一、电池包单体电芯介绍

电芯是指单个含有正、负极的电化学电芯,一般不直接使用。区别于电池含有保护电路和外壳,可以直接使用。

目前主流的锂电池电芯封装分为圆柱电芯、方形电芯(又叫铝壳电芯)、软包电芯(又称聚合物电芯)三种,它们的结构示意图见图1。在电池包设计中,单体电芯有序排列组成模组。

图1 三种电芯的结构示意图

二、电芯间散热和隔热的必要性及区别

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。电芯的最高温度超过60℃时就潜在发生因过热导致的电芯安全性问题,20~45℃是锂电池电芯的理想工作温度区间。可以说,电池包所有的电芯中,最热的电芯决定了整个电池包的安全,最冷的电芯决定了整个电池包的性能,一个电芯内和电池包内电芯间的最大温差决定了整个电池包的寿命。为了提高电池包的安全性和长期使用性能,电池包中的热管理系统必须保证电池包内任一个电芯的温度都不应超过许可的最高工作温度,同时电池包内所有的电芯间的最大温差及每个电芯的最大温差都不大于5℃。因此,为了确保电芯间的温度满足上述要求,电芯间必须有良好的散热装置。电芯间的散热通常是通过散热片上中的冷却液实现的。

电池包中电池能量储存部分与能量转化部分存在于同一空间,在过充电、针刺、碰撞情况下易引起连锁放热反应,造成冒烟、失火甚至爆炸等热失控事故。热失控是动力电池最严重的安全事故,直接威胁用户的生命安全。近年来,针对电池包的热失控传播问题主要通过热防护技术解决。除了在电池单体之间,电池模组之间以及电池箱与乘客舱之间也需要设置热防护,以提高热失控电芯向电池其他系统传热的热阻,从而达到阻碍热失控蔓延的目的。目前动力电池系统热失控的研究,主要侧重于由单体电芯热失控触发继而传播到整个电池包的热失控安全问题方面。这是因为当某单体电芯触发热失控时,会产热量骤增,散热量远小于产热量,导致热量向周围电芯传递,会迅速引发周边电池大规模热失控,形成安全隐患。或者说,单体电芯的热失控是整个电池包热失控的源头,因此,我们主要讨论电芯间的热防护。电芯间的热防护是在电芯间增加隔热层,以阻断热失控从失控单体电芯向周围电芯传播,降低电池包的损害以及附带的破坏作用。

三、电芯间隔热设计

1、电芯间隔热方式设计

对于电芯间的散热问题,一些专利中提出了不同的设计方案。

Tesla公司在其公布的专利中,专利US 7820319 B2设计了一种电池单体间的热屏障。在电芯的外壳或外壳双层或内壳等涂抹一层或多层绝缘膨胀材料,这种材料可以吸收热量膨胀或变成焦炭状,用于阻止热的扩散。可选用的膨胀材料有:石墨系膨胀型材料、热塑性弹性体、陶瓷基泡沸材料、蛭石/矿物纤维基泡沸材料、多磷酸铵基泡沸材料。

Zee.Aero公司在专利US 8993145 B2提出了一种热防护措施,通过在方形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。

上述专利虽然通过热隔层达到了热失控的阻隔目的,但由于隔离层的添加容易导致电芯间散热性能降低,一般的冷却系统很难满足散热的需求。

文献(Applied Thermal Engineering, 2016, 106: 131-140)提出了一种结合热防护和散热的复合板热管理系统,复合板由相变材料和隔热板组成,分析了正常工况下电池组的散热性能,同时以10℃工况为例,分析了复合板散热与隔热性能。不足的是,为了达到散热效果,复合板的厚度为10 mm,同时相变材料吸收的热量不易释放,影响冷却效果。

为了解决上述缺陷,有些研究将隔热板和热管组错落安置于电芯单体间,结果证明,这种方案不仅大大增强了电池组的散热能力和单体电芯间温度的均匀性,而且还可有效阻断热失控传播。通用汽车的Volt电池管理系统就是在上述模型的基础上改良,在电池包的设计中,Volt单体电芯间设置金属散热片(厚度为1 mm)作为热管组,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。

2、电芯间隔热材料选择

单体电芯间的隔热材料,作为一种能够有效延缓或阻断单体电芯热失控向整个电池系统的传播的一种热防护材料,必须具备以下几种条件:

a.阻燃(达到V0等级)

b.耐老化,化学性质稳定;

c.不产生有毒气体;

d.弹性好,导热系数低,防水防潮防振动;

e.质轻价低厚度薄

目前常采用的隔热材料有泡沫塑料、超细玻璃棉、高硅氧棉、真空隔热板、气凝胶等,各种隔热材料的优缺点如表2所示:

表2 常用隔热材料的优缺点

结合上述隔热材料的选择条件,及常用隔热材料的优缺点,具有阻燃性能的、特定材质的、柔软的泡沫材料(即泡棉)完全符合上述要求,这是因为:

a.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;

b.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;

c.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;

d.泡棉具有极好的回弹性,压缩比例较宽,可作为定位。

由于锂离子电池的使用寿命为5~8年,因此在选择单体电芯间的隔热材料时,其使用时间必须大于电池的使用寿命,因此我们可以选择泡沫硅橡胶作为单体电芯间的隔热材料。

3、泡沫硅橡胶

泡沫硅橡胶是硅橡胶经过发泡后制成的一种柔性、多孔高分子弹性材料,是将硅橡胶与泡沫材料的特性结合于一体的新型高分子材料。泡沫硅橡胶材料具有良好的热稳定性、绝缘性、隔热性、抗震性和耐高温冲击等性能,尤其是在高频下的抗震性好,耐老化性好,寿命>10年,可作为夹层的填充材料。

东莞市广迈电子科技有限公司生产的TS系列泡沫硅橡胶采用液体发泡技术,导热系数为0.09~0.14 W/(m·K),具有优异的回弹性能和长期工作的稳定性,长期反复压缩反弹力保持良好,是单体电芯间隔热衬垫的理想选择,具体性能参数见表3。泡沫硅橡胶作为电芯间填充材料,其柔软性可吸收电芯的热胀冷缩;其反复压缩反弹力可为电芯提供长久的弹性支撑;其较低的导热系数可阻止热失控向周围电芯的蔓延。同时,这种材料满足UL94 V-0和HF-1的防火等级,在电芯失控失火时,可以延缓火势的蔓延。

表3 TS系列泡沫硅橡胶基本物理性能

说明:上述型号只是针对用于电芯间隔热推荐

结束语

电芯间隔热方式和材料的设计和选择,对于防止单体电芯热失控,提高电池包的安全性具有重要作用。目前新材料的开发及应用,如相变材料(PCM)通过相变吸收热量而保持温度不变,增加了电芯隔热材料选择。隔热材料的选择需要平衡安全性和成本投入,具体的应用方案需要通过仿真结果来评估。