德耐隆淺談動力電池包保溫設計方案

　　新能源電動汽車在行駛過程中能夠真正實現零排放，是綠色環保的交通工具，已成為我國發展新能源汽車的重要方向[1]。

　　新能源電動汽車的動力電池作為電動汽車核心部件之一，其性能直接影響電動汽車的行駛里程。鋰離子電池因其比能量高、循環壽命長、自放電率低和綠色無污染等優點[2]，成為新能源電動汽車的首選動力來源。然而，鋰離子電池在低溫環境下使用，能量和功率衰減嚴重。新能源電動汽車“過冬”時，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。但給電池組加熱時使用的是自身存儲的電能，當耗掉一部分電能后，會縮短電動汽車的續航里程。為了節能，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境下電池使用時生成的熱量儲存起來，這樣，不用電加熱或短時加熱就能使電池維持在合適的溫度區間，提高電動汽車動力電池的性能和使用壽命[10-12]。

　　針對某款動力電池包，首先分析了其在低溫下的“痛點”和散熱路徑，在不降低模型精度基礎上，進行了內部保溫和外部保溫仿真設計和分析。

　　01保溫工況下電池包低溫“痛點”分析

　　新能源電動汽車的低溫“痛點”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，是重點保溫部位。圖2為保溫工況下電池包溫度分布云圖。仿真結果顯示，保溫工況下電池包的低溫“痛點”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) 熱量通過電芯大面傳遞給端板，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境中；

　　(2) 熱量通過電芯底面傳遞給冷板，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境中；

　　(3) 熱量通過箱內環境傳遞給上下箱體，然后通過上下箱體散失到環境中。[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

　　國家標準規定，將導熱系數不大于0.12W/(m·K)的材料稱為保溫材料，而把導熱系數小于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，并不能單獨考慮某一項指標，而應該考慮其綜合性能。[13]

　　選取依據

　　保溫材料選取的依據主要如下：

　　(1) 選材：一般以有機材料為主，優選工程材料；

　　(2) 導熱系數：對于保溫材料來說，導熱系數是評判保溫效果的關鍵因素，導熱系數越小，保溫性能越好，相應的成本也就越高；

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

　　(4) 阻燃性：保溫材料的選取應滿足阻燃等級的要求。

　　動力電池系統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熱系數表。[13]

　　03動力電池包內部保溫設計

　　對電池包內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。

　　電池包內使用的保溫隔熱材料除了導熱系數低之外，還需具備阻燃、絕緣、柔軟杠高溫和質量輕等特點。

　　德耐隆改性耐火保溫隔熱氈復合材料作為電池包的保溫層，其形狀可根據實際需求進行裁剪加工，由于電池包內模組表面形狀不規整，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壁。

　　新能源汽車的電池包在低溫工況下的加入保溫層設計，采用德耐隆改性耐火保溫隔熱氈復合材料作為電池包內的保溫材料，通過溫度試驗測試，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減小，對于這個保溫設計方法在電池包內具有較強的適用性， 能夠提高動力電池在低溫環境地區的使用性能。

　　德耐隆Telite產品由二氧化硅及陶瓷纖維氈復合制備而成，產品內部具有納米級空隙可以減慢熱傳導，同時通過阻擋三種熱傳導方式（對流，傳導和輻射）來完成耐熱保溫。由于其導熱系數低（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）。

　　外部升溫導致鋰離子電池內部溫度不穩定，進一步提升內部短路并損壞附近任何組件的風險。這僅發生在無內部支撐的鋰離子電池身上。而內部有銅質支撐物的鋰離子電池，加熱超過250度，導致電池核心崩潰，進而讓銅質支撐物融化，內部溫度超過1000攝氏度，熱量迅速向外擴散，從而造成熱失控。

　　所以適當使用隔熱阻燃材料的應用有助于提高電池內部的熱穩定性。

　　為了響應相關部門提出的“雙碳”戰略需求和相關部門發布的《2022年汽車標準化工作要點》。廣州市綠原環保材料有限公司打造新能源熱防護體系新材料，創新性地推出了“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。

　　社會的發展和新能源政策的相繼落實，這意味著，不久的將來，國內的新能源汽車（包括乘用車和商用車），或將安裝動力電池熱失控探測及滅火裝置。

　　近年來關于鋰離子電池引發火災甚至爆炸事故的報道屢見不鮮。鋰離子動力電池在不同的環境溫度下表現出不同的特性。高溫環境下，動力電池在大倍率充放電過程中會發生劇烈的化學反應，產生大量的熱量，如果動力電池產生的熱量無法及時疏解會在動力電池內部積累導致動力電池溫度升高，嚴重時可能發生爆炸。

　　目前，市面上部分復合隔熱材料的溫度上限一般只有650℃，難以達到新能源汽車電池800℃以上的隔熱要求。廣州市綠原環保材料有限公司的研發團隊經過不斷地試驗及調劑配方，開發出具備阻燃、絕緣、柔軟杠高溫和質量輕等特點的改性耐火保溫隔熱氈復合材料---德耐隆Telite。

　　德耐隆Telite改性耐火保溫隔熱氈復合材料由二氧化硅及陶瓷纖維氈復合制備而成，同時還具備低導熱率、低密度、可壓縮、可回彈、不掉粉、不掉渣的純無機材料，承受的溫度范圍達到-200°C至1200°C，可根據客戶的真實環境應用需求，提供節能保溫、防火阻燃、隔音降噪等功能的綜合解決方案。

　　由于其導熱系數低（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合材料除應用于新能源汽車電池外，還可用于提高艦艇的動力裝置熱、聲環境控制、隔熱防護、減振降噪。同時，該材料廣泛應用于石油管道、電子元件、航空航天等領域。