德耐隆淺談動(dòng)力電池包保溫設(shè)計(jì)方案

　　新能源電動(dòng)汽車在行駛過(guò)程中能夠真正實(shí)現(xiàn)零排放，是綠色環(huán)保的交通工具，已成為我國(guó)發(fā)展新能源汽車的重要方向[1]。

　　新能源電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池作為電動(dòng)汽車核心部件之一，其性能直接影響電動(dòng)汽車的行駛里程。鋰離子電池因其比能量高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、自放電率低和綠色無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)[2]，成為新能源電動(dòng)汽車的首選動(dòng)力來(lái)源。然而，鋰離子電池在低溫環(huán)境下使用，能量和功率衰減嚴(yán)重。新能源電動(dòng)汽車“過(guò)冬”時(shí)，往往采取電加熱電池組方式[3-9]來(lái)維持適宜溫度，使電池組可以正常工作。但給電池組加熱時(shí)使用的是自身存儲(chǔ)的電能，當(dāng)耗掉一部分電能后，會(huì)縮短電動(dòng)汽車的續(xù)航里程。為了節(jié)能，冬季給電池包“穿衣”已成為必然趨勢(shì)。通過(guò)給電池包包覆保溫材料的方式，能夠有效地將低溫環(huán)境下電池使用時(shí)生成的熱量?jī)?chǔ)存起來(lái)，這樣，不用電加熱或短時(shí)加熱就能使電池維持在合適的溫度區(qū)間，提高電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的性能和使用壽命[10-12]。

　　針對(duì)某款動(dòng)力電池包，首先分析了其在低溫下的“痛點(diǎn)”和散熱路徑，在不降低模型精度基礎(chǔ)上，進(jìn)行了內(nèi)部保溫和外部保溫仿真設(shè)計(jì)和分析。

　　01保溫工況下電池包低溫“痛點(diǎn)”分析

　　新能源電動(dòng)汽車的低溫“痛點(diǎn)”是指靠近端板位置的電芯由于受到端板傳熱的影響，溫度較其他位置電芯要低，是重點(diǎn)保溫部位。圖2為保溫工況下電池包溫度分布云圖。仿真結(jié)果顯示，保溫工況下電池包的低溫“痛點(diǎn)”主要集中在靠近端板的位置，靠近端板位置的電芯溫度最低，這也是造成電池包整體溫差較大的主要原因。[13]

圖2保溫工況下電池包溫度分布

　　圖3為靠近端板位置的電芯散熱路徑示意圖，傳熱(散熱)

　　有三條路徑：

　　(1) 熱量通過(guò)電芯大面?zhèn)鬟f給端板，其中一部分通過(guò)端板傳遞給電池箱體，另一部分通過(guò)端板傳遞給冷板，然后通過(guò)冷板傳遞給電池箱體，兩部分熱量均通過(guò)電池箱體散失到環(huán)境中；

　　(2) 熱量通過(guò)電芯底面?zhèn)鬟f給冷板，其中一部分通過(guò)冷板傳遞給電池箱體，另一部分通過(guò)冷板傳遞給端板，然后通過(guò)端板傳遞給電池箱體，兩部分熱量均通過(guò)電池箱體散失到環(huán)境中；

　　(3) 熱量通過(guò)箱內(nèi)環(huán)境傳遞給上下箱體，然后通過(guò)上下箱體散失到環(huán)境中。[13]

圖3靠近端板位置的電芯散熱路徑示意圖

　　02保溫材料的選取要求

　　國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，將導(dǎo)熱系數(shù)不大于0.12W/(m·K)的材料稱為保溫材料，而把導(dǎo)熱系數(shù)小于0.05W/(m·K)的材料稱為高效保溫材料。保溫材料有隔熱棉、氣凝膠氈及真空隔熱板等，衡量一種保溫材料的好壞，并不能單獨(dú)考慮某一項(xiàng)指標(biāo)，而應(yīng)該考慮其綜合性能。[13]

　　選取依據(jù)

　　保溫材料選取的依據(jù)主要如下：

　　(1) 選材：一般以有機(jī)材料為主，優(yōu)選工程材料；

　　(2) 導(dǎo)熱系數(shù)：對(duì)于保溫材料來(lái)說(shuō)，導(dǎo)熱系數(shù)是評(píng)判保溫效果的關(guān)鍵因素，導(dǎo)熱系數(shù)越小，保溫性能越好，相應(yīng)的成本也就越高；

　　(3) 吸水率：吸水率是衡量保溫材料穩(wěn)定性的一項(xiàng)重要指標(biāo) ，水 對(duì) 導(dǎo) 熱 系 數(shù) 的 影 響 很 大 ，液 態(tài) 水 的 導(dǎo) 熱 系 數(shù) 為0.58 W/(m ·K)，一旦保溫材料含了水，導(dǎo)熱系數(shù)急劇增大，將嚴(yán)重影響保溫效果；

　　(4) 阻燃性：保溫材料的選取應(yīng)滿足阻燃等級(jí)的要求。

　　動(dòng)力電池系統(tǒng)中保溫材料按安裝位置來(lái)命名，可分為三大類：模組與箱體間的隔熱材料、電芯間的隔熱材料，以及箱體與空氣間的隔熱材料。表1為常見(jiàn)的保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)表。[13]

　　03動(dòng)力電池包內(nèi)部保溫設(shè)計(jì)

　　對(duì)電池包內(nèi)部所做的保溫主要考慮兩條路徑：(1)端板與靠近端板的電芯之間；(2)端板與下箱體之間。

　　電池包內(nèi)使用的保溫隔熱材料除了導(dǎo)熱系數(shù)低之外，還需具備阻燃、絕緣、柔軟杠高溫和質(zhì)量輕等特點(diǎn)。

　　德耐隆改性耐火保溫隔熱氈復(fù)合材料作為電池包的保溫層，其形狀可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行裁剪加工，由于電池包內(nèi)模組表面形狀不規(guī)整，周邊布置有高壓銅排和低壓線束，因此將保溫層仿形粘貼在下箱體和上殼體內(nèi)壁。

　　新能源汽車的電池包在低溫工況下的加入保溫層設(shè)計(jì)，采用德耐隆改性耐火保溫隔熱氈復(fù)合材料作為電池包內(nèi)的保溫材料，通過(guò)溫度試驗(yàn)測(cè)試，在-25℃的低溫工況下，裝有保溫層的電池包在降溫速度上明顯比沒(méi)有使用保溫材料的要相對(duì)減小，對(duì)于這個(gè)保溫設(shè)計(jì)方法在電池包內(nèi)具有較強(qiáng)的適用性， 能夠提高動(dòng)力電池在低溫環(huán)境地區(qū)的使用性能。

　　德耐隆Telite產(chǎn)品由二氧化硅及陶瓷纖維氈復(fù)合制備而成，產(chǎn)品內(nèi)部具有納米級(jí)空隙可以減慢熱傳導(dǎo)，同時(shí)通過(guò)阻擋三種熱傳導(dǎo)方式（對(duì)流，傳導(dǎo)和輻射）來(lái)完成耐熱保溫。由于其導(dǎo)熱系數(shù)低（不高于0.02W/m.k），穿選材料的熱量不斷弱化，材料低吸熱性能保持低熱量幅射輸出水平，從而確保降低熱量損耗（或侵入）。

　　外部升溫導(dǎo)致鋰離子電池內(nèi)部溫度不穩(wěn)定，進(jìn)一步提升內(nèi)部短路并損壞附近任何組件的風(fēng)險(xiǎn)。這僅發(fā)生在無(wú)內(nèi)部支撐的鋰離子電池身上。而內(nèi)部有銅質(zhì)支撐物的鋰離子電池，加熱超過(guò)250度，導(dǎo)致電池核心崩潰，進(jìn)而讓銅質(zhì)支撐物融化，內(nèi)部溫度超過(guò)1000攝氏度，熱量迅速向外擴(kuò)散，從而造成熱失控。

　　所以適當(dāng)使用隔熱阻燃材料的應(yīng)用有助于提高電池內(nèi)部的熱穩(wěn)定性。

　　為了響應(yīng)相關(guān)部門提出的“雙碳”戰(zhàn)略需求和相關(guān)部門發(fā)布的《2022年汽車標(biāo)準(zhǔn)化工作要點(diǎn)》。廣州市綠原環(huán)保材料有限公司打造新能源熱防護(hù)體系新材料，創(chuàng)新性地推出了“二氧化硅及陶瓷纖維材料”，可承受的溫度范圍在-200°C至1200°C之間。

　　社會(huì)的發(fā)展和新能源政策的相繼落實(shí)，這意味著，不久的將來(lái)，國(guó)內(nèi)的新能源汽車（包括乘用車和商用車），或?qū)惭b動(dòng)力電池?zé)崾Э靥綔y(cè)及滅火裝置。

　　近年來(lái)關(guān)于鋰離子電池引發(fā)火災(zāi)甚至爆炸事故的報(bào)道屢見(jiàn)不鮮。鋰離子動(dòng)力電池在不同的環(huán)境溫度下表現(xiàn)出不同的特性。高溫環(huán)境下，動(dòng)力電池在大倍率充放電過(guò)程中會(huì)發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生大量的熱量，如果動(dòng)力電池產(chǎn)生的熱量無(wú)法及時(shí)疏解會(huì)在動(dòng)力電池內(nèi)部積累導(dǎo)致動(dòng)力電池溫度升高，嚴(yán)重時(shí)可能發(fā)生爆炸。

　　目前，市面上部分復(fù)合隔熱材料的溫度上限一般只有650℃，難以達(dá)到新能源汽車電池800℃以上的隔熱要求。廣州市綠原環(huán)保材料有限公司的研發(fā)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)不斷地試驗(yàn)及調(diào)劑配方，開(kāi)發(fā)出具備阻燃、絕緣、柔軟杠高溫和質(zhì)量輕等特點(diǎn)的改性耐火保溫隔熱氈復(fù)合材料---德耐隆Telite。

　　德耐隆Telite改性耐火保溫隔熱氈復(fù)合材料由二氧化硅及陶瓷纖維氈復(fù)合制備而成，同時(shí)還具備低導(dǎo)熱率、低密度、可壓縮、可回彈、不掉粉、不掉渣的純無(wú)機(jī)材料，承受的溫度范圍達(dá)到-200°C至1200°C，可根據(jù)客戶的真實(shí)環(huán)境應(yīng)用需求，提供節(jié)能保溫、防火阻燃、隔音降噪等功能的綜合解決方案。

　　由于其導(dǎo)熱系數(shù)低（不高于0.02W/m.k），穿選材料的熱量不斷弱化，材料低吸熱性能保持低熱量幅射輸出水平，從而確保降低熱量損耗（或侵入）。所以德耐隆Telite改性耐火保溫隔熱氈復(fù)合材料除應(yīng)用于新能源汽車電池外，還可用于提高艦艇的動(dòng)力裝置熱、聲環(huán)境控制、隔熱防護(hù)、減振降噪。同時(shí)，該材料廣泛應(yīng)用于石油管道、電子元件、航空航天等領(lǐng)域。