電芯是指單個含有正、負(fù)極的電化學(xué)電芯,一般不直接使用。區(qū)別于電池含有保護(hù)電路和外殼,可以直接使用。

目前主流的鋰電池電芯封裝分為圓柱電芯、方形電芯(又叫鋁殼電芯)、軟包電芯(又稱聚合物電芯)三種,它們的結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。在電池包設(shè)計中,單體電芯有序排列組成模組。

一、電芯間散熱和隔熱的必要性及區(qū)別

單體電芯由于其自身有一定的內(nèi)阻,在輸出電能的同時會產(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會影響電池的性能和壽命。電芯的最高溫度超過60℃時就潛在發(fā)生因過熱導(dǎo)致的電芯安全性問題,20~45℃是鋰電池電芯的理想工作溫度區(qū)間?？梢哉f,電池包所有的電芯中,最熱的電芯決定了整個電池包的安全,最冷的電芯決定了整個電池包的性能,一個電芯內(nèi)和電池包內(nèi)電芯間的最大溫差決定了整個電池包的壽命。為了提高電池包的安全性和長期使用性能,電池包中的熱管理系統(tǒng)必須保證電池包內(nèi)任一個電芯的溫度都不應(yīng)超過許可的最高工作溫度,同時電池包內(nèi)所有的電芯間的最大溫差及每個電芯的最大溫差都不大于5℃。因此,為了確保電芯間的溫度滿足上述要求,電芯間必須有良好的散熱裝置。電芯間的散熱通常是通過散熱片上中的冷卻液實(shí)現(xiàn)的。

電池包中電池能量儲存部分與能量轉(zhuǎn)化部分存在于同一空間,在過充電、針刺、碰撞情況下易引起連鎖放熱反應(yīng),造成冒煙、失火甚至爆炸等熱失控事故。熱失控是動力電池最嚴(yán)重的安全事故,直接威脅用戶的生命安全。近年來,針對電池包的熱失控傳播問題主要通過熱防護(hù)技術(shù)解決。除了在電池單體之間,電池模組之間以及電池箱與乘客艙之間也需要設(shè)置熱防護(hù),以提高熱失控電芯向電池其他系統(tǒng)傳熱的熱阻,從而達(dá)到阻礙熱失控蔓延的目的。目前動力電池系統(tǒng)熱失控的研究,主要側(cè)重于由單體電芯熱失控觸發(fā)繼而傳播到整個電池包的熱失控安全問題方面。這是因?yàn)楫?dāng)某單體電芯觸發(fā)熱失控時,會產(chǎn)熱量驟增,散熱量遠(yuǎn)小于產(chǎn)熱量,導(dǎo)致熱量向周圍電芯傳遞,會迅速引發(fā)周邊電池大規(guī)模熱失控,形成安全隱患。或者說,單體電芯的熱失控是整個電池包熱失控的源頭,因此,我們主要討論電芯間的熱防護(hù)。電芯間的熱防護(hù)是在電芯間增加隔熱層,以阻斷熱失控從失控單體電芯向周圍電芯傳播,降低電池包的損害以及附帶的破壞作用。

二、電芯間隔熱設(shè)計

2.1電芯間隔熱方式設(shè)計

對于電芯間的散熱問題,一些專利中提出了不同的設(shè)計方案。

Tesla公司在其公布的專利中,專利US7820319B2設(shè)計了一種電池單體間的熱屏障。在電芯的外殼或外殼雙層或內(nèi)殼等涂抹一層或多層絕緣膨脹材料,這種材料可以吸收熱量膨脹或變成焦炭狀,用于阻止熱的擴(kuò)散。可選用的膨脹材料有:石墨系膨脹型材料、熱塑性彈性體、陶瓷基泡沸材料、蛭石/礦物纖維基泡沸材料、多磷酸銨基泡沸材料。

Zee.Aero公司在專利US8993145B2提出了一種熱防護(hù)措施,通過在方形電池單體之間設(shè)置隔熱層,阻斷失控單體向臨近單體傳熱,同時,隔熱層不完全封閉,單體之間留有對流通道,有利于失控單體產(chǎn)生的熱量在整個電池包內(nèi)散熱,避免局部過熱。

上述專利雖然通過熱隔層達(dá)到了熱失控的阻隔目的,但由于隔離層的添加容易導(dǎo)致電芯間散熱性能降低,一般的冷卻系統(tǒng)很難滿足散熱的需求。

文獻(xiàn)(AppliedThermalEngineering,2016,106:131-140)提出了一種結(jié)合熱防護(hù)和散熱的復(fù)合板熱管理系統(tǒng),復(fù)合板由相變材料和隔熱板組成,分析了正常工況下電池組的散熱性能,同時以10℃工況為例,分析了復(fù)合板散熱與隔熱性能。不足的是,為了達(dá)到散熱效果,復(fù)合板的厚度為10mm,同時相變材料吸收的熱量不易釋放,影響冷卻效果。

為了解決上述缺陷,有些研究將隔熱板和熱管組錯落安置于電芯單體間,結(jié)果證明,這種方案不僅大大增強(qiáng)了電池組的散熱能力和單體電芯間溫度的均勻性,而且還可有效阻斷熱失控傳播。通用汽車的Volt電池管理系統(tǒng)就是在上述模型的基礎(chǔ)上改良,在電池包的設(shè)計中,Volt單體電芯間設(shè)置金屬散熱片(厚度為1mm)作為熱管組,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。

2.2電芯間隔熱材料選擇

單體電芯間的隔熱材料,作為一種能夠有效延緩或阻斷單體電芯熱失控向整個電池系統(tǒng)的傳播的一種熱防護(hù)材料,必須具備以下幾種條件:

a.阻燃(達(dá)到V0等級)

b.耐老化,化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定;

c.不產(chǎn)生有毒氣體;

d.彈性好,導(dǎo)熱系數(shù)低,防水防潮防振動;

e.質(zhì)輕價低厚度薄

目前常采用的隔熱材料有泡沫塑料、超細(xì)玻璃棉、高硅氧棉、真空隔熱板、氣凝膠等。

結(jié)合上述隔熱材料的選擇條件,及常用隔熱材料的優(yōu)缺點(diǎn),具有阻燃性能的、特定材質(zhì)的、柔軟的泡沫材料(即泡棉)完全符合上述要求,這是因?yàn)?

a.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;

b.在電芯發(fā)送熱失控時,泡棉能起隔熱作用,抑制熱擴(kuò)散,延緩事故發(fā)生;

c.在電芯發(fā)生起火時,泡棉的阻燃效果能夠延緩火勢蔓延,增加逃生時間;

d.泡棉具有極好的回彈性,壓縮比例較寬,可作為定位。

由于鋰離子電池的使用壽命為5~8年,因此在選擇單體電芯間的隔熱材料時,其使用時間必須大于電池的使用壽命,因此我們可以選擇泡沫硅橡膠作為單體電芯間的隔熱材料。

2.3泡沫硅橡膠

泡沫硅橡膠是硅橡膠經(jīng)過發(fā)泡后制成的一種柔性、多孔高分子彈性材料,是將硅橡膠與泡沫材料的特性結(jié)合于一體的新型高分子材料。泡沫硅橡膠材料具有良好的熱穩(wěn)定性、絕緣性、隔熱性、抗震性和耐高溫沖擊等性能,尤其是在高頻下的抗震性好,耐老化性好,壽命>10年,可作為夾層的填充材料。

東莞市廣邁電子科技有限公司生產(chǎn)的TS系列泡沫硅橡膠采用液體發(fā)泡技術(shù),導(dǎo)熱系數(shù)為0.09~0.14W/(m·K),具有優(yōu)異的回彈性能和長期工作的穩(wěn)定性,長期反復(fù)壓縮反彈力保持良好,是單體電芯間隔熱襯墊的理想選擇,具體性能參數(shù)見表3。泡沫硅橡膠作為電芯間填充材料,其柔軟性可吸收電芯的熱脹冷縮;其反復(fù)壓縮反彈力可為電芯提供長久的彈性支撐;其較低的導(dǎo)熱系數(shù)可阻止熱失控向周圍電芯的蔓延。同時,這種材料滿足UL94V-0和HF-1的防火等級,在電芯失控失火時,可以延緩火勢的蔓延。

電芯間隔熱方式和材料的設(shè)計和選擇,對于防止單體電芯熱失控,提高電池包的安全性具有重要作用。目前新材料的開發(fā)及應(yīng)用,如相變材料(PCM)通過相變吸收熱量而保持溫度不變,增加了電芯隔熱材料選擇。隔熱材料的選擇需要平衡安全性和成本投入,具體的應(yīng)用方案需要通過仿真結(jié)果來評估。