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電芯泡棉_電池?zé)峁芾聿牧?/h3>
發(fā)布時(shí)間：2022-04-21 點(diǎn)擊次數(shù)：830
動(dòng)力電池系統(tǒng)一般主要由電池模組、電池管理系統(tǒng)BMS、熱管理系統(tǒng)以及一些電氣和機(jī)械系統(tǒng)等構(gòu)成。目前影響新能源汽車(chē)大規(guī)模推廣應(yīng)用的因素包括電池系統(tǒng)成本、續(xù)航里程以及電池系統(tǒng)安全性等。隨著新能源汽車(chē)技術(shù)的發(fā)展，安全性日益得到重視，動(dòng)力鋰離子電池在過(guò)充電、針刺、碰撞情況下易引起連鎖放熱反應(yīng)造成熱失控，造成冒煙、失火甚至爆炸等。同時(shí)動(dòng)力電池的性能，包括能量密度、使用壽命受溫度變化影響，所以熱管理的重要性進(jìn)一步體現(xiàn)出來(lái)。
一、熱管理的重要性
車(chē)輛在不同的行駛狀況下，單體電芯由于其自身有一定的內(nèi)阻，在輸出電能的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的熱量，使得自身溫度變高，當(dāng)自身溫度超出其正常工作溫度范圍間時(shí)會(huì)影響電池的性能和壽命。而電動(dòng)汽車(chē)上的動(dòng)力電池系統(tǒng)是由多個(gè)動(dòng)力電池單體電芯構(gòu)成，動(dòng)力電池系統(tǒng)在工作過(guò)程中產(chǎn)生大量的熱聚集在狹小的電池箱體內(nèi)，熱量如果不能夠及時(shí)地快速散出，高溫會(huì)影響動(dòng)力電池壽命甚至出現(xiàn)熱失控，導(dǎo)致起火爆炸等。
目前國(guó)內(nèi)的熱管理研究較多關(guān)注在散熱上，更準(zhǔn)確地說(shuō)是集中在電池系統(tǒng)箱體和模組層面上，比如液冷系統(tǒng)的應(yīng)用。而在電芯層面上的隔熱防控并沒(méi)有過(guò)多關(guān)注。從動(dòng)力電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上可以看到，在進(jìn)行熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮到電芯單體和電池模組這兩個(gè)層次的結(jié)構(gòu)。因此在電池系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)中就必須要考慮到電芯單體和電池模塊所在位置的溫度環(huán)境的影響。因此在設(shè)計(jì)電池模塊排列時(shí)，若單體電池之間排列緊湊且沒(méi)有散熱和隔熱措施的話，電池組在充放電時(shí)溫度會(huì)急劇上升，存在嚴(yán)重的安全隱患。
因此需要通過(guò)電池?zé)峁芾砑夹g(shù)研究，加強(qiáng)電池的加熱和散熱能力，保證電池工作在合適的溫度范圍內(nèi)和保持電池箱內(nèi)合理的溫度分布。研究需要從單體級(jí)別的熱失控產(chǎn)生機(jī)理及特性方面逐步擴(kuò)展到由單體熱失控觸發(fā)繼而傳播到整個(gè)電池系統(tǒng)的熱失控級(jí)別。
二、有無(wú)隔熱措施的區(qū)別
曾有研究表明在電池單體之間設(shè)置隔熱層，阻斷失控單體向臨近單體傳熱，同時(shí)，隔熱層不完全封閉，單體之間留有對(duì)流通道，有利于失控單體產(chǎn)生的熱量在整個(gè)電池包內(nèi)散熱，避免局部過(guò)熱。在《車(chē)用動(dòng)力電池?zé)岱雷o(hù)與散熱集成研究》中，設(shè)置四種方案進(jìn)行熱失控時(shí)的熱性能分析，方案一代表電池單體間不添加任何散熱隔熱措施，方案二代表電池單體間安置隔熱板，方案三代表電池單體間安置熱管組，方案四代表單體間錯(cuò)落安置隔熱板與熱管組。
對(duì)4 種方案下正常工況與熱失控時(shí)電池組的散熱與隔熱性能進(jìn)行分析，對(duì)比驗(yàn)證該集成系統(tǒng)的熱管理性能，并探究了隔熱板厚度對(duì)于熱失控傳播的阻隔作用結(jié)論如下：
（1）四種方案對(duì)比表明，方案二阻熱性能突出，可有效延緩熱失控傳播，但是散熱性能較差，僅僅依賴隔熱板和自然散熱無(wú)法滿足電池組熱管理需求。方案三散熱性能良好，但隨著放電倍率增大最大溫差驟升。同時(shí)，熱失控觸發(fā)后阻熱性能遠(yuǎn)低于方案二和方案四。而方案四不僅大大增強(qiáng)了電池組的散熱能力和電池組內(nèi)各單體溫度均勻性，其高隔熱性能還可有效阻斷熱失控傳播。
（2）通過(guò)改變隔熱板厚度，增強(qiáng)電池組散熱能力，可有效阻斷熱失控傳播。當(dāng)隔熱板厚度由1mm增加到2mm時(shí)，在保證熱管正常工作的前提下，可將熱失控阻斷在隔熱板之前。
（3）合理的隔熱措施與冷卻方式相結(jié)合不僅能有效提高電池組工作溫度區(qū)間的穩(wěn)定性，還能有效阻斷熱失控。
比較經(jīng)典的是通用汽車(chē)公司 Volt的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)采用了液冷式散熱。在單體電池間設(shè)置有金屬散熱片（厚度為 1mm），并在散熱片上留有毛細(xì)管結(jié)構(gòu)，以便冷卻液能夠在毛細(xì)管內(nèi)流動(dòng)進(jìn)而帶走熱量，實(shí)現(xiàn)散熱的目的。隔熱方案則采用了在電芯與電芯之間放置泡棉的方式。
三、泡棉的應(yīng)用
電池系統(tǒng)和模組一般根據(jù)電芯的結(jié)構(gòu)形狀來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，電芯單體主要分為圓柱電芯和方形電芯以及軟包這三種。軟包電芯由于能量密度相對(duì)其他兩種高，所以在能量補(bǔ)貼政策的影響下軟包的應(yīng)用也會(huì)相對(duì)增多。軟包的優(yōu)點(diǎn)在于外部結(jié)構(gòu)對(duì)電芯的影響小，電芯性能優(yōu)良，封裝采用的材質(zhì)質(zhì)量要小。但缺點(diǎn)也很明顯，大容量電池密封工藝難度增加、可靠性相對(duì)較差。另外所采用的鋁塑復(fù)合封裝膜機(jī)械強(qiáng)度低，鋁塑復(fù)合膜的壽命制約了電池的使用壽命。
因此需要考慮到的是軟包在充放電時(shí)候的鼓脹，如果軟包與軟包直接長(zhǎng)時(shí)間地摩擦有可能造成鋁塑膜出現(xiàn)破損造成電池失效乃至失控。因此泡棉在軟包電芯中間的應(yīng)用顯得十分重要，表現(xiàn)為以下四個(gè)方面：
1、泡棉具有低硬度高回彈性質(zhì)，能夠吸收電池鼓脹應(yīng)力起到緩沖作用；
2、在電芯發(fā)送熱失控時(shí)，泡棉能起隔熱作用，抑制熱擴(kuò)散，延緩事故發(fā)生；
3、在電芯發(fā)生起火時(shí)，泡棉的阻燃效果能夠延緩火勢(shì)蔓延，增加逃生時(shí)間；
4、泡棉具有極好的回彈性，壓縮比例較寬，可作為定位。
泡棉的種類(lèi)有很多，包括PU，CR，EVA和PE等。在電池系統(tǒng)實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)只有能夠在長(zhǎng)時(shí)間壓縮環(huán)境下還能夠保持足夠彈性恢復(fù)能力的泡棉比如PU適合用于軟包電芯之間，其他比如CR等在長(zhǎng)時(shí)間壓縮后恢復(fù)能力變差導(dǎo)致模組結(jié)構(gòu)出現(xiàn)散架的情況。因此在模組設(shè)計(jì)應(yīng)用泡棉時(shí)需要考慮到泡棉的彈性模量以及回彈率等。
另外通過(guò)對(duì)VOLT模組結(jié)構(gòu)的拆解分析，所應(yīng)用的泡棉并沒(méi)有出現(xiàn)離火自熄現(xiàn)象，也意味著不是國(guó)標(biāo)所要求的V0，這也是一個(gè)有趣的地方。也許是它隔熱能力相當(dāng)不錯(cuò)配合液冷系統(tǒng)的效果，能夠避免熱失控的出現(xiàn)?；蛘呷绻霈F(xiàn)熱失控，反正已經(jīng)燒了，阻燃也起不了太大作用，與其阻燃不如做好隔熱。
