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模组的热隔离措施

2019-12-20 09:25
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在目前的热失控扩散的防御措施里面,核心的还是谈性价比,模组和 Pack 层面,前者花的成本更多一些,需要很多的措施来在第一个电芯出现热失控之后就地阻止第二个电芯热失控,在最近几个月 BMW 有关电池模组安全专利里面有一些想法,我觉得我们可以看一看。

01

模组层面措施的有效范围

从模型角度来看

在之前的 DR SEBASTIAN SCHARNER《QUANTITATIVE SAFETY CHARACTERIZATION OF LI-ION CELLS》里面我们可以把一部分的事情确认好。

我们的控制对象是一个满电 100%SOC 下的电芯,在一定的环境温度下在热失控条件下蕴含的热量,一部分化为烟气,一部分留在本体。

热量

所以我们在这个里面,一个核心的事情,就是先把烟气携带的那部分热量尽可能离受伤害的区域远一些,在这个设计中首要的事情就是让这个气体能出来,但是尽快有地方扩散。

在以下的示例中,在第四个电池单体 4 中发生内部短路,由此电池单体热失控开始,单体压力升高,壳体达到一定内压起, 泄压阀打开高压的气体达到上方的屏蔽隔离板上面,打开设计的位置往左右进行扩散,高温的气体的热量通过屏蔽隔离板进行分离,使得这部分热量与临近的电芯形成耦合

备注:这个屏蔽隔离层最主要的作用是热隔离,可能由云母板构成,这个通口的位置可以根据压力打开方式设计结构

而另一个很重要的事情就是附近电芯的隔离,这里从热的角度来看,是在单个电芯持续发热和慢慢释放热量的过程中,另一个电芯从正面和极耳的温度能够坚持在被引燃的临界点之内。

这个设计在我们的考虑来看,在模组内电芯间隔方面就需要考虑在这个泄压过程中,电芯的结构往两边会有一个很大的压力。

所以极端的设计条件下,专利甚至使用一个金属的应急容纳冷媒的冷却片用来主动在这种意外条件下对电芯进行速冻

根据电芯的不同,我们目前能做的事情如下图所示,在最坏条件下把温度在一定时间抑制在 10-15 分钟,在比较好的条件下能让这个过程不连续下去,本身这个事情就有边界。

02

影响的因子

能量密度

所有的这一切都围绕着电池在不同状态下的释放情况,所以能量密度和电芯的化学体系决定着我们的困难有多大,能量密度越高,电芯的设计决定着电芯喷出去多少,什么温度要触发下一个电芯。

在原有的电芯尺寸下面,更高的能量密度意味着电芯本体的表面温度越来越高,也意味着我们对材料的隔热系数和坚持的时间都要提高。本身我们对于材料的厚度、重量和成本又有限制。

如果我们要期望电芯在一个热失控开始,到这个受损电芯结束,对于这个电芯所处在的状态都有限制,如果它的能量密度越高,我们可能把它限定在一定的容量,一定的 SOC 和需要更多厚度的隔热板,甚至应急的冷媒管去冷却它。

小结:短期内我们能比的是时间,可能往前看比的是在同样的电芯下面对于这个破坏性精确的把握和隔离。

作者:朱玉龙

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