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神奇的电芯泡棉!谈谈电池系统热管理材料的应用

2015-03-12

           动力电池系统一般主要由电池模组、电池管理系统BMS、热管理系统以及一些电气和机械系统等构成。目前影响新能源汽车大规模推广应用的因素包括电池系统成本、续航里程以及电池系统安全性等。随着新能源汽车技术的发展,安全性日益得到重视,动力锂离子电池在过充电、针刺、碰撞情况下易引起连锁放热反应造成热失控,造成冒烟、失火甚至爆炸等。同时动力电池的性能,包括能量密度、使用寿命受温度变化影响,所以热管理的重要性进一步体现出来。

一、热管理的重要性

车辆在不同的行驶状况下,单体电芯由于其自身有一定的内阻,在输出电能的同时会产生一定的热量,使得自身温度变高,当自身温度超出其正常工作温度范围间时会影响电池的性能和寿命。而电动汽车上的动力电池系统是由多个动力电池单体电芯构成,动力电池系统在工作过程中产生大量的热聚集在狭小的电池箱体内,热量如果不能够及时地快速散出,高温会影响动力电池寿命甚至出现热失控,导致起火爆炸等。

目前国内的热管理研究较多关注在散热上,更准确地说是集中在电池系统箱体和模组层面上,比如液冷系统的应用。而在电芯层面上的隔热防控并没有过多关注。从动力电池系统的设计上可以看到,在进行热管理系统设计时需要考虑到电芯单体和电池模组这两个层次的结构。因此在电池系统的整体设计中就必须要考虑到电芯单体和电池模块所在位置的温度环境的影响。因此在设计电池模块排列时,若单体电池之间排列紧凑且没有散热和隔热措施的话,电池组在充放电时温度会急剧上升,存在严重的安全隐患。

因此需要通过电池热管理技术研究,加强电池的加热和散热能力,保证电池工作在合适的温度范围内和保持电池箱内合理的温度分布。研究需要从单体级别的热失控产生机理及特性方面逐步扩展到由单体热失控触发继而传播到整个电池系统的热失控级别。

二、有无隔热措施的区别

曾有研究表明在电池单体之间设置隔热层,阻断失控单体向临近单体传热,同时,隔热层不完全封闭,单体之间留有对流通道,有利于失控单体产生的热量在整个电池包内散热,避免局部过热。在《车用动力电池热防护与散热集成研究》中,设置四种方案进行热失控时的热性能分析,方案一代表电池单体间不添加任何散热隔热措施,方案二代表电池单体间安置隔热板,方案三代表电池单体间安置热管组,方案四代表单体间错落安置隔热板与热管组。

对4 种方案下正常工况与热失控时电池组的散热与隔热性能进行分析,对比验证该集成系统的热管理性能,并探究了隔热板厚度对于热失控传播的阻隔作用结论如下:

(1)四种方案对比表明,方案二阻热性能突出,可有效延缓热失控传播,但是散热性能较差,仅仅依赖隔热板和自然散热无法满足电池组热管理需求。方案三散热性能良好,但随着放电倍率增大最大温差骤升。同时,热失控触发后阻热性能远低于方案二和方案四。而方案四不仅大大增强了电池组的散热能力和电池组内各单体温度均匀性,其高隔热性能还可有效阻断热失控传播。

(2)通过改变隔热板厚度,增强电池组散热能力,可有效阻断热失控传播。当隔热板厚度由1mm增加到2mm时,在保证热管正常工作的前提下,可将热失控阻断在隔热板之前。

(3)合理的隔热措施与冷却方式相结合不仅能有效提高电池组工作温度区间的稳定性,还能有效阻断热失控。

比较经典的是通用汽车公司 Volt的电池热管理系统采用了液冷式散热。在单体电池间设置有金属散热片(厚度为 1mm),并在散热片上留有毛细管结构,以便冷却液能够在毛细管内流动进而带走热量,实现散热的目的。隔热方案则采用了在电芯与电芯之间放置泡棉的方式。

三、泡棉的应用

电池系统和模组一般根据电芯的结构形状来进行设计,电芯单体主要分为圆柱电芯和方形电芯以及软包这三种。软包电芯由于能量密度相对其他两种高,所以在能量补贴政策的影响下软包的应用也会相对增多。软包的优点在于外部结构对电芯的影响小,电芯性能优良,封装采用的材质质量要小。但缺点也很明显,大容量电池密封工艺难度增加、可靠性相对较差。另外所采用的铝塑复合封装膜机械强度低,铝塑复合膜的寿命制约了电池的使用寿命。

因此需要考虑到的是软包在充放电时候的鼓胀,如果软包与软包直接长时间地摩擦有可能造成铝塑膜出现破损造成电池失效乃至失控。因此泡棉在软包电芯中间的应用显得十分重要,表现为以下四个方面:

1、泡棉具有低硬度高回弹性质,能够吸收电池鼓胀应力起到缓冲作用;

2、在电芯发送热失控时,泡棉能起隔热作用,抑制热扩散,延缓事故发生;

3、在电芯发生起火时,泡棉的阻燃效果能够延缓火势蔓延,增加逃生时间;

4、泡棉具有极好的回弹性,压缩比例较宽,可作为定位。

泡棉的种类有很多,包括PU,CR,EVA和PE等。在电池系统实际的应用过程中,发现只有能够在长时间压缩环境下还能够保持足够弹性恢复能力的泡棉比如PU适合用于软包电芯之间,其他比如CR等在长时间压缩后恢复能力变差导致模组结构出现散架的情况。因此在模组设计应用泡棉时需要考虑到泡棉的弹性模量以及回弹率等。

另外通过对VOLT模组结构的拆解分析,所应用的泡棉并没有出现离火自熄现象,也意味着不是国标所要求的V0,这也是一个有趣的地方。也许是它隔热能力相当不错配合液冷系统的效果,能够避免热失控的出现。或者如果出现热失控,反正已经烧了,阻燃也起不了太大作用,与其阻燃不如做好隔热。

 

 

 

 

 

 

 

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