动力电池作为新能源汽车的重要组成部分,其安全性是非常重要的。其中,动力电池的热扩散问题是一个关键点。本文将从动力电池热扩散问题的原因、热扩散防护方法的研究与分析等方面进行探讨。

近几年,新能源汽车因电池热失控造成安全事故不断频发,动力电池的安全性是车企 、市场 、以及相关 部门机构的重点关注问题 。为推动完善解决该问题 从2015年工信部下发《汽车动力蓄电池行业规范条件》开始,工信部 、环保部 、商务部 , 以及质检总局等都 对新能源汽车提高标准 ,可见政府表示对动力电池,特别是电池热失控安全防护的高度重视。

一、动力电池热扩散问题的原因及影响因素

动力电池在使用过程中,由于充电或者放电,内部化学物质发生反应,会产生热量。如果热量不能得到合理的散热,就会引起局部温度升高,甚至导致热失控。此时,电池发生“热失控”,会产生火灾或者爆炸等严重事故。因此,如何解决动力电池的热扩散成了一个急需解决的问题。

动力电池的安全问题可以用“热失控”来概括,主要是电芯内部达到一定温度后不可控制 ,温度上升速度快,引发燃烧甚至爆炸 。其中过热 、过充 、内部短路 、外部冲击等是引发热失控的关键因素。 电池的选型和热设计的不合理会引发电池内部温度升高过热;或受到外部剧烈冲击(针刺 、挤压 、冲击等) 使电池短路 。对于电池热失控的原因,已经有许多研发人员 在进行研究分析。 当一个电池单体发生热失控之后,其相邻单体受影响后也可能相继发生热失控,导致热失控蔓延,最终引发安全事故。

二、热扩散防护方法的研究与分析

1.改变电池结构

目前,改变电池结构也是比较常见的解决办法。一般来说,加厚电池结构可以提高电池的耐受性能。同时,还可以增加电池内部的接触面积,提高电池的散热效果。此外,还可以通过改变电池壳材质,提高整个电池的耐高温能力。

2.应用隔热材料

隔热材料的应用也是比较常见的热扩散防护方法。隔热材料不仅可以隔绝热量,还可以防止热量从电池内部逃逸。一般来说,聚氨酯、硅酸盐以及改性耐火隔热毡复合材料等都可以作为隔热材料。它们可以通过敷贴、补漏等方式,实现对电池的热量隔离。

3.利用冷却系统

利用冷却系统也是一个很好的热扩散防护方法。这种方法中,可以使用液冷、风冷等方式来降低电池的温度。目前,很多电动车都采用了液冷系统。电池散热片、风扇和润滑油等部件的应用,可以有效地将电池的温度控制在合理范围内。

4.智能控制

智能控制技术也可以帮助解决动力电池的热扩散问题。在电池管理系统中,可以预测电池工作状态,以及电池内部的温度变化。在电池发生热失控现象前,就可以进行预警,并采取措施控制电池温度。

三、热失控的对比方法

以上所述的热扩散防护方法中,每一种方法都有其优缺点。改变电池结构可以提高电池的耐受性能,但是需要加厚电池结构,增加重量,导致其能量密度变低。应用隔热材料可以隔绝热量,但是部件安装较为困难。利用冷却系统可以降低电池的温度,但是会增加电池的成本和复杂性。而智能控制技术可以预警和控制电池温度,但是需要支持较高的信息技术。

基于热失控的原因对防护方式进行分析 , 电池的选型虽然是关键的内因 ,但为保证电池整体性能和成本目标 , 内部料包的配比已基本确定 。 通过优化结构 、增强热防护等成为电池厂和整车厂改善热扩散性能的首选 。

在对电芯 、模组以及电池包级别测试后的电 池均进行拆解分析 , 通过拆解热失控测试 后的电池包 、模组以及内部的电芯 ,观察电池的防护设计 、结构件等 ,特别是电芯内部气道走向以及不同位置电芯的 烧损状态等 ,可以有效的评估发生热失控时 ,模组内 部的影响 。为优化前后模组热扩散测试后电芯内部的状态 ,依次是首包电芯(与加热片相 邻) 、中间位置电芯 、尾包电芯(远离加热片) 的状态 。

从对比电芯内部状态可以看出 ,优化前喷射的路 径比较分散 ,顶部 、两侧均有喷射的轨迹;且从电芯大 面来看 ,整个模组内的电芯燃烧的剧烈程度相当 。而优化后的模组 ,拆解后电芯内喷射的路径相对一致均 从顶部喷射孔的位置排出 ,且从贴近加热片位置到远 离加热片位置的电芯燃烧剧烈程度依次减弱 ,在最后 一包电芯内喷发留下的纹理比首包电芯的痕迹要模糊很多 。

四、电池包中隔热层布置

电池包内使用的隔热材料除了导热系数低之外,还需具备阻燃、绝缘、柔软杠高温和质量轻等特点。

德耐隆改性耐火隔热毡复合材料作为电池包的隔热层,德耐隆改性耐火隔热毡形状可根据实际需求进行裁剪加工,由于电池包内模组表面形状不规整,周边布置有高压铜排和低压线束,因此将保温层仿形粘贴在下箱体和上壳体内壁。

为了响应相关部门提出的“双碳”战略需求和相关部门发布的《2022年汽车标准化工作要点》。广州市绿原环保材料有限公司打造新能源热防护体系新材料,创新性地推出了“二氧化硅及陶瓷纤维材料”,可承受的温度范围在-200°C至1200°C之间。

社会的发展和新能源政策的相继落实,这意味着,不久的将来,国内的新能源汽车(包括乘用车和商用车),或将安装动力电池热失控探测及灭火装置。

近年来关于锂离子电池引发火灾甚至爆炸事故的报道屡见不鲜。锂离子动力电池在不同的环境温度下表现出不同的特性。高温环境下,动力电池在大倍率充放电过程中会发生剧烈的化学反应,产生大量的热量,如果动力电池产生的热量无法及时疏解会在动力电池内部积累导致动力电池温度升高,严重时可能发生爆炸。

目前,市面上部分复合隔热材料的温度上限一般只有650℃,难以达到新能源汽车电池800℃以上的隔热要求。广州市绿原环保材料有限公司的研发团队经过不断地试验及调剂配方,开发出具备阻燃、绝缘、柔软杠高温和质量轻等特点的改性耐火保温隔热毡复合材料---德耐隆Telite。

德耐隆Telite改性耐火保温隔热毡复合材料由二氧化硅及陶瓷纤维毡复合制备而成,同时还具备低导热率、低密度、可压缩、可回弹、不掉粉、不掉渣的纯无机材料,承受的温度范围达到-200°C至1200°C,可根据客户的真实环境应用需求,提供节能保温、防火阻燃、隔音降噪等功能的综合解决方案。

由于其导热系数低(不高于0.02W/m.k),穿选材料的热量不断弱化,材料低吸热性能保持低热量幅射输出水平,从而确保降低热量损耗(或侵入)。所以德耐隆Telite改性耐火保温隔热毡复合材料除应用于新能源汽车电池外,还可用于提高舰艇的动力装置热、声环境控制、隔热防护、减振降噪。同时,该材料广泛应用于石油管道、电子元件、航空航天等领域。

五、总结

目前动力电池追求高能量比、高安全性和低成本,对电池组装过程中的质量和安全性提出了更高的要求,无论是软包电池还是方形电池,其电池间的隔热材料均存在各种局限性,无法同时满足阻燃、耐酸碱、轻质量、高缓冲性能、绝缘及低成本等要求。德耐隆改性耐火隔热毡恰好实现热触发的吸热、灭火和隔热。基于德耐隆改性耐火隔热毡的多孔特性和内部具有纳米级空隙可以减慢热传导,提供最低的热传导值,抗热冲击。德耐隆改性耐火隔热毡的耐高温性能和超低热导率(0.02W/m.k)对电池热失控蔓延过程影响较大。通过对热失控传播过程的分析,我们发现在德耐隆改性耐火隔热毡热管理条件下,热失控具有“局部性”的特点,德耐隆改性耐火隔热毡能够保护电池模组内的电芯之间不受热失控产生的高温的影响。

热扩散是动力电池安全性的一个重要方面,在尝试各种防护方法的同时,我们也需要不断探索更优秀的解决方案。未来,可能会有更多的新技术出现,解决动力电池的热扩散问题,提高新能源汽车的安全性能。动力电池热防护的改善 ,在电芯性能相当的情况下 ,需要从模组与电池包的外部保护 、高温气体热传递方案 、能量释放 、内部绝缘防护等多角度进行考虑分析 。虽然目前国家针对动力电池包有明确的安全要求,没有对模组或者电芯级别定义热失控测试的 具体标准 ,从电池系统中小单元的优化 , 同样对于整个电池系统也会有更好的影响 。