电动汽车电池系统的热管理和罗杰斯热失控解决方案

罗杰斯更新于 2022-05-06 10:11:33

众所周知，电动汽车的核心是其电池系统。为了更有效地与传统内燃机（ICE）汽车竞争，电池工程师需满足消费者对电动汽车的电池具有更高的能量密度以实现更长续航的期望，并同时保证电池系统的安全性，这点至关重要。而电池能量密度的提高会增加热失控风险，使电池自燃，甚至引发汽车自燃化学反应。所以，寻找经济而高效的方案来解决电池包的热失控问题是电动汽车制造商面临的最大挑战之一。

什么是热失控？

热失控指的是火焰或高温从一个单体电芯向另一个单体电芯蔓延的一种反应现象，可能引起整个电池燃烧并造成对车辆乘客的伤害。

怎样管控热失控风险？

设计师可以通过控制电池内部温度对单体电芯的影响来管理热失控风险。我们将在此探讨材料在单体电芯之间热管理的重要性，以保证电池的最佳安全性。

OEM和电池设计工程师期望从几个方面降低热失控风险。首先，使用冷却系统使电池包保持适当的温度，并通过压缩衬垫优化电芯的工作压力。其次，通过使用在单体电芯之间、模块之间或在电池包周围使用特种材料形成防护层，来减缓或阻止热失控的蔓延。

在正常工作条件下，蓄电池通过主动或被动冷却系统调节温度。通过压缩衬垫调节电芯的最佳压力。为了提供额外的热失控保护，设计师可以通过增加保护层或使用特种衬垫，降低热失控蔓延的速度或可能性。

1. 开始聚集

2. 保护层开始分解

3. 电解液分解成可燃气体

4. 隔膜熔融，可能造成内短路

5. 正极材料分解，产生氧气

延缓或阻止电池内部热蔓延机制

在选择材料帮助解决热失控问题时，工程师应考虑能够有效延缓热失控，但不会缩短电池续航里程或不会因重量过大而产生其他不良影响的设计。虽然每种机制中都有许多细微差别，但是可以用于延缓或阻止热传播的主要机制包括绝热、膨胀（烧结）、阻燃和散热。

绝热

绝热是电池设计研发的最常见机制。它通过使用一种或多种材料，防止一个区域的热量扩散到相邻电芯，从而避免热失控蔓延。绝热材料的热导率较低，因此它们有出色的阻止热传递的效果。工程师将寻找耐燃烧和高熔点的绝热材料，为在热传播中出现的高温提供最大程度的防护。

膨胀

膨胀的工作方式与绝热相似。但是，它并非是在最开始就具有超低热导率的材料，而是在接触高温或火焰时，通过炭化，形成一个绝热屏障。该炭化层耐燃烧，热导率较低，但是它的形成必须满足一定条件，即：在膨胀过程中，有足够的膨胀空间。在电池中，膨胀材料的作用是“以防万一”，仅提供热失控防护价值，并无其他作用。

阻燃

这类机制根据设计不同，会有很多不同意义，但是其本质是熄灭火焰，防止电池起火燃烧。可以通过以下方式实现该目的：释放能够熄灭火焰的某类化学品，清除系统中的氧气，或在某些情况下，当暴露在高温下时，使用能够产生和释放某种灭火剂的特种材料。灭火系统本身在汽车中使用时，设计复杂且成本较高。但是具有灭火特征的特种材料可以在该领域内提供独特的解决方案。

热传导/散热

热传导/散热材料的作用与绝热材料相反。这些材料的热导率较高，能够用于传导多余的热量，缓解局部过热，延迟整体升温，通过转移危险区域的热量，使热量在电池内的更安全的区域释放。

新兴技术

长期以来，空气冷却和液态冷却一直是电动汽车电池冷却的行业传统方案。随着电动汽车技术的发展，电芯的能量密度越来越高，浸入式冷却作为汽车的一种高性能方案，越来越受关注。浸入式冷却设计是将电芯完全浸没到某种冷却液介质中，以实现电芯均匀散热。

罗杰斯热失控解决方案

罗杰斯公司提供的方案，不但综合了前文所述的几种机制类型，来解决热失控防护问题，也可以利用其高可压缩性为方形和软包电池包带来价值。我们的方案充分利用压缩衬垫的弹性特征的同时，也为电池提供可靠的热失控防护。

目前，我们正在研究通过组合不同的绝热层制作的复合材料或特殊化学配方的材料，从而实现既具有客制化压缩性能和也具有优异热防护作用的多功能泡棉。

ProCell™800系列复合材料

ProCell™系列复合材料是一种金属箔复合膜，可以在泡棉的一侧或两侧使用。金属箔具有两个主要功能：既是一种隔火屏障，又是一个散热层。当与PORON®聚氨酯或BISCO®硅胶等压缩衬垫材料一同使用时，ProCell™复合材料既能阻挡直接火焰，也能将热量散发出去，使泡棉在遇热时坚持更长时间。ProCell™复合材料有两种规格，厚度均为0.18mm。其中，ProCell™ 800复合材料使用的是一种有机硅粘合剂背胶体系；而ProCell™ 801复合材料使用的是一种丙烯酸粘合剂背胶体系。目前，ProCell™ 800系列复合材料已商业化。

PORON®聚氨酯复合材料

PORON®材料是市场上电池压缩衬垫所需的一些最常见材料，但是在延缓因高温引发的热失控方面表现不佳。随着这些材料用作压缩衬垫的普及和成功，罗杰斯目前正在积极研究如何改善这些材料的热防护性能。目前正在考虑两种不同的PORON®聚氨酯复合材料，这两种方案能够为衬垫提供额外的绝热性。工程师能够根据材料的软硬度和压缩应力应变曲线，选用他们想要的配方。我们可以为客户提供这一类材料的样品。

特种硅胶配方ProCell™ PCL系列材料

硅胶材料属于另一个研发领域。与其他弹性材料相比，通用硅胶本身具有良好的热稳定性和耐化学性，但是依然缺少在发生灾难性热事件期间提供保护所需的超高耐温性。罗杰斯已开发出了新的硅胶技术，该技术可以在热事件期间提供更加优异的防护，同时仍保持电芯衬垫应用所需的关键压缩特性。这些材料不使用任何复合材料，而是依靠特殊填料和化学配方改善电池衬垫的热失控防护性能。我们通过热平板和穿刺试验，证明这种材料具有优良的热失控延缓性能。本类型材料可提供样品。