“热”对PACK电池包结构设计的影响

电池包由ｎ个锂电池单体经过串并联组成，锂电池是电池包内热量的主要来源，但其又对温度极其敏感，超过或低于一定温度则会造成锂电池工作异常基至起火燃烧，造成不可逆的严重危害，因此研究热对结构设计的影响因素，均衡热量，为锂电池提供最佳的工作环境温度是必不可少的。

以三元锂电池放电为例，实验数据表明，虽然三元锂电池的放电时的工作温度区间在-２０℃～６０℃之间，但不同温度范围内其内部正负极活性物质活跃程度不同，表现出来的容量也不相同。

• 当温度在-40℃时，电池容量衰减至额定容量的1/3；

• 当温度在-20℃时，电池容量是额定容量的70％；

• 当温度在0~60℃之间，电池容量为额定容量的80%~120%；

• 当温度在20℃～50℃，温差在５℃之内，电池容量为额定容量的100％。

电池容量越低，表现出电池放电的时间越短，所以会有冬天电动车的电量不经用，掉电很快的现象，殊不知锂电池最优的工作温度是在20℃～50℃±5℃的范围内。

锂离子电池对温度环境比较敏感，温度太高会严重影响电池的充放电性能和很多特性参数，例如内阻、电压、SOC、可用容量、充放电效率和电池寿 命 等。如图所示为温度与电池热失控演变过程（图1）。

当电池温度达到50~110℃区间时锂电池电解液分解，在80~140℃温度之间正极SEI膜分解，在140~240℃温度之间负极SEI膜分解，160~270℃负极材料分解，当电池温度超过250℃时电池热失控，产生着火、爆炸。

过充电、低温充电、水浸泡、电池内部短路、机械撞击穿刺等因素都会引发热失控，而且像三元锂电池在热失控过程中自身会分解氧气，故消防车、灭火器等灭火装置是无计可施的，所以此类安全事故比一般的火情后果更加严重。

PACK结构设计中最关键的一项技术是电池热管理。

电池热管理是根据温度对电池性能的影响，通过合理的设计解决锂电池在温度过高或过低情况下工作而引起热散逸或热失控问题，以提升电池整体性能的一门技术。

电池热管理涉及传热学、材料学、机械结构等多学科耦合设计，最终目的是保持Ｎ个电池单体温度一致，进而控制电池性能的均匀性。

电池组内单体间温度的均匀性是影响电池性能的重要因素。单体温差产生的主要原因是单体散热量在空间上的不均匀，虽然目前对于电池组内单体间的温差控制在多少度还没有一个明确的值，但这种温差范围应该尽量小，建议在实际应用中不大于５℃。

控制电池温度主要有自然冷却、强制风冷和液体冷却。电池散热都是依靠自身与介质对流换热、热传导、热辐射的形式降温，相比之下自然冷却散热效率最低，强制风冷的散热效率是自然冷却的5倍，液冷是自然冷却的75倍，例如特斯拉采用乙二醇和水各50％比例作为冷却介质环绕在电池周围的散热方式。

PACK结构设计应在串并联的基础上合理布局，设计风道、液体流道，通过设置不一致的风压风量和流体流量压力保证各个局部温度均匀性来提升电池包整体的性能。

PACK结构的材料选择

耐高压绝缘性能是电池包结构设计最重要的技术要求之一。

电池包结构内部装载的是各种锂电池，电池成组后总电压及总电流会很大，其威力不可小觑，塑料具有很好的而高压绝缘性，例如某车企对塑料材料绝缘要求是耐压2000VDC，绝缘阻值11G以上。一般可采用强度和塑性较高的尼龙为原料，在材料中添加５％～４５％的玻璃纤维，做GF强化可提高结构强度和耐振动性。

朗盛集团推出了３种以PA6为基体的 Tepex 材料。Tepex材料含有较高的纤维量，因此不仅具备极高的刚度、强度和能量吸收水平，还具有UL 94 V-0等级的阻燃特性。其中，Tepex dynalite 102fr-RG600 (x)/47% 采用粗纱玻璃纤维增强，这些纤维呈多轴排列，不仅可以实现良好的阻燃效果，还可以精确地匹配部件中的负载路径，可以应用于新能源汽车电池箱体的控制单元外壳、隔板、盖板等高压部件。

除了绝缘耐高压，塑料的另一个显著优点是降低电池包的重量，提高蓄电池重量比能量密度，增加电动车的续航里程。

虽然很多国外的大型车企为了降低结构件重量采用了例如高碳纤维的高科技的新型材料，但其还未普及，加工工艺要求较高，价格非常昂贵，不适用大众化的车型，因此采用塑料材料是综合性价比较高的选择，在满足机械强度、冲击、载荷的前提下，塑料材料取代金属材料，提高比能量密度减轻 PACK包重量是必经之路。

塑料件的阻燃性和燃烧性

当单体电池因热失控燃烧后，在火源熄灭后，添加阻燃剂的塑料件可在短时间内自己熄灭，防止连锁反应，大大减少了燃烧带来的损害，因此阻燃剂变成塑料制品中不可或缺的一部分。

根据阻燃剂的配比，塑料件可以达到 UL94V－０、5VB、5VA等较高防火等级，通常选择 UL94V－０作为阻燃性能的最低要求。国内很多企业对塑料阻燃测试的样品的厚度做了各自的要求，同样是UL94的测试方法，同一种材质不同的厚度会影响测试结果，样品越薄测试条件越苛刻。

阻燃剂大致可分为卤系阻燃剂和非卤系阻燃剂，卤素系添加剂在日本等发达国家是禁止使用的，因为卤素系（氯系、溴系）阻燃剂无论是在其本身生产、在塑料成型加工时的使用、添加阻燃剂的塑料等制品的使用以及废塑料焚烧处理等过程中都有产生有剧毒的二恶英或呋喃等危害人体健康和污染环境的问题。

为了确保安全，电池包PACK设计中的阻燃要求应避免添加卤系添加剂，成品中不应含有铅 （Pb），镉 （Cd），汞（Hg），六价铬（Cr（VI）），多溴联苯（PBBs），多溴二苯醚（PBDEs），邻苯二 甲 酸 酯（DBP，BBP，DEHP，DIBP）等有害成分。

1.模组外壳

模组外壳塑料发展趋势：轻量化+设计集成化

对材料的要求：

• 材料具有更好的力学性能；

• 材料易成型为薄壁件。

典型材料：PPO；PC/ABS

材料性能数据表：

材料阻燃性能对比（UL94)：

模组外壳材料发展示例：PPS改性料

基础性能：

阻燃性能：

2.密封盖

动力电池用密封盖材料对比：

密封盖设计最初多采用PP和钢材质，但限于阻燃和重量，目前密封盖大量采用普通SMC和LFT，少量采用铝合金。

图 SMC电池盖

图 LFT电池盖

轻质SMC电池包密封盖

材料参数：SMC具有阻燃性能高的优点，但传统密封盖密度大，重量较重。比亚迪自主研发的低密度SMC产品，具有非常好的阻燃性能和轻量化效果。

性能测试：装配电池包进行整体测试，性能达标。