摘要

随新(xīn)能(néng)源汽車銷售數量(liàng)的增加，起(qǐ)火(huǒ)事件(jiàn)也(yě)逐漸增加，为(wèi)了(le)順應(yìng)國(guó)家(jiā)对(duì)新(xīn)能(néng)源汽車安全(quán)法(fǎ)規的要求，以(yǐ)及(jí)市(shì)场(chǎng)对(duì)于輕(qīng)量(liàng)、高(gāo)功率、安全(quán)的電(diàn)池的需求，盡可(kě)能(néng)減少(shǎo)乘客傷亡，提(tí)高(gāo)電(diàn)池包的安全(quán)性(xìng)，降低(dī)電(diàn)池包热(rè)失控是(shì)必要的。目前，電(diàn)池包的热(rè)失控傳播問(wèn)题主(zhǔ)要通(tòng)过(guò)热(rè)防護技術(shù)解(jiě)決，即在(zài)電(diàn)芯間(jiān)放(fàng)置隔热(rè)防護层(céng)。

关鍵词(cí)：

新(xīn)能(néng)源汽車;電(diàn)芯;隔热(rè)设計(jì)

一(yī)、電(diàn)池包單體(tǐ)電(diàn)芯介紹

電(diàn)芯是(shì)指單个(gè)含有(yǒu)正(zhèng)、負极(jí)的電(diàn)化(huà)學(xué)電(diàn)芯，一(yī)般不(bù)直(zhí)接使用(yòng)。區(qū)别于電(diàn)池含有(yǒu)保護電(diàn)路(lù)和(hé)外(wài)殼(ké)，可(kě)以(yǐ)直(zhí)接使用(yòng)。

目前主(zhǔ)流的锂電(diàn)池電(diàn)芯封(fēng)裝(zhuāng)分为(wèi)圆(yuán)柱(zhù)電(diàn)芯、方(fāng)形電(diàn)芯(又叫鋁(lǚ)殼(ké)電(diàn)芯)、软(ruǎn)包電(diàn)芯(又稱聚合物(wù)電(diàn)芯)三(sān)種(zhǒng)，它(tā)们(men)的結構示意(yì)图(tú)見(jiàn)图(tú) 1。在(zài)電(diàn)池包设計(jì)中(zhōng)，單體(tǐ)電(diàn)芯有(yǒu)序排列組成(chéng)模組。

二(èr)、電(diàn)芯間(jiān)散(sàn)热(rè)和(hé)隔热(rè)的必要性(xìng)及(jí)區(qū)别

單體(tǐ)電(diàn)芯由(yóu)于其(qí)自(zì)身(shēn)有(yǒu)一(yī)定(dìng)的內(nèi)阻，在(zài)輸出(chū)電(diàn)能(néng)的同时(shí)会(huì)产生(shēng)一(yī)定(dìng)的热(rè)量(liàng)，使得自(zì)身(shēn)温(wēn)度(dù)變(biàn)高(gāo)，當自(zì)身(shēn)温(wēn)度(dù)超出(chū)其(qí)正(zhèng)常工作(zuò)温(wēn)度(dù)範圍間(jiān)时(shí)会(huì)影響電(diàn)池的性(xìng)能(néng)和(hé)壽命。電(diàn)芯的最(zuì)高(gāo)温(wēn)度(dù)超过(guò) 60℃时(shí)就潛在(zài)发生(shēng)因(yīn)过(guò)热(rè)導致(zhì)的電(diàn)芯安全(quán)性(xìng)問(wèn)题，20~45℃是(shì)锂電(diàn)池電(diàn)芯的理(lǐ)想(xiǎng)工作(zuò)温(wēn)度(dù)區(qū)間(jiān)。可(kě)以(yǐ)说(shuō)，電(diàn)池包所(suǒ)有(yǒu)的電(diàn)芯中(zhōng)，最(zuì)热(rè)的電(diàn)芯決定(dìng)了(le)整个(gè)電(diàn)池包的安全(quán)，最(zuì)冷的電(diàn)芯決定(dìng)了(le)整个(gè)電(diàn)池包的性(xìng)能(néng)，一(yī)个(gè)電(diàn)芯內(nèi)和(hé)電(diàn)池包內(nèi)電(diàn)芯間(jiān)的最(zuì)大(dà)温(wēn)差決定(dìng)了(le)整个(gè)電(diàn)池包的壽命。为(wèi)了(le)提(tí)高(gāo)電(diàn)池包的安全(quán)性(xìng)和(hé)长(cháng)期使用(yòng)性(xìng)能(néng)，電(diàn)池包中(zhōng)的热(rè)管(guǎn)理(lǐ)系(xì)統必須保證電(diàn)池包內(nèi)任一(yī)个(gè)電(diàn)芯的温(wēn)度(dù)都不(bù)應(yìng)超过(guò)许可(kě)的最(zuì)高(gāo)工作(zuò)温(wēn)度(dù)，同时(shí)電(diàn)池包內(nèi)所(suǒ)有(yǒu)的電(diàn)芯間(jiān)的最(zuì)大(dà)温(wēn)差及(jí)每个(gè)電(diàn)芯的最(zuì)大(dà)温(wēn)差都不(bù)大(dà)于 5℃。因(yīn)此(cǐ)，为(wèi)了(le)确保電(diàn)芯間(jiān)的温(wēn)度(dù)滿足上(shàng)述要求，電(diàn)芯間(jiān)必須有(yǒu)良好的散(sàn)热(rè)裝(zhuāng)置。電(diàn)芯間(jiān)的散(sàn)热(rè)通(tòng)常是(shì)通(tòng)过(guò)散(sàn)热(rè)片(piàn)上(shàng)中(zhōng)的冷卻液實(shí)現(xiàn)的。

電(diàn)池包中(zhōng)電(diàn)池能(néng)量(liàng)儲存部(bù)分與(yǔ)能(néng)量(liàng)轉(zhuǎn)化(huà)部(bù)分存在(zài)于同一(yī)空(kōng)間(jiān)，在(zài)过(guò)充電(diàn)、針(zhēn)刺、碰撞情(qíng)況下(xià)易引起(qǐ)連(lián)鎖放(fàng)热(rè)反(fǎn)應(yìng)，造成(chéng)冒煙、失火(huǒ)甚至爆炸等热(rè)失控事故。热(rè)失控是(shì)動(dòng)力電(diàn)池最(zuì)嚴重的安全(quán)事故，直(zhí)接威脅用(yòng)戶的生(shēng)命安全(quán)。近(jìn)年(nián)来，針(zhēn)对(duì)電(diàn)池包的热(rè)失控傳播問(wèn)题主(zhǔ)要通(tòng)过(guò)热(rè)防護技術(shù)解(jiě)決。除了(le)在(zài)電(diàn)池單體(tǐ)之(zhī)間(jiān)，電(diàn)池模組之(zhī)間(jiān)以(yǐ)及(jí)電(diàn)池箱(xiāng)與(yǔ)乘客艙之(zhī)間(jiān)也(yě)需要设置热(rè)防護，以(yǐ)提(tí)高(gāo)热(rè)失控電(diàn)芯向(xiàng)電(diàn)池其(qí)他(tā)系(xì)統傳热(rè)的热(rè)阻，從而(ér)达(dá)到(dào)阻礙热(rè)失控蔓延的目的。目前動(dòng)力電(diàn)池系(xì)統热(rè)失控的研究，主(zhǔ)要側重于由(yóu)單體(tǐ)電(diàn)芯热(rè)失控觸发繼而(ér)傳播到(dào)整个(gè)電(diàn)池包的热(rè)失控安全(quán)問(wèn)题方(fāng)面(miàn)。这(zhè)是(shì)因(yīn)为(wèi)當某單體(tǐ)電(diàn)芯觸发热(rè)失控时(shí)，会(huì)产热(rè)量(liàng)驟增，散(sàn)热(rè)量(liàng)远小于产热(rè)量(liàng)，導致(zhì)热(rè)量(liàng)向(xiàng)周圍電(diàn)芯傳遞，会(huì)迅速引发周邊(biān)電(diàn)池大(dà)規模热(rè)失控，形成(chéng)安全(quán)隐患。或(huò)者(zhě)说(shuō)，單體(tǐ)電(diàn)芯的热(rè)失控是(shì)整个(gè)電(diàn)池包热(rè)失控的源头(tóu)，因(yīn)此(cǐ)，我(wǒ)们(men)主(zhǔ)要讨論電(diàn)芯間(jiān)的热(rè)防護。電(diàn)芯間(jiān)的热(rè)防護是(shì)在(zài)電(diàn)芯間(jiān)增加隔热(rè)层(céng)，以(yǐ)阻斷热(rè)失控從失控單體(tǐ)電(diàn)芯向(xiàng)周圍電(diàn)芯傳播，降低(dī)電(diàn)池包的損害以(yǐ)及(jí)附带(dài)的破壞作(zuò)用(yòng)。

三(sān)、電(diàn)芯間(jiān)隔热(rè)设計(jì)

3.1 電(diàn)芯間(jiān)隔热(rè)方(fāng)式设計(jì)

对(duì)于電(diàn)芯間(jiān)的散(sàn)热(rè)問(wèn)题，一(yī)些專利中(zhōng)提(tí)出(chū)了(le)不(bù)同的设計(jì)方(fāng)案(àn)。Tesla 公(gōng)司在(zài)其(qí)公(gōng)布(bù)的專利中(zhōng)，專利 US 7820319 B2 设計(jì)了(le)一(yī)種(zhǒng)電(diàn)池單體(tǐ)間(jiān)的热(rè)屏障。在(zài)電(diàn)芯的外(wài)殼(ké)或(huò)外(wài)殼(ké)双(shuāng)层(céng)或(huò)內(nèi)殼(ké)等塗抹一(yī)层(céng)或(huò)多(duō)层(céng)绝緣膨脹材料，这(zhè)種(zhǒng)材料可(kě)以(yǐ)吸收(shōu)热(rè)量(liàng)膨脹或(huò)變(biàn)成(chéng)焦炭狀，用(yòng)于阻止热(rè)的擴散(sàn)。可(kě)選用(yòng)的膨脹材料有(yǒu)：石(dàn)墨(mò)系(xì)膨脹型材料、热(rè)塑性(xìng)弹性(xìng)體(tǐ)、陶瓷基泡沸材料、蛭石(dàn)/礦物(wù)纖维基泡沸材料、多(duō)磷酸(suān)铵基泡沸材料。Zee.Aero 公(gōng)司在(zài)專利 US 8993145 B2 提(tí)出(chū)了(le)一(yī)種(zhǒng)热(rè)防護措施，通(tòng)过(guò)在(zài)方(fāng)形電(diàn)池單體(tǐ)之(zhī)間(jiān)设置隔热(rè)层(céng)，阻斷失控單體(tǐ)向(xiàng)臨近(jìn)單體(tǐ)傳热(rè)，同时(shí)，隔热(rè)层(céng)不(bù)完全(quán)封(fēng)閉，單體(tǐ)之(zhī)間(jiān)留有(yǒu)对(duì)流通(tòng)道(dào)，有(yǒu)利于失控單體(tǐ)产生(shēng)的热(rè)量(liàng)在(zài)整个(gè)電(diàn)池包內(nèi)散(sàn)热(rè)，避免局(jú)部(bù)过(guò)热(rè)。

上(shàng)述專利雖(suī)然通(tòng)过(guò)热(rè)隔层(céng)达(dá)到(dào)了(le)热(rè)失控的阻隔目的，但由(yóu)于隔離层(céng)的添加容易導致(zhì)電(diàn)芯間(jiān)散(sàn)热(rè)性(xìng)能(néng)降低(dī)，一(yī)般的冷卻系(xì)統很難滿足散(sàn)热(rè)的需求。

文(wén)獻(Applied Thermal Engineering, 2016, 106: 131-140)提(tí)出(chū)了(le)一(yī)種(zhǒng)結合热(rè)防護和(hé)散(sàn)热(rè)的复合闆热(rè)管(guǎn)理(lǐ)系(xì)統，复合闆由(yóu)相變(biàn)材料和(hé)隔热(rè)闆組成(chéng)，分析了(le)正(zhèng)常工況下(xià)電(diàn)池組的散(sàn)热(rè)性(xìng)能(néng)，同时(shí)以(yǐ) 10℃工況为(wèi)例，分析了(le)复合闆散(sàn)热(rè)與(yǔ)隔热(rè)性(xìng)能(néng)。不(bù)足的是(shì)，为(wèi)了(le)达(dá)到(dào)散(sàn)热(rè)效果(guǒ)，复合闆的厚度(dù)为(wèi) 10 mm，同时(shí)相變(biàn)材料吸收(shōu)的热(rè)量(liàng)不(bù)易釋放(fàng)，影響冷卻效果(guǒ)。

为(wèi)了(le)解(jiě)決上(shàng)述缺陷，有(yǒu)些研究将隔热(rè)闆和(hé)热(rè)管(guǎn)組錯落(là)安置于電(diàn)芯單體(tǐ)間(jiān)，結果(guǒ)證明(míng)，这(zhè)種(zhǒng)方(fāng)案(àn)不(bù)僅大(dà)大(dà)增強(qiáng)了(le)電(diàn)池組的散(sàn)热(rè)能(néng)力和(hé)單體(tǐ)電(diàn)芯間(jiān)温(wēn)度(dù)的均勻性(xìng)，而(ér)且(qiě)還(huán)可(kě)有(yǒu)效阻斷热(rè)失控傳播。通(tòng)用(yòng)汽車的 Volt 電(diàn)池管(guǎn)理(lǐ)系(xì)統就是(shì)在(zài)上(shàng)述模型的基礎上(shàng)改良，在(zài)電(diàn)池包的设計(jì)中(zhōng)，Volt單體(tǐ)電(diàn)芯間(jiān)设置金(jīn)屬散(sàn)热(rè)片(piàn)(厚度(dù)为(wèi) 1 mm)作(zuò)为(wèi)热(rè)管(guǎn)組，並(bìng)在(zài)散(sàn)热(rè)片(piàn)上(shàng)留有(yǒu)毛(máo)细(xì)管(guǎn)結構，以(yǐ)便冷卻液能(néng)夠在(zài)毛(máo)细(xì)管(guǎn)內(nèi)流動(dòng)進(jìn)而(ér)带(dài)走(zǒu)热(rè)量(liàng)，實(shí)現(xiàn)散(sàn)热(rè)的目的;隔热(rè)方(fāng)案(àn)則采用(yòng)了(le)在(zài)電(diàn)芯與(yǔ)電(diàn)芯之(zhī)間(jiān)放(fàng)置泡棉(mián)的方(fāng)式。

3.2 電(diàn)芯間(jiān)隔热(rè)材料選擇

單體(tǐ)電(diàn)芯間(jiān)的隔热(rè)材料，作(zuò)为(wèi)一(yī)種(zhǒng)能(néng)夠有(yǒu)效延緩或(huò)阻斷單體(tǐ)電(diàn)芯热(rè)失控向(xiàng)整个(gè)電(diàn)池系(xì)統的傳播的一(yī)種(zhǒng)热(rè)防護材料，必須具備以(yǐ)下(xià)幾(jǐ)種(zhǒng)条(tiáo)件(jiàn)：

1、阻燃(达(dá)到(dào) V0 等級)

2、耐老(lǎo)化(huà)，化(huà)學(xué)性(xìng)質(zhì)穩定(dìng);

3、不(bù)产生(shēng)有(yǒu)毒气(qì)體(tǐ);

4、弹性(xìng)好，導热(rè)系(xì)數低(dī)，防水(shuǐ)防潮(cháo)防振動(dòng);

5、質(zhì)輕(qīng)價低(dī)厚度(dù)薄

目前常采用(yòng)的隔热(rè)材料有(yǒu)泡沫塑料、超细(xì)玻璃棉(mián)、高(gāo)矽氧棉(mián)、真空(kōng)隔热(rè)闆、气(qì)凝胶(jiāo)等，各(gè)種(zhǒng)隔热(rè)材料的優缺點(diǎn)如(rú)表(biǎo) 2 所(suǒ)示：

結合上(shàng)述隔热(rè)材料的選擇条(tiáo)件(jiàn)，及(jí)常用(yòng)隔热(rè)材料的優缺點(diǎn)，具有(yǒu)阻燃性(xìng)能(néng)的、特(tè)定(dìng)材質(zhì)的、柔软(ruǎn)的泡沫材料(即泡棉(mián))完全(quán)符合上(shàng)述要求，这(zhè)是(shì)因(yīn)为(wèi)：

1、泡棉(mián)具有(yǒu)低(dī)硬(yìng)度(dù)高(gāo)回(huí)弹性(xìng)質(zhì)，能(néng)夠吸收(shōu)電(diàn)池鼓脹應(yìng)力起(qǐ)到(dào)緩沖作(zuò)用(yòng);

2、在(zài)電(diàn)芯发送热(rè)失控时(shí)，泡棉(mián)能(néng)起(qǐ)隔热(rè)作(zuò)用(yòng)，抑制热(rè)擴散(sàn)，延緩事故发生(shēng);

3、在(zài)電(diàn)芯发生(shēng)起(qǐ)火(huǒ)时(shí)，泡棉(mián)的阻燃效果(guǒ)能(néng)夠延緩火(huǒ)勢蔓延，增加逃生(shēng)时(shí)間(jiān);

4、泡棉(mián)具有(yǒu)极(jí)好的回(huí)弹性(xìng)，壓縮比例較宽(kuān)，可(kě)作(zuò)为(wèi)定(dìng)位(wèi)。

由(yóu)于锂離子電(diàn)池的使用(yòng)壽命为(wèi) 5~8 年(nián)，因(yīn)此(cǐ)在(zài)選擇單體(tǐ)電(diàn)芯間(jiān)的隔热(rè)材料时(shí)，其(qí)使用(yòng)时(shí)間(jiān)必須大(dà)于電(diàn)池的使用(yòng)壽命，因(yīn)此(cǐ)我(wǒ)们(men)可(kě)以(yǐ)選擇泡沫矽橡胶(jiāo)作(zuò)为(wèi)單體(tǐ)電(diàn)芯間(jiān)的隔热(rè)材料。

3.3 泡沫矽橡胶(jiāo)

泡沫矽橡胶(jiāo)是(shì)矽橡胶(jiāo)經(jīng)过(guò)发泡後(hòu)制成(chéng)的一(yī)種(zhǒng)柔性(xìng)、多(duō)孔高(gāo)分子弹性(xìng)材料，是(shì)将矽橡胶(jiāo)與(yǔ)泡沫材料的特(tè)性(xìng)結合于一(yī)體(tǐ)的新(xīn)型高(gāo)分子材料。泡沫矽橡胶(jiāo)材料具有(yǒu)良好的热(rè)穩定(dìng)性(xìng)、绝緣性(xìng)、隔热(rè)性(xìng)、抗震性(xìng)和(hé)耐高(gāo)温(wēn)沖擊等性(xìng)能(néng)，尤其(qí)是(shì)在(zài)高(gāo)頻下(xià)的抗震性(xìng)好，耐老(lǎo)化(huà)性(xìng)好，壽命>10年(nián)，可(kě)作(zuò)为(wèi)夾层(céng)的填充材料。

东莞市(shì)廣邁電(diàn)子科技有(yǒu)限公(gōng)司生(shēng)产的 TS 系(xì)列泡沫矽橡胶(jiāo)采用(yòng)液體(tǐ)发泡技術(shù)，導热(rè)系(xì)數为(wèi)0.09~0.14 W/(m·K)，具有(yǒu)優异(yì)的回(huí)弹性(xìng)能(néng)和(hé)长(cháng)期工作(zuò)的穩定(dìng)性(xìng)，长(cháng)期反(fǎn)复壓縮反(fǎn)弹力保持良好，是(shì)單體(tǐ)電(diàn)芯間(jiān)隔热(rè)衬垫(diàn)的理(lǐ)想(xiǎng)選擇，具體(tǐ)性(xìng)能(néng)參數見(jiàn)表(biǎo) 3。泡沫矽橡胶(jiāo)作(zuò)为(wèi)電(diàn)芯間(jiān)填充材料，其(qí)柔软(ruǎn)性(xìng)可(kě)吸收(shōu)電(diàn)芯的热(rè)脹冷縮;其(qí)反(fǎn)复壓縮反(fǎn)弹力可(kě)为(wèi)電(diàn)芯提(tí)供长(cháng)久的弹性(xìng)支撐;其(qí)較低(dī)的導热(rè)系(xì)數可(kě)阻止热(rè)失控向(xiàng)周圍電(diàn)芯的蔓延。同时(shí)，这(zhè)種(zhǒng)材料滿足 UL94 V-0 和(hé) HF-1 的防火(huǒ)等級，在(zài)電(diàn)芯失控失火(huǒ)时(shí)，可(kě)以(yǐ)延緩火(huǒ)勢的蔓延。

4、結束(shù)語(yǔ)

電(diàn)芯間(jiān)隔热(rè)方(fāng)式和(hé)材料的设計(jì)和(hé)選擇，对(duì)于防止單體(tǐ)電(diàn)芯热(rè)失控，提(tí)高(gāo)電(diàn)池包的安全(quán)性(xìng)具有(yǒu)重要作(zuò)用(yòng)。目前新(xīn)材料的開(kāi)发及(jí)應(yìng)用(yòng)，如(rú)相變(biàn)材料(PCM)通(tòng)过(guò)相變(biàn)吸收(shōu)热(rè)量(liàng)而(ér)保持温(wēn)度(dù)不(bù)變(biàn)，增加了(le)電(diàn)芯隔热(rè)材料選擇。隔热(rè)材料的選擇需要平衡安全(quán)性(xìng)和(hé)成(chéng)本(běn)投入(rù)，具體(tǐ)的應(yìng)用(yòng)方(fāng)案(àn)需要通(tòng)过(guò)仿真結果(guǒ)来評估。

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