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電池知识

電芯間散熱和隔熱的必要性和區别是什麼?電芯間隔熱方式設計是怎麼樣的?

来源:未知    2019-03-26 12:51    點擊量:

電芯間散熱和隔熱的必要性及區别

 

單體電芯由于其自身有一定的内阻,在輸出電能的同時會産生一定的熱量,使得自身溫度變高,當自身溫度超出其正常工作溫度範圍間時會影響電池的性能和壽命。電芯的最高溫度超過60℃時就潛在發生因過熱導致的電芯安全性問題,20~45℃是股票配资世界電芯的理想工作溫度區間。可以說,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,一個電芯内和電池包内電芯間的最大溫差決定了整個電池包的壽命。为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必須保證電池包内任一個電芯的溫度都不應超過許可的最高工作溫度,同時電池包内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,为了确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現的。

 

電池包中電池能量儲存部分與能量轉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,造成冒煙、失火甚至爆炸等熱失控事故。熱失控是动力電池最嚴重的安全事故,直接威脅用户的生命安全。近年来,針對電池包的熱失控傳播問題主要通過熱防護技術解決。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置熱防護,以提高熱失控電芯向電池其他系統傳熱的熱阻,從而达到阻礙熱失控蔓延的目的。目前动力電池系統熱失控的研究,主要側重于由單體電芯熱失控觸發繼而傳播到整個電池包的熱失控安全問題方面。这是因为當某單體電芯觸發熱失控時,會産熱量驟增,散熱量遠小于産熱量,導致熱量向周圍電芯傳遞,會迅速引發周邊電池大規模熱失控,形成安全隐患。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,我們主要讨論電芯間的熱防護。電芯間的熱防護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。

 

電芯間隔熱設計

 

1、電芯間隔熱方式設計

 

對于電芯間的散熱問題,一些专利中提出了不同的設計方案。

 

Tesla公司在其公布的专利中,专利US 7820319 B2設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内殼等塗抹一層或多層絕緣膨脹材料,这種材料可以吸收熱量膨脹或變成焦炭狀,用于阻止熱的擴散。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、多磷酸铵基泡沸材料。

 

为了解決上述缺陷,有些研究将隔熱闆和熱管組錯落安置于電芯單體間,結果證明,这種方案不僅大大增強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電池管理系統就是在上述模型的基礎上改良,在電池包的設計中,Volt單體電芯間設置金屬散熱片(厚度为1 mm)作为熱管組,并在散熱片上留有毛細管結構,以便冷卻液能夠在毛細管内流动進而帶走熱量,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泡棉的方式。

 

2、電芯間隔熱材料選擇

 

單體電芯間的隔熱材料,作为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的傳播的一種熱防護材料,必須具備以下幾種條件:

 

a.阻燃(达到V0等級)

b.耐老化,化学性質穩定;

c.不産生有毒氣體;

d.彈性好,導熱系數低,防水防潮防振动;

e.質輕价低厚度薄

 

目前常采用的隔熱材料有泡沫塑料、超細玻璃棉、高矽氧棉、真空隔熱闆、氣凝膠等,各種隔熱材料的优缺點如表2所示:

 

 

 

 

結合上述隔熱材料的選擇條件,及常用隔熱材料的优缺點,具有阻燃性能的、特定材質的、柔軟的泡沫材料(即泡棉)完全符合上述要求,这是因为:

 

a.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;

b.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;

c.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;

d.泡棉具有極好的回彈性,壓縮比例較寬,可作为定位。

 

由于锂離子電池的使用壽命为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矽橡膠作为單體電芯間的隔熱材料。

 

3、泡沫矽橡膠

 

泡沫矽橡膠是矽橡膠经過發泡後制成的一種柔性、多孔高分子彈性材料,是将矽橡膠與泡沫材料的特性結合于一體的新型高分子材料。泡沫矽橡膠材料具有良好的熱穩定性、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,可作为夾層的填充材料。

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