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        排除復合材料電池殼的熱失控

        放大字體  縮小字體 發布日期:2022-08-08  來源:PT現代塑料  瀏覽次數:269
        核心提示:在優化電池性能時,要避免潛在的熱失控問題,為此,材料、電絕緣性和認證都是需要考慮的重要因素。搜索復制對電池構成最大威脅的
             在優化電池性能時,要避免潛在的熱失控問題,為此,材料、電絕緣性和認證都是需要考慮的重要因素。
         
            對電池構成最大威脅的是熱失控,因此,優化電池殼的熱性能至關重要(如圖1所示),這不僅可以防止熱失控的發生,還能減輕熱失控在整個電池包中的傳播。
        圖1 電池殼被用來容納電池單元,通過設計,還可以使其有助于防止和控制電池的熱失控(圖片來自Bold Valuable Technology)
         
            當超負荷或超溫等缺陷引起電池以高于散熱的速率產生熱量時,便會產生熱失控。升高的溫度會導致電池內部發生放熱化學反應,這會釋放熱量,從而進一步加劇放熱化學反應。這種連鎖反應還會擴散到鄰近的電池單元中,這通常會引起火災和電池的完全損壞,取決于嚴重程度,還會對車輛造成潛在的破壞。
         
            為防止和控制熱失控問題,需要將壓縮墊、電池模塊殼體和電池殼納入到電池設計之中。壓縮墊置于每個電池單元之間,可以防止一個電池單元的熱失控傳播到臨近的電池單元中。然后,將這些電池單元組合在一起,放入電池模塊殼體中,以避免熱失控擴散到其他模塊。最后,將這些電池模塊放入電池殼內,以保護車輛的其余部分免受熱失控的影響。
         
            取決于所使用的電池類型、冷卻要求、電池模塊的分布以及車輛和環境等應用條件,電動汽車電池殼的具體設計、形狀和尺寸會有很大的差異,但通常而言,電池模塊殼體包括:一個殼底、一個殼底、一個連接內部和外部部件的連接板以及使壓力保持均衡或者在熱失控期間用于釋放氣體的排氣閥。

        材料 
         
            用于電池殼的材料要具有高的熱性能、良好的力學性能,同時還必須輕質。傳統上,鋁和鋼一直是電池殼的首選材料,因為它們耐熱性高且適合大批量的生產。然而,重量高是金屬的一大缺點,尤其是用于混合動力和純電動汽車時,因為對于這類車而言,更輕的汽車重量意味著更高的能量密度和更長的續駛里程。目前,電池重量通常占車輛重量的50%。
         
            另一方面,復合材料提供了輕量化的替代方案,并在很多方面具有超越金屬的潛力。但是,由于其高度的復雜性和高成本問題,導致這種材料常常被忽視。最近,西班牙Bold Valuable Technology 公司(以下簡稱Bold)幫助一家賽車客戶開發了一種碳纖維增強聚合物(CFRP)的電池殼,原來的電池殼由鋁制成,重6.7 kg,CFRP 替代品則比之前的產品輕91%,僅重616g。
         
            為使電池殼獲得必要的熱性能和力學性能,采用的材料主要是碳纖維熱固性預浸料。碳纖維能為電池殼提供所需的強度和剛度,但需要預先浸漬高級的樹脂系統,如環氧樹脂。這些預浸料通常需要人工鋪層,且固化時間長,還需要熱壓罐,因此,用預浸料制造電池殼通常限于低產量的生產。
         
            雖然適合汽車應用的典型的工程熱塑性樹脂如聚酰胺和聚丙烯等能快速成型,從而適用于大批量的生產,但這些材料在高溫下的性能有限,因而不適合用于電池殼,而為了達到所需要的力學性能,就必須增大壁厚,這會增加重量。
         
            因此,Bold目前正在探索既擁有熱固性預浸料的高性能又具備熱塑性塑料的可制造性的新的材料概念,這種材料選項是可用于標準的注射成型工藝的玻纖增強聚碳酸酯基熱塑性塑料。
         
            復合材料的其他優勢是,能夠優化纖維取向,以滿足每種電池殼的特定負載要求。因此,在設計過程中,Bold主要利用有限元分析(FEA)來確定纖維取向和所需的鋪放層數(如圖2所示),以確保電池殼在輕質的同時還具有高強度和高剛性。
        圖2 Bold采用Hypermesh和Optistruct 軟件對用于電池殼的各向異性復合材料進行有限元模擬(圖片來自Bold Valuable Technology)
         
         
         
            然而,金屬的各向同性特性也能為電池殼帶來一些好處,通??蓪⑦@種優勢用于螺栓點附近。在將電池殼的一部分固定到另一部分的地方,可以將通常由鋁或鈦制成的金屬嵌件納入到層壓結構中,以為這些特定的位置提供額外的強度和剛度。
         
        電絕緣性
         
            在開發電池殼時,電絕緣性是另一個需要考慮的因素。碳纖維是導電的,因此可以將玻璃纖維層集成到層壓結構中,以使特定的電子元件保持電絕緣。
         
            為了確定所需的層數,Bold測試了多種玻璃纖維樣品的介電強度。其他可以使用的材料是Kevlar、Zylon和Dyneema,它們更加輕質,但只適用于常規應用,因為它們的玻璃化轉變溫度(Tg)要比玻璃纖維的低。針對每一種樣品,Bold應用了不同類型的樹脂基體,并使它們擁有不同的層數。Bold將樣品置于銅板之間并施加電壓,然后用材料允許通過的電流量(單位是安培)來測定材料的電阻。這些測試表明,決定介電強度的是樹脂的類型而不是纖維的層數。因此,只需要在碳纖維層壓結構中鋪放幾層玻璃纖維,就能有效地確保電池殼具有電絕緣性。
         
        認證
         
            為保證電池和電池殼的熱性能,在電池得到認證可以使用之前,必須確保其成功地通過各種安全測試和標準。第一項標準是UN38.8,它能夠證明鋰電池在運輸過程中的安全性。這項標準涉及8項測試,包括高空墜落模擬測試、熱性能測試、振動測試、沖擊測試、外部短路測試、沖擊和擠壓測試、過充測試和強制放電測試。此外,還需要根據ECE R100 REV2標準對電池進行認證,按照該標準要求,必須將鋰電池安裝到用于運輸人或貨物的4輪電動汽車上進行必要的測試。如果用于航空領域,還必須考慮其他標準,如DO311A和DO160G。
         
         
            如圖3所示,用于電池殼的復合材料需要滿足UL94易燃性安全標準,這涉及到幾個表面、垂直和水平燃燒測試,在這些測試中,材料要在特定的時間內數次承受一種可控的火焰。一旦將火焰移走,材料會繼續燃燒一段時間,燒穿或熔滴的量決定了材料是否達到V0 UL94、V1 UL94或V2 UL94 等級?;鹧孀詣酉绲乃俣仍娇?,表明材料的阻燃性越強,阻燃等級也就越高。V0 UL94是最高等級,這種等級的材料能在10s內熄滅,且無熔滴。
        圖3 滿足UL94阻燃標準的測試之一是使材料在特定的時間內遭受火焰燃燒(圖片來自Bold Valuable Technology)
         
         
            為確保其電池殼符合這些標準,Bold自己進行了全面的測試,包括力學性能測試、介電強度測試、可燃性測試和熱失控測試。然而,采用完全制造好的電池殼進行這些測試非常昂貴,因此可用材料樣品來代替。為了測試熱失控的效果,Bold將單個的電池單元放入一個容器中,并誘發熱失控,然后測量從電池單元中排出的氣體量,以此計算出由此產生的電池殼必須承受的壓力,如圖4所示。
        圖4 模擬電池的受熱情況(圖片來自Bold Valuable Technology)
         
         
            每一次測試獲得的數據都會反饋給模擬軟件,并將這些結果相互關聯起來,這使得對材料力學性能和熱性能的預測更加準確,從而使工程師在優化復合材料電池殼的層數、層的類型和層厚時更有信心。
         
         
        最大程度地提高熱性能
         
            最大程度地提高電池殼的熱性能是一個充滿矛盾的挑戰。一方面,應使用導熱材料,以便電池內部的熱量可以散發出去,降低溫度,減少熱失控的風險。然而,一旦熱失控開始,電池殼就需要用耐熱材料來隔離熱失控,防止在電池包中傳播。
         
            正常情況下,從電池單元中提取的熱量會被導向冷板,以確保整個電池處于正常的熱管理之中。而利用電池單元附近的熱界面材料來幫助提取電池的熱量并將其導向電池殼而不是附近的電池單元,則有助于在保證熱阻的同時平衡這種相互矛盾的導熱問題。在電池單元之間放置隔熱材料,可以避免熱量從一個電池單元傳到另一個電池單元。
         
         
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