熱對動力電池包結構設計影響因素探析

汪云云

摘要：隨著新能源汽車在我國的快速推廣，其相關領域研究也在逐步推進。電動汽車作為目前應用最廣的一種新能源汽車，備受人們關注。動力電池、控制系統和電機設備是電動汽車運行過程中的必要設備，是影響汽車正常運行的三大要素。其中，動力電池PACK作為電動汽車的能量來源，在運行中有不可或缺的重要地位，因此，熱性能對動力電池PACK的結構設計的影響也愈發受到人們的關注。基于此，本文從動力電池PACK的熱需求入手，就熱性能對動力電池PACK的結構設計影響展開討論，希望對后續的動力電池PACK的結構設計、高效穩定運行奠定夯實的基礎。

Abstract： With the rapid promotion of new energy vehicles in China， its related field research is also gradually advancing. As the most widely used new energy vehicle， electric vehicle has attracted much attention. Power battery， control system and motor equipment are the necessary equipment in the operation process of electric vehicles， which are the three main factors affecting the normal operation of vehicles. Among them， the power battery PACK， as the energy source of electric vehicles， plays an indispensable and important role in operation. Therefore， the influence of thermal performance on the structural design of the power battery PACK is increasingly attracting people's attention. Based on this， this paper starts with the thermal requirements of the power battery PACK and discusses the influence of thermal performance on the structural design of the power battery PACK， hoping to lay a solid foundation for the structural design and efficient and stable operation of the subsequent power battery PACK.

關鍵詞：熱;動力電池;PACK;結構設計;影響

Key words： heat;power battery;PACK;structural design;impact

0? 引言

動力電池PACK是近幾年我國電動車輛中最為常見的能量來源。動力電池PACK通常是指圍繞著動力電池的加工和組裝，即將動力電池電芯、保護組件、控制組件及連接件等組裝到一起的整體部件[1]。就目前電動汽車中比較常見的動力電池PACK而言，往往需要根據汽車需求的不同，為動力電池PACK設計不同的功率和結構。另一方面，周圍環境對動力電池PACK的影響也逐漸受到人們的關注，過低或過高的環境溫度都會影響動力電池PACK的工作效率，嚴重的更會對電池造成不可逆轉的損傷，并形成安全隱患。因此，本文著眼于熱性能對動力電池PACK結構設計影響的因素，對此展開討論。熱性能對PACK結構的影響已經成為現階段動力電池PACK結構設計環節迫切需要解決的問題之一[2]。

1? 鋰電池最適運行溫度及熱量管理重要性

1.1 鋰電池最適運行溫度

動力電池在工作運行的時候，將不可避免的持續產熱，這是由于電化學的原理導致的。造成電池運行生熱的主要原因是電池在充電和放電過程中產生的焦耳熱、反應熱以及極化熱[3]。

以目前常用的三元鋰電池為例，動力電池的運行溫度范圍在負20℃至60℃之間。但考慮到電池內部反應物在不同溫度下的活躍程度差異，因此在不同環境下電池的實際儲電容量也有所不同。一般而言，在20℃到50℃之間時，電池的實際運行容量約為額定容量的100%;當電池運行溫度低于負20℃時，電池的實際運行容量會縮減到額定容量的1/3左右，無法進行正常使用;當運行溫度在0℃到60℃之間時，電池的實際運行容量是額定容量的80-120%?？梢钥闯?，電池運行溫度對電池的實際運行情況影響顯著。

基于單體電芯運行合適溫度范圍的研究基礎上，進一步考慮動力電池PACK在受外界環境溫度影響時，整包的運行狀態，該狀態也會隨環境溫度而發生一定程度的轉變。比如，當電池PACK運行溫度低于0攝氏時，電池PACK中的含水電解液就可能會出現凍結的現象，從而導致電池整包性能的明顯降低，嚴重的更會損害電池的使用壽命。

另外，當電池PACK工作在溫度較高的環境下時，大量的反應熱也會作用于電池PACK的內部，從而導致電池PACK中作為電極的活性材料與電池PACK中的電解液發生反應，明顯降低了電池PACK的容量，還有可能引發后續使用過程中的電池PACK安全問題。所以，在后續電池PACK的設計中，技術人員應當最大程度上通過電池PACK的結構設計來保障電池在不同使用環境中都能夠處于較為合適的溫度范圍內，從而規避溫度改變對電池單體以及電池PACK的負面影響，保障電池PACK的安全有效使用。如圖1所示。

1.2 鋰電池熱量管理的重要性

根據對鋰電池的相關研究可以發現，鋰電池是一種對溫度變化比較敏感的電池類型。在使用過程中，當運行溫度高于或者低于使用范圍時，都可能會對電池造成一些不利的影響。過低的溫度可能會導致鋰枝晶的形成，影響電池安全;過高的溫度會導致電池中的電解液、SEI膜分解，進一步的溫升則會引發嚴重的熱失控問題[4]，甚至電池爆炸等。通過對以往動力電池PACK熱失控問題的調查研究，可以發現在使用過程中的過充過放、長時間低溫充電、外力沖擊、短路、浸水等諸多因素都可能成為PACK的熱失控誘因。因此，有必要在實際設計過程中，針對電池的熱管理需求進行分析考慮。合理的動力電池PACK結構設計有助于在較大程度上規避極端情況下電池的熱失控問題，在實現PACK內部結構耦合的情況下保障電池的安全、穩定運行，提高電池的運行效率，降低安全隱患的可能性[5]。所以，在電動汽車的動力電池PACK設計過程中，應當重點關注系統的熱管理，滿足熱量及溫度的調控要求，保證電池運行在合適的溫度區間，為電動汽車提供安全穩定的動力源。

2? 熱對動力電池PACK結構設計的影響

基于上述討論，通過對以往動力電池PACK的結構設計調研，可以看出，熱對動力電池PACK結構設計的影響主要集中在以下幾個方面：

2.1 熱對動力電池PACK材料的影響

作為電動汽車的動力來源，動力電池PACK內部搭載了大量的鋰電池，由于其具有高集成、大容量的特性，因此也具備一定的危險性[6]。因此，考慮到當前動力電池PACK的常規設計需求，以及鋰電池運行中的熱量管理需求，有必要針對性的為動力電池PACK選取耐高壓、絕緣的結構材料，這一重要措施可以保證后續設計的有效開展。

比如塑料材料是實際動力電池PACK設計過程中常見的結構設計主材料，這一材料的應用既能夠有效降低動力電池PACK的重量，實現輕量化目標，同時還能夠在一定程度上提升單位鋰電池的能量密度，也滿足了系統對絕緣的要求，在提升動力電池PACK的使用效率的同時也降低了結構設計的成本。合適的選材將有利于動力電池PACK的推廣。

2.2 熱對動力電池PACK塑料件阻燃性的影響

當電動汽車在運行過程中，如果動力電池產生的熱量無法及時排除，那大量的熱量積累極可能導致鋰電池失去控制從而引發自燃的現象。為了防止這一極端情況導致嚴重的后果，需要在動力電池PACK中使用添加了阻燃劑的塑料輔件。這一舉措不但能幫助起火點在短時間內自行熄滅，同時也有助于減輕燃燒熱對周圍電池造成嚴重損壞，抑制熱失控的蔓延，從而實現動力電池PACK結構設計的安全目標。針對動力電池PACK的結構設計環節，相關監管部門已經對PACK結構中的輔件阻燃性做了明確規定，并根據不同的防火等級為不同的塑料材質劃進行了劃分。在實際設計過程中，可以根據具體的PACK結構設計需求，選擇合適的塑料阻燃材料，達到預期的安全阻燃要求，優化動力電池PACK的結構設計。

2.3 熱對動力電池PACK金屬件表面的影響

在以往的動力電池PACK結構設計中，比較常見的金屬輔件主要是鈑金件、匯流鎳片、導電銅排等。受到焦耳熱和電池熱傳導的影響，這幾種金屬附件在長時間的使用后都會出現不同程度的表面涂層脫落，這一現象會影響動力電池PACK的后續正常使用，一定程度上無法保障設計之初的防腐需求。

所以，考慮到熱對動力電池PACK金屬件的影響，在結構設計過程中，應當對金屬件表面涂層的耐熱情況進行充分的測試，通過短時間溫度變化測試的方式考察熱對動力電池PACK中金屬件表面涂層的狀態影響，據此為后續結構設計提供支持，有效保障動力電池PACK結構設計需求的實現。

據此，在明確了上述熱因素對動力電池PACK的影響后，相關測試技術人員也應針對已經設計好的電池PACK進行運行測試。通過對電池PACK在不同環境溫度下的充電及放電情況、短路情況、內阻情況等基礎項目進行針對性的檢驗測試，從而確保電池包的設計能夠滿足設計的需求，消除熱因素對電池PACK的不利影響，從而推動這一領域的研究和發展。

3? 結語

根據上述討論可以看出，隨著電動汽車領域的進一步發展，動力電池PACK作為電動汽車的關鍵部件之一，關于熱對動力電池PACK結構設計的影響也日愈受到人們的關注。在未來的動力電池PACK結構設計過程中，技術人員應從熱、材料、電化學等多方面出發，綜合考慮實際運行中動力電池PACK的使用需求，在此基礎上為動力電池PACK在電動汽車中的運行提供良好的環境，實現動力電池PACK結構設計的目標。

參考文獻：

[1]張鵬，張楠，段德昊.新能源汽車動力電池包生熱量仿真分析[J].汽車實用技術，2020（09）：22-23，38.

[2]孫亮，王洪卓，李喜龍，魯常秀，張軻鑫，姜大鵬，劉兆偉.鋁合金電池包擋板成形模擬及優化[J].模具工業，2020，46（05）：36-39.

[3]郭輝.基于電動汽車電池包管理控制系統研究[J].輕工科技，2020，36（04）：43-44.

[4]王雄，鮑建勇，王新.電動汽車鋰離子電池燃燒風險與控制[J].汽車文摘，2020（04）：5-17.

[5]劉嘉楠，徐寬，張洪杰，王金榮，王海龍，許強.自適應響應面法在電池包尺寸優化研究中的應用[J].設備管理與維修，2020（05）：36-38.

[6]鄭志鵬.熱對動力電池PACK結構設計的影響因素[J].現代商貿工業，2018，39（12）：197-198.