电池包箱体隔热保温分析

  本站   2019-09-21 次浏览

电池包箱体，作为整个电源系统的承载，我们期望它发挥什么样的作用？一般认为需要实现下面几点功能：

  防护等级，我们常说的IP等级，防尘防水性能，目的是为了避免灰尘和水对电池包内部的电芯、电气元件、控制系统电路板等造成绝缘性能的影响，对金属器件的腐蚀；

  结构保护功能，形成一个封闭可控的空间，使得内部的元件避免受到外力的挤压，保护电芯不会受到物理损伤，不发生变形，在有限冲击和振动环境中不会发生内部短路。有人提出一个名词“锂离子电池机械完整性”指电池在受到机械过载条件下维持电池正常电化学功能的性质。可以说，锂离子电池机械完整性，是电池包箱体结构防护功能的终极目的了。

  热防护功能，在有限空间内，减小甚至隔绝外界环境温度对电池箱体内部电芯和电气性能的影响，维持合理的工作温度，最大化发挥电池性能，延长电池寿命。

  1 电池箱体保护功能缺失或者不完善，有怎样的影响？

  防护等级，达不到防尘防水要求，则电芯和电气元件的环境条件处于不可控状态。在一般工作环境中，过量的尘埃，会降低电器件绝缘性能。与之关联的，电气间隙和爬电距离，防护等级低的系统中，需要预留更大余量。湿度过高，除了对绝缘性能产生影响以外，还会引起锂电池的自放电率上升，导体更容易腐蚀。进而系统内阻上升，充放电过程中，将有更多的电量转化成欧姆热消耗掉。

  电动汽车尤其乘用车对于防护等级的要求，还有一个更为要紧的考量，就是保证电池包在车辆涉水过程中的安全。乘用车的底盘比较低，而电池包自重很大，大部分都布置在底盘下面。这就使得它几乎成了电动汽车上，除了轮胎以外，距离地面最近的部分。遇到大雨天气，电池包从泡泡水是很有可能发生的。一旦电池包内部进水，后果非常严重。电池短路，产生大量反应热，引发锂电池热失控，短时间释放更大能量，发生着火甚至爆炸也是非常有可能的。

  结构防护，这个含义比较宽。首先是固定，电芯串并在一起，通过结构件形成模组；模组串联形成一个完整的高压电源。这心电芯、电气元件、电连接器件，物理位置都必须是相对固定的，才能确保各自具备合理空间不至于发生挤压、变形。因此，机构保护需要实现对内部器件的完全可靠的固定功能。其次，是箱体不能有过量的变形。箱体变形必然带来对内部器件空间的挤压，单体电芯的形变，意味着内部正负极的距离发生变化，设置直接贴合到一起，这就是内短路，后果必然会走到热失控。最后，是箱体不能出现物理损伤。也就是电池包箱体不能因为外力外物的作用，自己破裂了，甚至外物直接穿过箱体进入了电池包内部，这肯定是结构防护的失效。曾经出现过这样的案例，一台电动汽车在路上开着开着，系统就报警了，强制停在路边。后来检查发现，有一个头部不规则的铁棒恰好被前面的车辆压过弹起一定高度，待这两车经过，直接插进电池包内部，一个典型的电池包箱体刺穿的故事。

  热防护，这里的热防护，需要由箱体、热管理系统甚至需要隔热层设计等协同完成。电池包箱体，在这里起到的作用就是提供一个有限空间。锂电池一般的工作温度范围在-20℃-50℃之间，如果在这个范围以外的温度下工作，则会对电池带来伤害。温度过低，充放电能力变差，如果强行充电更是会影响电池寿命。温度过高，越过一个界限（一般认为这个界限是电芯隔膜的溶解温度），电池将不可挽回的发生热失控事故。因此，给锂电池提供合适的工作温度，不但是发挥其最佳性能的需要，更是安全的需要。

  2 电池包箱体通过怎样的手段，去实现以上三种功能性要求？

  防护等级

  对动力电池包，防护等级要求 IP67，这是针对标准《GBT 31467.3-2015 电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统 第3部分 安全性要求与测试方法》海水浸泡的要求来的。IP67具体要做到什么程度呢？6表示防尘等级，解释为“尘密”，金属线无法进入；7是防水等级，解释为“短时间浸水”。

  实现防护等级的方法，主要是对电池包箱体和上盖之间的接缝对接方式的设计和处理，并需要注意很多加工制造的细节对密封性的影响。

  1）预留的防爆通风孔，用防水单向阀封堵；

  2）电池箱体的上盖，下底都不能出现漏洞、缝隙，比如穿透箱体采用螺栓连接的形式基本就不能用了；

  3）高低压连接器安装方式防护等级必须大于等于电池包的防护等级；

  4）最主要也是最难的部分是设计上盖和下底之间接触面的密封形式。不同材质的箱体，具体密封形式也不完全相同。钣金箱体，大多采用钣金凹造型配合密封圈、密封泡棉等密封件的形式，也有的直接采用密封胶处理。铸造箱体，可以在铸件上设计密封槽，配合密封圈，一致性比较好。需要说明的是，选择具体密封造型和密封垫材质的时候，除了考虑当前密封效果，还需要考虑整个密封结构的寿命、加工制造的便捷性以及维修拆装的可能性。

  结构防护

  内部器件固定的可靠性，考察的是固定结构设计的强度、刚度，是每一个固定方式的设计过程决定的；箱体整体的变形量，主要影响因素是电池包的在车体上的固定方式和箱体结构设计的强度和刚度共同决定的；最后，抵御外物冲击的能力，这个纯粹是电池箱体暴露面的材质强度决定的。有人专门给容易遭受外物袭击的位置设计装甲保护层。

  热防护功能

  热管理系统的选择，在很多系统中都与防护等级存在矛盾，在电池包这里也不例外。如果没有人为干预，密封性越好，散热冷却的性能就越差。在防护等级有强制要求的情况下，热管理需要在既定的防护等级基础上进行设计。

  在早期电池包中，最常用的冷却方式是风冷。风冷自然需要电池包内部空气与大气发生对流才行，因此，不可能实现现在的IP67的防护等级要求。因此现在的电池包，基本不能再考虑纯粹的风冷方案（也有例外，据说有研究设计了遇水可以自行封闭通风口的风冷系统，这个还比较高科技，暂时没有在实际中应用）。

  冷却的方式很多，相变材料冷却，热管冷却等都有人在进行研究试验。但当前比较主流的还是水冷系统。有研究人员做过统计，绘制了一张表格，体现了当前一些主流国际车型的冷却方案，如下表所示。

  轻量化

  除了前面三大类要求以外，还有一个近年被越来越强调的追求，轻量化。电池包的一个摆在明面的考核指标就是系统能量密度，系统功率密度。这类指标，要求不能存储能量的部分，重量越小越好。进而出现了很多替代传统钣金箱体的方案，除了已经被人们熟知的铝合金箱体以外，还有碳纤维箱体、玻璃钢箱体、特种塑料箱体等等，多种用于车身的替代材料，都在被研究应用于电池包箱体的可能性。这些新材料，在批量不够的情况下，成本都非常高。另外，箱体质量的减少，或多或少会带来结构强度的降低，需要我们在两者之间做出权衡取舍。

  1 刘元强，纯电动汽车电池包结构设计及特性研究；

  2 李东锋，纯电动汽车电池包密封结构研究；

  3 GB/T 31467.3-2015 电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统 第3部分 安全性要求与测试方法；

  4 李明秋，电池包箱体的有限元分析和结构优化设计。