談談電池系統熱管理材料的應用

動力系統一般主要由電池模組、電池管理系統BMS、系統以及一些電氣和機械系統等構成。目前影響新能源汽車大規模推廣應用的因素包括電池系統成本、續航里程以及電池系統安全性等。隨著新能源汽車技術的發展，安全性日益得到重視，動力鋰離子電池在過充電、針刺、碰撞情況下易引起連鎖放熱反應造成熱失控，造成冒煙、失火甚至爆炸等。同時動力電池的性能，包括能量密度、使用壽命受溫度變化影響，所以熱管理的重要性進一步體現出來。

一、熱管理的重要性

車輛在不同的行駛狀況下，單體由于其自身有一定的內阻，在輸出電能的同時會產生一定的熱量，使得自身溫度變高，當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。而電動汽車上的動力電池系統是由多個動力電池單體電芯構成，動力電池系統在工作過程中產生大量的熱聚集在狹小的電池箱體內，熱量如果不能夠及時地快速散出，高溫會影響動力電池壽命甚至出現熱失控，導致起火爆炸等。

目前國內的熱管理研究較多關注在散熱上，更準確地說是集中在電池系統箱體和模組層面上，比如液冷系統的應用。而在電芯層面上的隔熱防控并沒有過多關注。從動力電池系統的設計上可以看到，在進行熱管理系統設計時需要考慮到電芯單體和電池模組這兩個層次的結構。因此在電池系統的整體設計中就必須要考慮到電芯單體和電池模塊所在位置的溫度環境的影響。因此在設計電池模塊排列時，若單體電池之間排列緊湊且沒有散熱和隔熱措施的話，電池組在充放電時溫度會急劇上升，存在嚴重的安全隱患。

因此需要通過電池熱管理技術研究，加強電池的加熱和散熱能力，保證電池工作在合適的溫度范圍內和保持電池箱內合理的溫度分布。研究需要從單體級別的熱失控產生機理及特性方面逐步擴展到由單體熱失控觸發繼而傳播到整個電池系統的熱失控級別。

二、有無隔熱措施的區別

曾有研究表明在電池單體之間設置隔熱層，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，有利于失控單體產生的熱量在整個電池包內散熱，避免局部過熱。在《車用動力電池熱防護與散熱集成研究》中，設置四種方案進行熱失控時的熱性能分析，方案一代表電池單體間不添加任何散熱隔熱措施，方案二代表電池單體間安置隔熱板，方案三代表電池單體間安置熱管組，方案四代表單體間錯落安置隔熱板與熱管組。

對4 種方案下正常工況與熱失控時電池組的散熱與隔熱性能進行分析，對比驗證該集成系統的熱管理性能，并探究了隔熱板厚度對于熱失控傳播的阻隔作用結論如下：

(1)四種方案對比表明，方案二阻熱性能突出，可有效延緩熱失控傳播，但是散熱性能較差，僅僅依賴隔熱板和自然散熱無法滿足電池組熱管理需求。方案三散熱性能良好，但隨著放電倍率增大最大溫差驟升。同時，熱失控觸發后阻熱性能遠低于方案二和方案四。而方案四不僅大大增強了電池組的散熱能力和電池組內各單體溫度均勻性，其高隔熱性能還可有效阻斷熱失控傳播。

(2)通過改變隔熱板厚度，增強電池組散熱能力，可有效阻斷熱失控傳播。當隔熱板厚度由1mm增加到2mm時，在保證熱管正常工作的前提下，可將熱失控阻斷在隔熱板之前。

(3)合理的隔熱措施與冷卻方式相結合不僅能有效提高電池組工作溫度區間的穩定性，還能有效阻斷熱失控。

比較經典的是通用汽車公司 Volt的電池熱管理系統采用了液冷式散熱。在單體電池間設置有金屬散熱片(厚度為 1mm)，并在散熱片上留有毛細管結構，以便冷卻液能夠在毛細管內流動進而帶走熱量，實現散熱的目的。隔熱方案則采用了在電芯與電芯之間放置的方式。

三、泡棉的應用

電池系統和模組一般根據電芯的結構形狀來進行設計，電芯單體主要分為圓柱電芯和方形電芯以及軟包這三種。軟包電芯由于能量密度相對其他兩種高，所以在能量補貼政策的影響下軟包的應用也會相對增多。軟包的優點在于外部結構對電芯的影響小，電芯性能優良，封裝采用的材質質量要小。但缺點也很明顯，大容量電池密封工藝難度增加、可靠性相對較差。另外所采用的鋁塑復合封裝膜機械強度低，鋁塑復合膜的壽命制約了電池的使用壽命。

因此需要考慮到的是軟包在充放電時候的鼓脹，如果軟包與軟包直接長時間地摩擦有可能造成鋁塑膜出現破損造成電池失效乃至失控。因此泡棉在軟包電芯中間的應用顯得十分重要，表現為以下四個方面：

1、泡棉具有低硬度高回彈性質，能夠吸收電池鼓脹應力起到緩沖作用;

2、在電芯發送熱失控時，泡棉能起隔熱作用，抑制熱擴散，延緩事故發生;

3、在電芯發生起火時，泡棉的阻燃效果能夠延緩火勢蔓延，增加逃生時間;

4、泡棉具有極好的回彈性，壓縮比例較寬，可作為定位。

泡棉的種類有很多，包括PU，CR，EVA和PE等。在電池系統實際的應用過程中，發現只有能夠在長時間壓縮環境下還能夠保持足夠彈性恢復能力的泡棉比如PU適合用于軟包電芯之間，其他比如CR等在長時間壓縮后恢復能力變差導致模組結構出現散架的情況。因此在模組設計應用泡棉時需要考慮到泡棉的彈性模量以及回彈率等。

另外通過對VOLT模組結構的拆解分析，所應用的泡棉并沒有出現離火自熄現象，也意味著不是國標所要求的V0，這也是一個有趣的地方。也許是它隔熱能力相當不錯配合液冷系統的效果，能夠避免熱失控的出現。或者如果出現熱失控，反正已經燒了，阻燃也起不了太大作用，與其阻燃不如做好隔熱。