鄭志鵬

摘 要：電動汽車最關鍵的技術是“三電”，即電池、電控、電機。pack結構設計不應僅僅停留在將電池單體簡單的串并聯(lián)的層面，而應該更深層次的融入輕量化、能量密度、熱管理、VDA標準、CAE仿真、電芯選擇等因素的探索。其中“熱”因素很大程度上影響電池包的結構設計，增加熱管理，穩(wěn)定電芯工作溫度在最佳的工作范圍，避免電芯因溫度過高引起熱失控。為此，就是探索熱對電池包結構設計的影響因素，更好的指導和完善結構設計要素，提供有價值的參考依據(jù)。

關鍵詞：pack電池包；結構設計；熱

1 概述

隨著石油的枯竭和不可再生，以及汽車尾氣排放造成的環(huán)境污染問題日益惡化，中國以及世界各國政策性的引導市場向新能源汽車發(fā)展，德國聯(lián)邦參議院決議在2030年禁止內燃機汽車上路行駛，與此同時法國、印度、挪威、荷蘭等國都提出了禁售燃油車的時間表。

電池包由n個鋰電池單體經(jīng)過串并聯(lián)組成，鋰電池是電池包內熱量的主要來源，但其又對溫度極其敏感，超過或低于一定溫度則會造成鋰電池工作異常基至起火燃燒，造成不可逆的嚴重危害，因此研究熱對結構設計的影響因素，均衡熱量，為鋰電池提供最佳的工作環(huán)境溫度是必不可少的。

2 鋰電池對熱的要求

2.1 鋰電池的生熱機理

從電化學的角度可知，在充放電過程中鋰離子電池的生熱量主要有四部分組成，包括反應熱Qr、歐姆內阻的焦耳熱Qj、極化熱Qp和副反應熱Qs。記鋰離子電池實際的生熱量為Qt，則有下式：

Qt=Qr+Qj+Qp+Qs

其中占主要部分的是內阻焦耳熱Qj=I2R和電化學反應熱Qr=nmQI/MF，式中n代表電池數(shù)量，m代表電極質量，Q代表電池正負極電化學反應產(chǎn)生熱量的代數(shù)和，I代表充放電電流，M代表摩爾質量，F(xiàn)法拉第常數(shù)，R為歐姆內阻。當電池充放電時，鋰電池則會生成上述熱量。

2.2 鋰電池最佳工作溫度

以三元鋰電池放電為例，實驗數(shù)據(jù)表明，雖然三元電池的放電時的工作溫度區(qū)間在-20℃～60℃之間，但不同溫度范圍內其內部正負極活性物質活躍程度不同，表現(xiàn)出來的容量也不相同。當溫度在-40℃時，電池容量衰減至額定容量的1/3；當溫度在-20℃時，電池容量是額定容量的70%；當溫度在0～60℃之間，電池容量為額定容量的80%～120%；當溫度在20℃～50℃，溫差在5℃之內，電池容量為額定容量的100%。

電池容量越低，表現(xiàn)出電池放電的時間越短，所以會有冬天電動車的電量不經(jīng)用，掉電很快的現(xiàn)象，殊不知鋰電池最優(yōu)的工作溫度是在20℃～50℃±5℃的范圍內。

2.3 溫度對鋰電池結構的影響

鋰離子電池對溫度環(huán)境比較敏感，溫度太高會嚴重影響電池的充放電性能和很多特性參數(shù)，例如內阻、電壓、SOC、可用容量、充放電效率和電池壽命等。如圖所示為溫度與電池熱失控演變過程（圖1）。當電池溫度達到50～110℃區(qū)間時鋰電池電解液分解，在80～140℃溫度之間正極SEI膜分解，在140～240℃溫度之間負極SEI膜分解，160～270℃負極材料分解，當電池溫度超過250℃時電池熱失控，產(chǎn)生著火、爆炸。

過充電、低溫充電、水浸泡、電池內部短路、機械撞擊穿刺等因素都會引發(fā)熱失控，而且像三元鋰電池在熱失控過程中自身會分解氧氣，故消防車、滅火器等滅火裝置是無計可施的，所以此類安全事故比一般的火情后果更加嚴重。

3 鋰電池熱量管理辦法

pack結構設計中最關鍵的一項技術是電池熱管理。電池熱管理是根據(jù)溫度對電池性能的影響，通過合理的設計解決鋰電池在溫度過高或過低情況下工作而引起熱散逸或熱失控問題，以提升電池整體性能的一門技術。電池熱管理涉及傳熱學、材料學、機械結構等多學科耦合設計，最終目的是保持N個電池單體溫度一致，進而控制電池性能的均勻性。

電池組內單體間溫度的均勻性是影響電池性能的重要因素。單體溫差產(chǎn)生的主要原因是單體散熱量在空間上的不均勻，雖然目前對于電池組內單體間的溫差控制在多少度還沒有一個明確的值，但這種溫差范圍應該盡量小，建議在實際應用中不大于5℃。

控制電池溫度主要有自然冷卻、強制風冷和液體冷卻。電池散熱都是依靠自身與介質對流換熱、熱傳導、熱輻射的形式降溫，相比之下自然冷卻散熱效率最低，強制風冷的散熱效率是自然冷卻的5倍，液冷是自然冷卻的75倍，例如特斯拉采用乙二醇和水各50%比例作為冷卻介質環(huán)繞在電池周圍的散熱方式。

pack結構設計應在串并聯(lián)的基礎上合理布局，設計風道、液體流道，通過設置不一致的風壓風量和流體流量壓力保證各個局部溫度均勻性來提升電池包整體的性能。

4 熱對pack結構件材料的影響

4.1 Pack結構的材料選擇

耐高壓絕緣性能是電池包結構設計最重要的技術要求之一。電池包結構內部裝載的是各種鋰電池，電池成組后總電壓及總電流會很大，其威力不可小覷，塑料具有很好的而高壓絕緣性，例如某車企對塑料材料絕緣要求是耐壓2000VDC，絕緣阻值11G以上。一般可采用強度和塑性較高的尼龍為原料，在材料中添加5%～45%的玻璃纖維，做GF強化可提高結構強度和耐振動性。

除了絕緣耐高壓，塑料的另一個顯著優(yōu)點是降低電池包的重量，提高蓄電池重量比能量密度，增加電動車的續(xù)航里程。蓄電池重量能量密度是蓄電池一個重要的衡量指標，國家新能源汽車補貼政策對重量能量密度作出指導性意見。2016年國家補貼政策對電池重量能量密度的具體要求為：純電動乘用車動力電池系統(tǒng)的質量能量密度不低于90Wh/kg，對高于120Wh/kg的按1.1倍給予補貼（最高補貼）。

雖然很多國外的大型車企為了降低結構件重量采用了例如高碳纖維的高科技的新型材料，但其還未普及，加工工藝要求較高，價格非常昂貴，不適用大眾化的車型，因此采用塑料材料是綜合性價比較高的選擇，在滿足機械強度、沖擊、載荷的前提下，塑料材料取代金屬材料，提高比能量密度減輕pack包重量是必經(jīng)之路。

4.2 塑料件的阻燃性和燃燒性

當單體電池因熱失控燃燒后，在火源熄滅后，添加阻燃劑的塑料件可在短時間內自己熄滅，防止連鎖反應，大大減少了燃燒帶來的損害，因此阻燃劑變成塑料制品中不可或缺的一部分。根據(jù)阻燃劑的配比，塑料件可以達到UL94 V-0、5VB、5VA等較高防火等級，通常選擇UL94 V-0作為阻燃性能的最低要求。國內很多企業(yè)對塑料阻燃測試的樣品的厚度做了各自的要求，同樣是UL94的測試方法，同一種材質不同的厚度會影響測試結果，樣品越薄測試條件越苛刻。

阻燃劑大致可分為鹵系阻燃劑和非鹵系阻燃劑，鹵素系添加劑在日本等發(fā)達國家是禁止使用的，因為鹵素系（氯系、溴系）阻燃劑無論是在其本身生產(chǎn)、在塑料成型加工時的使用、添加阻燃劑的塑料等制品的使用以及廢塑料焚燒處理等過程中都有產(chǎn)生有劇毒的二惡英或呋喃等危害人體健康和污染環(huán)境的問題。為了確保安全，電池包pack設計中的阻燃要求應避免添加鹵系添加劑，成品中不應含有鉛（Pb），鎘（Cd），汞（Hg），六價鉻（Cr（VI）），多溴聯(lián)苯（PBBs），多溴二苯醚（PBDEs），鄰苯二甲酸酯（DBP，BBP，DEHP，DIBP）等有害成分。

4.3 熱對金屬件表面鍍層的影響

金屬件在pack電池包中主要的應用主要有三種，分別是鈑金件、匯流鎳片、導電銅排。鈑金件主要職責是承載結構強度、振動載荷、剛度特征等；匯流鎳片主要職責是將N個單體鋰電池串并聯(lián)時所使用的匯流導電裝置；導電銅排因其導電能力強、加工工藝好、價格適中所以通常用在電池pack的總正總負的環(huán)節(jié)。

對于鈑金件，溫度交換和熱浪沖擊等都會促使其表面鍍層出現(xiàn)裂紋起泡脫落等現(xiàn)象，損害箱體造成強度、防水、防塵等功能缺失，影響電池性能，因此對于鈑金件尤其是暴露在外側大氣中的，應噴塑附著力較強的戶外漆。對于銅排，則通常在其表面電鍍薄薄的鎳層則可以起到防止銅氧化的效果。

綜上所述，對來料進行抽檢時應進行溫度沖擊試驗，樣品需接受較短時間內-40℃±2℃的低溫到85℃±2℃的高溫環(huán)境的溫熱試驗，并且要做N個循環(huán)靜置一段時間后檢查產(chǎn)品外觀，要求表面無裂紋，起泡、油漆、鍍層脫落等異?，F(xiàn)象則滿足設計要求。

5 總結

Pack結構設計是一門高級藝術，應該在滿足電壓容量電量功能屬性的基礎上耦合熱力學、材料學、機械、電化學、分子動力學等多學科，并融入輕量化設計、CAE強度仿真等因素，設計符合電池性能的結構，為鋰電池提供適宜的工作環(huán)境溫度，提高各電池單體之間的均勻一致性，達到提升電池整體性能的目的。

參考文獻

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