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、自放電率低和綠色無污染等優(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“過冬”時(shí)，往往采取電加熱電池組方式[3-9]來維持適宜溫度，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。通過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)生成的熱量儲(chǔ)存起來，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) 熱量通過電芯大面?zhèn)鬟f給端板，其中一部分通過端板傳遞給電池箱體，另一部分通過端板傳遞給冷板，然后通過冷板傳遞給電池箱體，兩部分熱量均通過電池箱體散失到環(huán)境中；

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

　　(3) 熱量通過箱內(nèi)環(huán)境傳遞給上下箱體，然后通過上下箱體散失到環(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)于保溫材料來說，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，通過溫度試驗(yàn)測試，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)通過阻擋三種熱傳導(dǎo)方式（對(duì)流，傳導(dǎo)和輻射）來完成耐熱保溫。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，國內(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及滅火裝置。

　　近年來關(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)過不斷地試驗(yàn)及調(diào)劑配方，開發(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。