)到預(yù)期效果[5-7]。此外，雖然也有較多采用鋁合金箱蓋的案例，但受限于鋁合金僅約660 ℃的熔點(diǎn)，并不能滿足三元鋰電池?zé)崾Э貢r(shí)最高溫度超過700 ℃的需求[8]。

總之，動(dòng)力電池箱蓋的開發(fā)需要同時(shí)兼顧材質(zhì)的輕量化及耐熱失控時(shí)的安全性。連續(xù)纖維復(fù)合材料作為高比強(qiáng)度、高比模量、耐腐蝕性且可一體化設(shè)計(jì)的輕質(zhì)材料，在電池箱蓋上應(yīng)用具備一定的優(yōu)勢。為滿足動(dòng)力電池包熱失控要求，對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的耐熱失控性能研究具有重要意義。

本研究所選用的樹脂為熱固性樹脂，均達(dá)到UL94V-0測試方法1.5 mm厚度阻燃性。本研究選用高性能連續(xù)纖維，對(duì)比了不同種類的纖維織物，選用了由無序纖維氈加膨脹石墨及少量的粘結(jié)劑組成的防火氈，其優(yōu)異的防火表現(xiàn)已在建筑上得到了成熟的應(yīng)用。作為一種玻纖氈，能夠注入樹脂并與復(fù)合材料擁有良好的結(jié)合性，因此，可應(yīng)用在復(fù)合材料箱蓋結(jié)構(gòu)上以提升防火耐熱失控性能。本研究采用較為輕薄的玻纖防火氈，鋪覆性較好，其厚度約為0.3 mm。

1 動(dòng)力電池包熱失控要求

國家市場監(jiān)督管理局和國家標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)于2020年5月12日發(fā)布了強(qiáng)制性國標(biāo)《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求》（GB 38031－2020），以替代原推薦性國標(biāo)GB/T 31467.3－2015。新國標(biāo)在“熱穩(wěn)定”一節(jié)中增加了“熱擴(kuò)散”條目，要求電池包或系統(tǒng)按照附錄C進(jìn)行熱擴(kuò)散乘員保護(hù)分析和驗(yàn)證。規(guī)定了電池包或系統(tǒng)在由于單個(gè)電池?zé)崾Э匾馃釘U(kuò)散、進(jìn)而導(dǎo)致乘員艙發(fā)生危險(xiǎn)之前5 min應(yīng)提供一個(gè)熱事件報(bào)警信號(hào)[9]。附錄C規(guī)定了制造商可以在針刺觸發(fā)熱失控方法或加熱觸發(fā)熱失控兩種方法中選擇其中一種方法，也可自行選擇其他方法來觸發(fā)熱失控。熱失控觸發(fā)判定條件：1）觸發(fā)對(duì)象產(chǎn)生電壓降，且下降值超過初始電壓的25%；2）監(jiān)測點(diǎn)溫度達(dá)到制造商規(guī)定的最高工作溫度；3）監(jiān)測點(diǎn)的溫升速率d/d≥1 ℃/s，且持續(xù)3 s以上。當(dāng)1）和3）或者2）和3）發(fā)生時(shí)，判定發(fā)生熱失控。如果采用推薦的方法作為熱失控觸發(fā)方法，且未發(fā)生熱失控，為了確保熱擴(kuò)散不會(huì)對(duì)車輛乘員造成危險(xiǎn)，需證明采用如上兩種推薦方法均不會(huì)發(fā)生熱失控。

2 火燒試驗(yàn)設(shè)置

針對(duì)應(yīng)用于電池箱蓋的復(fù)合材料耐熱失控性能研究，為節(jié)省成本和研究方便，本文簡化了試驗(yàn)，以模擬動(dòng)力電池包熱失控試驗(yàn)要求。根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，電芯熱失控觸發(fā)以后，噴發(fā)既有高溫又有壓力的可燃物質(zhì)[9]，設(shè)置了靜態(tài)火燒（模擬溫度）和帶沖擊火燒試驗(yàn)（模擬溫度和壓力），為滿足整包熱失控試驗(yàn)在箱蓋材料選擇時(shí)提供重要的參考意義。

2.1 靜態(tài)火燒

靜態(tài)火燒僅涉及溫度，不涉及壓力（或受到的壓力非常弱）或噴出物，因此并不作為模擬材料熱失控表現(xiàn)的方法。但所試驗(yàn)的工具相對(duì)更容易獲取并且試驗(yàn)穩(wěn)定性較高，可以用作前期材料的篩選，驗(yàn)證材質(zhì)本身的防火性能。

1）靜態(tài)火燒設(shè)置。如圖1和圖2所示，靜態(tài)火燒使用特質(zhì)的火燒水平鐵架臺(tái)，將火焰置于試片中心位置進(jìn)行火燒；使用丙烷燃料，試驗(yàn)設(shè)置溫度為1 450 ℃；固定火焰噴燈位置和試片架，保持焰距為19 mm；使用兩種熱電偶分別進(jìn)行初始焰溫的測試及背火面溫度的監(jiān)控；若未燒穿則在計(jì)時(shí)5 min后停止試驗(yàn)。

圖1 靜態(tài)火燒裝置視圖

圖2 靜態(tài)火燒試驗(yàn)的火焰位置與熱電偶位置示意圖

2）靜態(tài)火燒試驗(yàn)對(duì)象。表1中列出了測試工況，即不同樹脂、纖維與防火氈的四種組合，火焰距離相同。

表1 靜態(tài)火燒試驗(yàn)

2.2 帶沖擊火燒

由于較難精確穩(wěn)定地獲得整包真實(shí)熱失控發(fā)生時(shí)導(dǎo)致箱蓋發(fā)生失效工況，包括具體失效位置受到的高壓氣體壓力、固體（晶枝）及液體噴出物的沖擊壓力、沖擊量、頻率及溫度等。因此，本研究簡化上述工況，采用的沖擊火燒方式同時(shí)包含溫度和氣體沖擊以模擬熱失控時(shí)箱蓋材料所受到的高溫與高壓氣體，該壓力為持續(xù)性壓力，但不含固液噴出物。由于壓力和溫度都相對(duì)較高，受試驗(yàn)設(shè)置和場地的限制，試驗(yàn)的穩(wěn)定性相對(duì)靜態(tài)火燒較差，故本研究僅針對(duì)單一變量下的橫向?qū)Ρ确治觥?/p>

1）帶沖擊火燒設(shè)置。帶沖擊火燒使用特質(zhì)的高腳火燒水平架，將試片固定于頂部并在中心位置進(jìn)行火燒；使用乙炔燃料+氧氣混合割炬，最高溫度可達(dá)3 000 ℃以上；由于沖擊力極高，無法穩(wěn)定測得焰溫，因此通過調(diào)整并鎖定焰距來進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

2）帶沖擊火燒試驗(yàn)對(duì)象。表2列出了測試工況，即環(huán)氧樹脂、不同纖維分別與防火層、防火氈、云母板、不同焰距的17種組合。

表2 帶沖擊火燒試驗(yàn)的復(fù)材試樣

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 典型靜態(tài)火燒試驗(yàn)情況

帶防火氈碳纖維復(fù)材的靜態(tài)火燒過程中受火面的防火氈被激活，形成典型的蠕蟲狀石墨膨脹物；背火面在火燒前期樹脂受熱分解并產(chǎn)生大量的白煙，而后形成較穩(wěn)定的碳化層，白煙也隨之逐漸減少，最終消失。

3.2 靜態(tài)火燒試驗(yàn)結(jié)果

表3為靜態(tài)火燒試驗(yàn)結(jié)果。經(jīng)測試，所有試樣在1 450 ℃，5 min靜態(tài)火燒下均未燒穿，且背火面除了有碳化和一部分樹脂分解外，遠(yuǎn)未到臨近燒穿的程度，其中A-1試樣測試后形態(tài)如圖3所示。

圖3 A-1靜態(tài)燒蝕外貌圖

表3 靜態(tài)火燒試驗(yàn)結(jié)果

3.3 靜態(tài)火燒試驗(yàn)分析

本研究所選用的阻燃樹脂體系有環(huán)氧或聚氨酯，都具備優(yōu)良的防火性，足以耐受5 min的靜態(tài)火燒。由于靜態(tài)火燒試驗(yàn)的時(shí)間較短，因此，無法對(duì)比使用碳纖維和玻璃纖維的差異。未使用防火氈的A-4的結(jié)果與其他使用防火氈的試樣都未燒穿，說明使用阻燃樹脂已經(jīng)為箱蓋提供了一定的防火性能。

3.4 典型帶沖擊火燒試驗(yàn)情況

帶沖擊火燒測試過程中，連續(xù)纖維復(fù)材在起始時(shí)均出現(xiàn)明顯的分層，與靜態(tài)火燒一致，隨后背火面出現(xiàn)大量的白煙，主要為樹脂分解所致，并非燒穿的前兆，試樣受火沖擊位置發(fā)紅，這是燒穿的前兆，發(fā)紅區(qū)域迅速擴(kuò)大并最終燒穿。

3.5 帶沖擊火燒試驗(yàn)結(jié)果

1）火焰距離對(duì)比。由于本試驗(yàn)方式無法監(jiān)測試樣所受到的溫度和壓力，因此通過設(shè)置不同的焰距來調(diào)整溫度和壓力。從試驗(yàn)結(jié)果中可以看出，相同的材質(zhì)，焰炬越遠(yuǎn)，背面起火時(shí)間越晚。對(duì)比試樣B-2與B-5發(fā)現(xiàn)焰距越小燒穿時(shí)間越短，破壞的區(qū)域相對(duì)越集中，涉及燒蝕的面積也相對(duì)更小，如圖4所示，且B-2和B-5均呈現(xiàn)出該規(guī)律。

2）試片厚度對(duì)比。試驗(yàn)的表現(xiàn)與試樣本身的厚度關(guān)系密切。對(duì)比相同材質(zhì)、不同厚度的試片，呈現(xiàn)出試片越厚燒穿時(shí)間越長的規(guī)律。對(duì)比試樣B-11與B-13可知在同樣的中等焰距的情況下，燒蝕時(shí)間雖有差異，但燒蝕后的外貌相似，樹脂基本被燒掉，裸露出纖維織物，如圖5所示。

圖4 試樣B-2燒蝕外貌

圖5 試樣B-13燒蝕外貌

表4 纖維影響試驗(yàn)結(jié)果

3）不同纖維對(duì)比。對(duì)比復(fù)合材料試樣，不同纖維的燒穿時(shí)間及破壞形式存在一定差異，其規(guī)律與焰距也呈現(xiàn)一定的關(guān)系。如表4所示，對(duì)比試樣B-2、B-7、B-8，受近距離沖擊火燒，得到如下結(jié)論：在近2 cm的近距離，碳纖維復(fù)材呈現(xiàn)出更好的耐燒蝕表現(xiàn)；碳纖維復(fù)材燒蝕后的外貌與另外兩種纖維復(fù)材的差異較大，破壞處的樹脂已分解，裸露出已斷裂的碳纖維絲束，但未見明顯穿孔；而玻璃纖維復(fù)材和玄武巖纖維復(fù)材燒蝕后的外貌則基本相似，破壞處為明顯的穿孔。

碳纖維復(fù)材試樣B-9在該焰距下的燒蝕外貌與B-2不同，纖維有明顯的分解，如圖6所示，且越接近受火面的纖維層，受分解的面積越大；玻纖復(fù)材試樣B-13在該焰距下雖然有部分纖維融解斷裂，但仍然保持織物的基本結(jié)構(gòu)，并非B-7所呈現(xiàn)的穿孔狀態(tài)。

圖6 試樣B-9燒蝕外貌

3.6 帶沖擊火燒試驗(yàn)分析

1）火焰距離因素。焰距因素所引起的變現(xiàn)差異是最大的。對(duì)于本研究采用的阻燃樹脂體系復(fù)材而言，在近距離沖擊火燒下，試樣尚未形成穩(wěn)定的碳化層則被高壓沖穿，因此，材質(zhì)的阻燃防火性能并沒有展現(xiàn)；而焰距變大以后，材質(zhì)的阻燃及隔熱特性得以發(fā)揮作用，無論是環(huán)氧樹脂上芳香環(huán)與揮發(fā)物所產(chǎn)生的碳層，還是磷系阻燃在生成的磷酸物質(zhì)所帶來的脫水性，致使聚合物表面加速脫水碳化，都促使復(fù)材有足夠的機(jī)會(huì)形成有利的碳化層以保護(hù)整體結(jié)構(gòu)。

2）纖維種類因素。如表4所示，碳纖維在小焰距下的表現(xiàn)更佳，而玻纖在中遠(yuǎn)焰距下的表現(xiàn)更佳。碳纖維復(fù)材燒蝕后外貌區(qū)別于其他纖維復(fù)材是因?yàn)槠淅w維的破壞機(jī)理不同。在大于500 ℃情況下，碳纖維發(fā)生氧化分解，在燒蝕中的表現(xiàn)為纖維的逐步斷裂，而玻璃纖維與玄武巖纖維的主要成分為SiO2，在高溫下的表現(xiàn)為熔融。焰距較小時(shí)，沖擊的影響更大；焰距較大時(shí)溫度的影響為主，由于試驗(yàn)時(shí)間較長，碳纖維受熱分解的溫度更低，而連續(xù)高性能玻纖的耐溫則達(dá)900 ℃以上，且熔融狀態(tài)的玻璃溶液也進(jìn)一步阻擋后面一層玻纖織物的破壞。

3）材料厚度因素。在本研究試驗(yàn)條件下，在焰距和材料類型兩個(gè)因素相同時(shí)，試樣的燒穿時(shí)間隨試樣厚度的增加而延長。雖然理論上越厚的產(chǎn)品耐熱失控性能越好，但需要同時(shí)考慮產(chǎn)品整體的減重效果和布置上的空間。

4 結(jié)語

本研究針對(duì)動(dòng)力電池包熱失控要求，采用簡化試驗(yàn)即靜態(tài)火燒和帶沖擊火燒兩種測試方式對(duì)不同的復(fù)合材料試樣進(jìn)行對(duì)比。這兩種火燒測試方式所呈現(xiàn)的燒穿時(shí)間和燒蝕外貌均存在較大的差異。由于帶沖擊火燒相對(duì)靜態(tài)火燒更貼近實(shí)際的熱失控，因此，對(duì)復(fù)合材料的耐熱失控性能評(píng)估應(yīng)該更多參考帶沖擊火燒試驗(yàn)的測試結(jié)果。

本研究僅作各單一因素影響下的分析，中遠(yuǎn)火焰距離相對(duì)更好地結(jié)合了溫度與沖擊壓力的綜合影響，其結(jié)果更具有參考意義；無論何材質(zhì)，厚度越大耐熱失控性能越好，但對(duì)輕量化不利；纖維材質(zhì)方面，連續(xù)高性能玻纖從成本及耐熱失控表現(xiàn)上應(yīng)是箱蓋選材的最佳選擇；配合防火氈的使用進(jìn)一步提升耐熱失控性能。

總之，復(fù)合材料電池箱蓋材料的選擇應(yīng)是基于輕量化與耐熱失控性能的綜合權(quán)衡。在后續(xù)研究中，可以考慮在箱蓋內(nèi)表面引入可與箱蓋一體化成型的表面材料，在兼顧耐沖擊性的同時(shí)，配合防火氈的使用可以進(jìn)一步提升箱蓋耐熱失控性能。

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Thermal Performance Research of Battery Cover Based on Composite Material

SHAO Lixing1, ZHAO Chuanjun*1, HUANG Ziyu2, ZHANG Wei2, LI Wei1, FENG Zhaoxuan1

( 1.SAIC-Volkswagen Automobile Company Limited, Shanghai 201805, China; 2.Hangzhou Coleitec Composites Technology Company Limited, Hangzhou 311107, China )

As an excellent lightweight material endless fiber composites have certain advantages in the application of battery cover. New GB-Standard definites thermal propagation requirement. The cover development should focus on both safety and lightweight. Endless fiber composites are mostly thin-walled structures, so when using high energy density battery applications it is still necessary to conduct corresponding thermal runaway performance studies to achieve a balance between lightweight and safety. In this paper, based on battery cover of endless fiber composites, a comparative study of static fire test and fire test with impact is conducted to provide solutions and ideas for the design and material selection of lightweight thermal runaway battery cover cases.

Composite material; Battery cover; Thermal runaway; Fire test

U463.63

A

1671-7988(2023)22-12-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.022.003

邵力行（1984－），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)閯?dòng)力電池結(jié)構(gòu)安全、熱安全，E-mail:shaolixing@csvw.com。

趙傳軍（1978－），男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)閯?dòng)力電池包結(jié)構(gòu)安全、熱安全，E-mail: zhaochuanjun @csvw.com。