探索动力电池热防护的奥秘

长续航里程和短充电时间对电动汽车（BEV）的用户来说起着重要作用。这需要具有高性能的锂离子电池系统。热失控是此类电池的固有风险，其潜在后果是严重的车辆损坏或乘客受伤。欧瑞康已经开发出将这种过程的影响降至更低的解决方案。

电动汽车的市场接受度在很大程度上取决于性能和车辆成本。动力电池是一个重要的性能驱动因素，也是一个主要的成本贡献者。因此，在短开发周期内持续提高驾驶性能和降低成本对于市场成功至关重要。

对高续航里程和短充电周期的期望要求电池具有高能量密度，这意味着需要在高性能镍锰钴（NMC）电池类型中采用紧凑的电池封装。这类电池的固有风险是热失控（TR），这是一种电池在活性物质放热降解过程中的自热，导致高温导电反应气体通过电池爆喷口爆炸性释放。当电池温度超过临界极限时，会触发自热。过热可能是由内部或外部短路（污染或碰撞）、外部加热、过度充电或冷却系统故障引起的。

如果没有热防护设计，该事件会让热失控电芯的热气流向相邻电池传导热量，或由于电弧而点燃导电气体，从而触发其他电芯中的热失控。这种连锁反应被称为热蔓延（TP），这会对电池或车辆造成严重损坏，在最坏的情况下，还会对乘客造成致命后果。热失控的风险可以通过设计最小化，但不能完全消除。需要一个安全设计来避免热蔓延及其灾难性后果。

安全设计及所需零部件

隔热罩或隔热板、热气导向部件和电芯间隔热片等耐热产品提高了电池系统的安全性，如图1所示。隔热板通常位于电池爆喷口和电池盖或电池外壳的其他部分之间，保护它们免受来自热失控电芯载有颗粒的热气流的直接影响。隔热罩需要承受粒子轰击产生的机械应力和热气产生的热应力。此外，被保护部件的温度必须保持在一定限度以下，例如部件熔化温度，同时还需要绝缘功能。

图1：电池电动汽车安全概念的热防护产品

热气导向部件将热气（包括导电颗粒）从电池爆喷口引导到非关键区域，并且在高压（HV）部件之间建立电绝缘屏障。这消除了不同电压电位的高压端子之间产生电弧的风险。

电芯之间的隔热片抑制了从一个电芯到相邻电芯的热蔓延。除了隔热功能外，电芯间隔热片还应能够补偿电池在寿命期间的膨胀，以及充放电过程中的呼吸，同时最大限度地减少电池组上的压力。分离器确保电池上的压力保持在循环稳定的最佳范围内。

图2：热失控的影响和安全部件的重要性

热失控对乘客和车辆的影响取决于具有一个、两个或所有上述部件的安全设计的有效性。我们可以定义四个严重程度级别，如图2所示。

● LEVEL 1
这一水平为安全疏散乘客提供了足够的时间。10分钟（典型时间范围）内，电池包外不允许有火或烟。具有良好隔热性能的隔热罩可保护电池包的机械完整性，有效的气体引导可在热链式反应的初始阶段防止激发电弧。然而，这最终将导致车辆全损。1级是联合国第20号全球技术法规（电动汽车安全（EVS））的最低法律要求，许多国家都采用了该法规。

● LEVEL 2
热蔓延被管控，损坏仅限于电池包。乘客有足够的时间安全疏散；然而，在电池包外部可能会观察到一些烟雾。具有高隔热性的改进型电芯间隔热片中断了热链式反应。绝缘隔热罩以及1级所述的气体和颗粒导向装置达到了安全设计。车辆将被拖走进行维修，并且可以更换电池。

● LEVEL 3
阻止热蔓延或零热蔓延概念可防止热失控的任何升级。驾驶员将收到电池故障的通知，但不需要疏散。电池之间的高效隔热消除了热链式反应。该事件被隔离到一个电芯。因此，隔热罩和气体导向的作用会减弱。可以拖动车辆修理电池。

● LEVEL 4
除了3级，这里的电池管理系统仍然允许车辆行驶到可以维修电池的位置。

工程化安全解决方案

电池系统的概念和设计是多样化的，这取决于制造商的策略和偏好。它从电池化学成分开始，如磷酸铁锂、镍锰钴或新型钠离子电池，以软包、圆柱、方形等形式组合电池包，包括电芯到模组、电芯到电池包以及电芯车身一体化。每个电池系统都需要一个独特的安全设计和工程组件相结合。隔热系统（TIS）是隔热材料与智能设计的结合。

优秀的热防护系统的基础是隔热材料，即满足物理、化学和机械性能的工程复合材料。最重要的是高耐热性，因为材料在热失控甚至热蔓延期间应尽可能长时间保持完整。

优秀解决方案的另一个因素是设计。设计的组件应满足电池组件的特定安全要求，同时轻便且节省空间。安全设计应该是电池设计的一个组成部分，从开发的早期阶段就要考虑。

● 隔热板
欧瑞康的隔热板是由多层材料结合特定的设计理念开发而成的。它们具有高达1400℃的耐高温性，抵抗热气颗粒冲击的高机械强度，以及良好的隔热性。材料由耐热矿物纤维复合材料制成，与其他成份结合用于机械增强。添加隔热层可实现隔热性能。在1400℃的火焰温度下，冷侧温度从1000℃以上降至400℃以下，如图3所示。量身定制的隔热板也可以设计有局部隔热层，用于温度关键区域或高热影响区域，例如电池压力爆喷口上方。

图3：隔热层将耐热材料升级为隔热罩

最薄的隔热板厚度仅为1.2毫米，可抵抗颗粒冲击至少15秒，同时将外部温度限制在400℃以下。典型的低重量材料（如铝或片状模塑复合材料）的温度限制不会被超过。通过加入额外的材料层，提高针对高性能电芯的耐颗粒物冲击和隔热性能以及热蔓延情况下多次爆喷保护。这种隔热板的隔热性能如图3所示。因此，这些隔热板超过了各种类型电池配置的要求。该材料可以三维成型，以生产整片式隔热板。它可以遵循外壳的轮廓，以最大限度地扩大覆盖范围，保护所有关键区域，并使其能够紧密集成到现有架构中。

● 可控的热气导向
负责热气导向的组件在爆喷单元热气流导向方面起着至关重要的作用。它们的主要功能是通过防止导电粒子到达关键部件和区域来保护它们。关键区域包括带电、非绝缘表面及其之间的空间。热气导向产品通过疏导导电的气流来实现这一点，该产品在提供热阻保护的同时建立了电绝缘屏障。

为了获得有效的性能，用于热气导向元件的材料必须耐热到能够承受热气流的程度，同时还需要电绝缘性能和机械稳定性。这确保了在TR事件期间有足够的通道保持完整性。理想的选择是改性多层材料复合，与用于隔热板的材料类似。

然而，关键在于热气导向结构内热气体入口的设计。当电池完好无损时，这些开口必须保持关闭，但在爆喷事件中必须立即打开。为了满足这一要求，特殊配置的机械结构覆盖了爆喷口，并且仅在热失控事件时触发。触发开启机构可以根据高温、爆喷压力或两者的组合进行设计，如图4所示。机械压力触发可以通过热气导向部件中的预定断裂点来实现；触发压力可以通过断裂点的强度来调节。由热敏膜保持关闭的开口是热触发的，其触发温度取决于膜材料。

压力触发打开机械结构可以有效地直接放置在电池爆喷口上方，以拦截初始气体脉冲。相比之下，温度触发的打开机械结构可用于爆喷位置不太可预测的软包电池。这种自适应方法允许定制系统特性，以匹配特定类型的电池单元及其爆喷行为。

● 电芯间隔热片
电芯间隔热片主要阻止从一个电芯到相邻电芯的热传递。阻止热蔓延或零热蔓延概念要求电芯的温度不应超过100℃；这是触发热失控的温度。先进的电芯隔热片具有弹性特性，可以补偿电芯呼吸和电芯膨胀，以及电芯组的组装公差。所需的热和机械性能无法仅通过云母复合材料、气凝胶羊毛或泡棉等分散材料来实现，需要一个配套的设计组件来实现薄电芯间的隔热。

图4：热气疏导元件爆喷口的触发选项

图5：多功能电芯间隔热片的机械模型

先进的电芯间隔热片设计提供了两个具有不同弹性特性的区域，如图5所示。由弹性体材料制成的实心框架补偿了电池堆在组装到模组或电池组中时的尺寸公差；肋骨结构在中心提供较低的弹性以补偿肿胀/呼吸。该概念允许对实心框架和肋结构进行独立的尺寸调整，从而使弹性特性能够适应装配情况和单元特性，如图5中的机械模型所示。

图6：多功能电芯间隔热片的热和机械特性

图6展示了具有不同肋部设计的两个样品的热和机械特性的结果。隔热性能几乎相同：尽管热侧的温度在200秒内从环境温度升高到700℃，但两个样品都将冷侧的温度限制在<100℃。两种设计都允许在对电池循环稳定性至关重要的典型压力限制下压缩至少0.45毫米（最小0.05兆帕，最大1兆帕）。组装厚度在1.4至1.6毫米之间，这意味着压缩性超过30%。

然而，机械特性明显不同：设计1的压力-厚度梯度大约是设计2的两倍。设计1比设计2“更难”。在1.8至2.0毫米的较大隔热片厚度下，压缩性可能会增加50%以上。

作者：Marcus Spreckels博士，欧瑞康热防护系统技术负责人；Andrew Raistrick，欧瑞康电池/TIS工程和电动汽车安全系统经理
本文来源：ATZ worldwide杂志

来源：荣格-《国际汽车设计及制造》

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