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动力电池篇:电池包结构设计鲁棒性

日期:2019-01-21    来源:动力电池技术

国际新能源网

2019
01/21
13:49
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关键词: 动力电池 电池包结构设 电芯

  电池包结构设计,是整个电池包系统设计中极为重要的一环,是整个设计过程中占用时间最多的一环,但讨论其设计理论的文章却并不多见。本文翻译了一篇电池包结构设计鲁棒性的文章,原文《elsevier-Review of mechanical design and strategic placement technique of a robust battery pack for electric vehicles-2016.03.013.pdf》,2016年发表在《Renewable and Sustainable Energy Reviews》上,比较全面的阐述了结构设计中一些要点上的理论及设计专利示范。
 
  概述
 
  在电动车(EV)中,由于对环境温度,压力和动态机械载荷的高度敏感性,热失控,振动或车辆撞击可能导致锂离子(Li-ion)电池组的潜在故障。在各种因素中,电池包的安全性和可靠性,对公共和私人交通领域大规模电气化提出了挑战。本文回顾了可以解决这些问题的机械设计功能。超过75个来源,包括科学和技术文献,特别是对43个美国专利进行了研究。该研究通过实例说明简单的机械特征可以集成到电池包设计中,以最大限度地减少故障发生的可能性并减轻上述安全风险。此外,研究了大量电池组鲁棒性设计关键部件,相关材料也被筛选出来用于关键部件的设计并满足部件性能需求。还以日产LEAF电池包装设计为例讨论了策略性电池组放置技术。最后,本文所述的设计解决方案与雪佛兰Volt电池组设计进行了比较,揭示了坚固可靠的电池封装系统的基本机械设计要求。
 
  1 介绍
 
  锂离子电池,由于它们的高功率,高能量密度和长寿命[1] ,已成为纯电动汽车(EV)的优选车载电源。但是,锂电池被认为对环境温度,振动和压力等因素的变化敏感。需要控制电池温度和电池组运行的环境,以使其能量容量最大化。为了确保锂电池的安全操作,温度必须低于50℃ [2,3];电池包振动频率应该避免与汽车悬架系统发生共振,汽车一般频率范围:簧上质量0~7Hz;车辆动力系统,包括传动系统,减速器,7~20Hz;车辆底盘系统20Hz ~40Hz [4-6] 。超出设计边界边,则可能对动力电池包的循环寿命造成危害。它也可能引起不可控的链式放热反应,导致放出烟雾或者毒气,产生高压,进而使得电池过早失效、着火甚至爆炸。超出运行边界条件的问题起因,可能是热量积累、物理滥用包括穿刺或者挤压等[2,7-9]。
 
  这种不规范行为是电动汽车初始发展阶段的显著特征。有几次,它们曾经迫使早期设备制造商(OEM)将其产品从市场上撤回。2002年,EV全球电机公司收到5起锂离子电池在电动自行车上发生过热的报告。其中的三起,发生了锂电池起火事故。随后,他们宣布通过美国消费品安全委员会召回2000个锂离子电池组[10] 。2011年,在美国国家高速公路碰撞安全测试中电池起火事件被报道以后,也曾经召回8000台雪佛兰Volt [11] 。最近,在密歇根州的通用汽车公司的锂离子电池组测试设施爆炸,造成五个工人需要当即就医[12,13] 。特斯拉汽车由于Model S道路异物刺穿电池包箱体造成电池起火,也受到了许多负面报道 [14,15] 。
 
  虽然针对大规模电池包的安全性的改进一直在持续进行,对电动汽车的安全性不断改善正在作出,无论是普通消费者还是OEM厂商仍然对正常使用过程中的事故和电动汽车的意外滥用感到忧虑在 [1,16] 。因此,对锂离子电池组安全性制定了非常严格的规定。表1列出了与电池包成组设计和性能测试相关的各种SAE标准 [17] 。
 
  表格1,管理汽车电池组的机械设计SAE标准。
 
  公共和私人交通领域大范围电气化,被认为是行不通的,直到锂电池性能逐渐被认识,而其可靠性相关问题逐渐被研究回答[18,19] 。研究可以提高锂离子电池组安全性和可 靠性的设计特性至关重要。国际标准SAE J1797 -电动汽车电池模块电池包推荐设计方法,仅适用于铅酸电池,镍镉电池和镍氢电池电池成组设计,而不适用于锂离子电池组[20]。
 
  据报道,在影响锂离子电池组可靠性的几个因素中,有一些会在制造过程中出现。最重要的是化学因素,如杂质、浓度,以及连接工艺,即材料处理和电芯密封,无论是密封还是卷绕[21]。另一份报告认为,在电池组长期工作的环境条件下,环境温度,压力,机械和热冲击,机械振动等,对电池的可靠性产生重大影响。这份报告继续提供一些通用电池组装指南[22]。另一项研究指出,锂离子电池组在电动汽车中的性能强烈依赖于通常不受控制的环境操作条件,因此无法根据实验室实验进行评估[23]。另一方面,更近期的工作表明电池电芯温度也影响锂离子电池组的可靠性和循环寿命[24]。
 
  尽管不同方面对导致锂离子电池组不可预知的安全因素持有不同的观点,但大部分已发表的工作集中在开发稳定的电解质,新的和安全的电极材料以及锂离子电池组的热管理解决方案。一个经常被忽视的领域是电池组外壳坚固的机械设计对其可靠性的贡献。一组研究人员综合了商用锂离子电池中的常规安全装置,但他们的工作仅限于单个电芯[25]。在本文中,我们将回顾安装在电动汽车中大型电池组的安全功能。
 
  强大而可靠的电池包设计需要解决热失控,振动隔离和电池级、模块级的碰撞安全有关的若干设计问题。在这些级别的每一级,都需要限制电池单体之间的相对运动,以消除电池组的潜在故障。EV中电池组的布局策略也可以有效提高电池包设计中的上述问题。下面介个章节中,将回顾公开专利中简单的机械结构设计,这些专利可以集成到电池包设计中,使其可靠并减轻严重的安全风险。表2 还提供了关于电池组稳健性设计关键问题的专利综合清单。
 
  表2,公开专利文献中的电池包文件设计关键问题解决方案汇总
 
  2 热失控
 
  热失控是放热链式反应的开始,电池单体开始以大于0.2℃/min速率自热 [26]。过度的热量产生导致自加热速率进一步增加并最终导致形成电池组的化学组分的自燃。电池经历热失控,通常放出大量烃蒸气形成的气体,喷射出的物质和大量热损毁了靠近它的材料 [21] 。热失控可以由下列条件引发:电芯内短路,物理滥用,制造缺陷,或电池暴露在极端的外部温度下[26-28]。值得注意的是,不管当被加热的电池是不是在热失控的状态下,它仍然可以放出可燃气体[29] 。
 
  然而,只有当气体溢出电池包箱体范围,对于财产损害和人身安全的威胁风险才变得显著。这里的控制因素是热气中存在的可燃碳氢化合物的自燃温度(AIT)。只要气体被控制在电池箱体内部, AIT就会保持相对较高的水平。然而,当可燃气体膨胀溢出箱体,与环境空气接触以后,自然温度AIT就会显著降低。正是在这个时刻,财产和车辆乘客或试图控制事件的人的风险大大增加。
 
  随着电池组进入热失控状态,相关的压力升高可能导致电池组外壳的灾难性故障。因此,至少设计一个薄弱点,该薄弱点在设计好的预定压力下发生破坏,用以释放系统压力,以避免出现未知的故障点,对车辆及乘客造成更大的威胁。
 
  减轻这些风险,一方面涉及控制伴随热失控事件发生的热烟气和溢流物质的发生位置和释放位置,另一方面是控制电池组区域之间的热相互作用,从而避免单个热失控事件蔓延到整个电池组[30]。
 
  2.1 热障
 
  与热失控相关的温度升高可能导致紧靠电池区域的安装支架因发生热失控而熔化或汽化。结果,电池可能不再牢固地保持在其原始位置。当受影响的电池单体/模块移动时,电池组件之间的间距可能减小,导致对热失控传播的抵抗力降低。电池单体/模块移动也可能危及电池组冷却系统,从而进一步增加热失控传播速率。如果受影响的电池/组件发生移动,它可能会停靠在相邻的单体/模块上。如果是这样,这两个区域之间的热传递过程将从辐射和对流切换到辐射、对流和更为高效的热传导复合的传热模式。此外,在堆叠型电池配置的应用中,即一层电池单体垂直放置于另一层上方时,一旦支架开始熔化,重力可加速顶层的移动或汽化。因此,限制电池或模块发生热失控后的位置移动是非常重要的,以尽量减少热失控传播的风险。
 
  2.1.1 pack级
 
  美国专利号8663824公开了一种设计,其中电池组已经通过横向构件分成多个电池组隔间。如图1所示的电池包设计包括中央电池组件构件,其将左侧和右侧隔间分开以并作为电源和数据线的走线装置 [31]。按照这种设计,每个隔室只包含一个电池模块。
 
  图1 :每个电池组隔离室内带有一个电池模块的坚固电池包[31] 。
 
  图2. 带有电池隔板的圆柱形电池组件[33] 。
 
  在设计中,下部和上部简单的横向构件为模组提供简单定位,并通过固定模组法兰的方式将模组固定不动。因此,在模块与电池包的顶部和底部表面之间产生空气间隙。该空间确保了两个相邻电池模块之间不会发生热传导。
 
  在美国专利7507499提出的另一设计中,电池包左侧和右侧的区域之间有一个小气隙,这个小气隙为了成为了防止热失控传播的热障,通过提供单体或者电池模块之间的热障限制了热失控传播以及右和左电池组之间的小气隙明显地限制不同子空间之间的气体流量。另外Lai等人[32]报道,他们介绍了将电池包分成几个隔室的典型设计。
 
  2.1.2 电芯级
 
  间隔组件包括多个独立且彼此分开的刚性间隔件。这些间隔件被填充在电池模组的相邻电芯之间,以确保每个电池单体保持在其预定位置。刚性间隔件可以是摩擦配合安装或粘结到自己的位置上。
 
  通常,选择集成在电池安装支架内的间隔件组件取决于电池组内使用的电池的类型和形状。美国专利8481191提供了一种用于与电池组中的圆柱形电池单体一起使用的间隔件组件,如图2所示[33]。每个垫片的高度在整个电池高度的1%和5%之间。
 
  图3.利用刚性间隔组件的替代策略[33]。
 
  由于电芯间隔件的主要功能是保持电芯热失控期间的位置固定,以节省重量和获得更高的比能量(瓦时/千克)等级,如图3所示,一对具有上部间隔件和下部间隔件的小得多的间隔件组合优于从电池的顶部到底部延伸的一个长间隔件[33]。只能使用一个垫片,例如位于顶部或底部附近或靠近电池中心放置一个小垫片,这个形式并不是首选,因为它仍允许一些移动。
 
  此外,方形电池应保持一定的结合压力,以防止电池内部弹簧力膨胀并损坏自身,从而缩短电池寿命。电池单体垫片可以在电池两侧产生足够的结合力,而不会覆盖太多的电池表面积以致冷却变得无效。
 
  美国专利第8709644号公开了一种适用于方形电池的电池组内电池间隔件设计。该设计中的间隔件适用于盒式保持器几何形状。间隔件组件包括肋支撑件和连接在它们之间的多个绝缘肋。它们一起形成口袋状结构用于容纳电池单体。该专利公开的电池隔离物还包括一个顶部和底部法兰以防止垂直移动。此外,肋条沿Z方向交错排列,便于使用简单的单向工具。它提供了一种自我配合设计,并消除了对两种不同模具的需求,从而降低了制造成本。
 
  当电池放入保持架时,肋条支撑电池并限制电池的任何移动。它还向肋支撑件提供一种分布式载荷,迫使电池表面与肋条贴合,使得加热或者冷却流体的进口聚拢出口发散。流体入口和出口是抛物线形的,以最小化流体在电芯之前和之后的间隙的变尺寸截面处的压降。电芯间隔物还包括位于间隔物盒体内部顶部的模制咬合特征。在电池单体完全安装在盒匣底部的情况下,搭扣功能将电池锁定在间隔件中。因此,卡扣可防止电芯在使用过程中从垫片顶部滑出[34]。
 
  2.2 出口点
 
  热气体的排出点设计为一个或多个在电池热失控事件期间打开的排气喷嘴。由于喷嘴的存在,它们引导气体和材料流的方向远离乘员舱,远离可能造成人员伤害的位置,从而最大限度地减少车辆损坏和相关的安全风险。美国专利号8663824公开了一种这类排气喷嘴组件的设计。为防止任何污染物(如道路碎片和湿气)进入电池组,在车辆正常运行期间,喷嘴密封可保持喷嘴关闭。压力平衡阀破裂压力在0.5-1.0磅/平方英尺的范围内,比热失控事件期间所遇到的压力小得多,被集成到排气喷嘴,用于处理由于非热事件产生的压力差(例如提供了一种方法,由于车辆改变海拔而带来的压力差变化)。中空结构元件包括在所述电池组结构设计之中,当电芯经历热事件时,引导流动的热气体和材料到排气喷嘴处。在正常操作期间,由螺母保持在原位来保持排气喷嘴的密封。在热失控期间,电池组外壳内的压力和温度都会升高。最终,密封螺母融化或者大量地变形使得电池组外壳内的压力迫使喷嘴密封件脱离喷嘴。然而,由于喷嘴及其安装组件是用高温材料如钢或陶瓷制成的,所以它们不会受到温度升高的影响,并继续引导热气体走向,以尽量减少个人损失或财产损失[31]。该专利描述并在图4中示出的配置中,电池室被穿孔。在热失控事件期间,电池单体内产生的气体穿过这些穿孔通过电池组的中空引导通道进入空腔中。气体通过引导路径从气体排放喷嘴释放,脱离电池组。
 
  尽管美国专利8663824中提出的设计在最大限度地降低热失控相关风险方面非常有效,但是通过其公开的排气喷嘴设计排出热气体仅取决于由电池释放的热气体产生的压力。出于这个原因,存在这样的可能性,当只有电芯的数量是有限的热失控,产生的压力的状态可能不够高无法打破喷嘴密封。在这种情况下,热气不会从电池组中排出。由于某种原因,积聚的热量可能会流入其他电池舱,增加热失控事件在整个电池组中传播的可能性。
 
  美国专利8642204提供了一种高可靠性电池组,即使当从电池释放的气体量小时也能够排出热气体。在这种设计中,电池组由带有泄压阀的电芯组成,该阀在一定压力下打开以释放电池产生的气体。泄压阀大致位于纵向方向上的中点,一般状态下,该处由一对薄膜片热封。在预先确定的压力下,它们通过打开热密封部分释放气体。然后从电池释放的热气体通过排气孔排出到排气管,排气管将气体输送到外部环境。
 
  在这种布置下,排气管道设有多个进气口和至少一个吸气口。吸气口被连接到冷却空气流路,把所述冷却空气的一小部分吸入。排气管引导冷却空气,从内部通道流过,从排气口排出到外部环境。从空气进口处吸入冷却空气流,在排气管道中形成正压力,并在排气管路中形成空气循环。因此,当从电池释放出的热气体到达排气管时,它会立即与冷却空气一起排放到外部环境中。这种正压保证热气不会长时间留在电池组中,从而提供高度可靠的电池组[35]。
 
  然而,在电池组已经安装到车辆上之后再为其配置气体排放机构,可能是额外成本。关于这一点,美国专利8679662公开了一种具有集成气体排出机构的电池组件设计,包括一个排气管和一个排气口,作为从电池向车辆外部的气体排放的通道。该通风管是一段灵活的软管,具有近端和远端。
 
  图4. 电池组系统,设计用于排出在电池组[31] 的一部分内发生的热失控事件期间释放的热气体和材料。
 
  近端连接到电池箱壳体,接收可能从电芯排出的任何排放物。排气口与连接到车体外部的远端排气口耦合,将电池排放的气体疏导到箱体以外。通气口用垫圈密封。尽管电池组件的质量提供了足够的夹紧负载,但建议使用紧固件来压缩垫圈并保持密封。集成设计消除了组装过程和质量检验(如视觉,扭矩或压力测量)的超额人工成本,从而降低了系统总成本。
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