摘 要：電動(dòng)汽車最關(guān)鍵的技術(shù)是“三電”，即電池、電控、電機(jī)。pack結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不應(yīng)僅僅停留在將電池單體簡(jiǎn)單的串并聯(lián)的層面，而應(yīng)該更深層次的融入輕量化、能量密度、熱管理、VDA標(biāo)準(zhǔn)、CAE仿真、電芯選擇等因素的探索。其中“熱”因素很大程度上影響電池包的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，增加熱管理，穩(wěn)定電芯工作溫度在最佳的工作范圍，避免電芯因溫度過(guò)高引起熱失控。為此，就是探索熱對(duì)電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響因素，更好的指導(dǎo)和完善結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要素，提供有價(jià)值的參考依據(jù)。
　　關(guān)鍵詞：pack電池包；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；熱
　　1 概述
　　隨著石油的枯竭和不可再生，以及汽車尾氣排放造成的環(huán)境污染問(wèn)題日益惡化，中國(guó)以及世界各國(guó)政策性的引導(dǎo)市場(chǎng)向新能源汽車發(fā)展，德國(guó)聯(lián)邦參議院決議在2030年禁止內(nèi)燃機(jī)汽車上路行駛，與此同時(shí)法國(guó)、印度、挪威、荷蘭等國(guó)都提出了禁售燃油車的時(shí)間表。
　　電池包由n個(gè)鋰電池單體經(jīng)過(guò)串并聯(lián)組成，鋰電池是電池包內(nèi)熱量的主要來(lái)源，但其又對(duì)溫度極其敏感，超過(guò)或低于一定溫度則會(huì)造成鋰電池工作異常基至起火燃燒，造成不可逆的嚴(yán)重危害，因此研究熱對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響因素，均衡熱量，為鋰電池提供最佳的工作環(huán)境溫度是必不可少的。
　　2 鋰電池對(duì)熱的要求
　　2.1 鋰電池的生熱機(jī)理
　　從電化學(xué)的角度可知，在充放電過(guò)程中鋰離子電池的生熱量主要有四部分組成，包括反應(yīng)熱Qr、歐姆內(nèi)阻的焦耳熱Qj、極化熱Qp和副反應(yīng)熱Qs。記鋰離子電池實(shí)際的生熱量為Qt，則有下式：
　　Qt=Qr+Qj+Qp+Qs
　　其中占主要部分的是內(nèi)阻焦耳熱Qj=I2R和電化學(xué)反應(yīng)熱Qr=nmQI/MF，式中n代表電池?cái)?shù)量，m代表電極質(zhì)量，Q代表電池正負(fù)極電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生熱量的代數(shù)和，I代表充放電電流，M代表摩爾質(zhì)量，F(xiàn)法拉第常數(shù)，R為歐姆內(nèi)阻。當(dāng)電池充放電時(shí)，鋰電池則會(huì)生成上述熱量。
　　2.2 鋰電池最佳工作溫度
　　以三元鋰電池放電為例，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，雖然三元電池的放電時(shí)的工作溫度區(qū)間在-20℃～60℃之間，但不同溫度范圍內(nèi)其內(nèi)部正負(fù)極活性物質(zhì)活躍程度不同，表現(xiàn)出來(lái)的容量也不相同。當(dāng)溫度在-40℃時(shí)，電池容量衰減至額定容量的1/3；當(dāng)溫度在-20℃時(shí)，電池容量是額定容量的70%；當(dāng)溫度在0～60℃之間，電池容量為額定容量的80%～120%；當(dāng)溫度在20℃～50℃，溫差在5℃之內(nèi)，電池容量為額定容量的100%。
　　電池容量越低，表現(xiàn)出電池放電的時(shí)間越短，所以會(huì)有冬天電動(dòng)車的電量不經(jīng)用，掉電很快的現(xiàn)象，殊不知鋰電池最優(yōu)的工作溫度是在20℃～50℃±5℃的范圍內(nèi)。
　　2.3 溫度對(duì)鋰電池結(jié)構(gòu)的影響
　　鋰離子電池對(duì)溫度環(huán)境比較敏感，溫度太高會(huì)嚴(yán)重影響電池的充放電性能和很多特性參數(shù)，例如內(nèi)阻、電壓、SOC、可用容量、充放電效率和電池壽命等。如圖所示為溫度與電池?zé)崾Э匮葑冞^(guò)程（圖1）。當(dāng)電池溫度達(dá)到50～110℃區(qū)間時(shí)鋰電池電解液分解，在80～140℃溫度之間正極SEI膜分解，在140～240℃溫度之間負(fù)極SEI膜分解，160～270℃負(fù)極材料分解，當(dāng)電池溫度超過(guò)250℃時(shí)電池?zé)崾Э�，產(chǎn)生著火、爆炸。
　　過(guò)充電、低溫充電、水浸泡、電池內(nèi)部短路、機(jī)械撞擊穿刺等因素都會(huì)引發(fā)熱失控，而且像三元鋰電池在熱失控過(guò)程中自身會(huì)分解氧氣，故消防車、滅火器等滅火裝置是無(wú)計(jì)可施的，所以此類安全事故比一般的火情后果更加嚴(yán)重。
　　3 鋰電池?zé)崃抗芾磙k法
　　pack結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的一項(xiàng)技術(shù)是電池?zé)峁芾怼ｋ姵責(zé)峁芾硎歉鶕?jù)溫度對(duì)電池性能的影響，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)解決鋰電池在溫度過(guò)高或過(guò)低情況下工作而引起熱散逸或熱失控問(wèn)題，以提升電池整體性能的一門技術(shù)。電池?zé)峁芾砩婕皞鳠釋W(xué)、材料學(xué)、機(jī)械結(jié)構(gòu)等多學(xué)科耦合設(shè)計(jì)，最終目的是保持N個(gè)電池單體溫度一致，進(jìn)而控制電池性能的均勻性。
　　電池組內(nèi)單體間溫度的均勻性是影響電池性能的重要因素。單體溫差產(chǎn)生的主要原因是單體散熱量在空間上的不均勻，雖然目前對(duì)于電池組內(nèi)單體間的溫差控制在多少度還沒(méi)有一個(gè)明確的值，但這種溫差范圍應(yīng)該盡量小，建議在實(shí)際應(yīng)用中不大于5℃。
　　控制電池溫度主要有自然冷卻、強(qiáng)制風(fēng)冷和液體冷卻。電池散熱都是依靠自身與介質(zhì)對(duì)流換熱、熱傳導(dǎo)、熱輻射的形式降溫，相比之下自然冷卻散熱效率最低，強(qiáng)制風(fēng)冷的散熱效率是自然冷卻的5倍，液冷是自然冷卻的75倍，例如特斯拉采用乙二醇和水各50%比例作為冷卻介質(zhì)環(huán)繞在電池周圍的散熱方式。
　　pack結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)在串并聯(lián)的基礎(chǔ)上合理布局，設(shè)計(jì)風(fēng)道、液體流道，通過(guò)設(shè)置不一致的風(fēng)壓風(fēng)量和流體流量壓力保證各個(gè)局部溫度均勻性來(lái)提升電池包整體的性能。
　　4 熱對(duì)pack結(jié)構(gòu)件材料的影響
　　4.1 Pack結(jié)構(gòu)的材料選擇
　　耐高壓絕緣性能是電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最重要的技術(shù)要求之一。電池包結(jié)構(gòu)內(nèi)部裝載的是各種鋰電池，電池成組后總電壓及總電流會(huì)很大，其威力不可小覷，塑料具有很好的而高壓絕緣性，例如某車企對(duì)塑料材料絕緣要求是耐壓2000VDC，絕緣阻值11G以上。一般可采用強(qiáng)度和塑性較高的尼龍為原料，在材料中添加5%～45%的玻璃纖維，做GF強(qiáng)化可提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和耐振動(dòng)性。
　　除了絕緣耐高壓，塑料的另一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)是降低電池包的重量，提高蓄電池重量比能量密度，增加電動(dòng)車的續(xù)航里程。蓄電池重量能量密度是蓄電池一個(gè)重要的衡量指標(biāo)，國(guó)家新能源汽車補(bǔ)貼政策對(duì)重量能量密度作出指導(dǎo)性意見(jiàn)。2016年國(guó)家補(bǔ)貼政策對(duì)電池重量能量密度的具體要求為：純電動(dòng)乘用車動(dòng)力電池系統(tǒng)的質(zhì)量能量密度不低于90Wh/kg，對(duì)高于120Wh/kg的按1.1倍給予補(bǔ)貼（最高補(bǔ)貼）。
　　雖然很多國(guó)外的大型車企為了降低結(jié)構(gòu)件重量采用了例如高碳纖維的高科技的新型材料，但其還未普及，加工工藝要求較高，價(jià)格非常昂貴，不適用大眾化的車型，因此采用塑料材料是綜合性價(jià)比較高的選擇，在滿足機(jī)械強(qiáng)度、沖擊、載荷的前提下，塑料材料取代金屬材料，提高比能量密度減輕pack包重量是必經(jīng)之路。

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