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IND4新能源丨新能源汽车动力电池组的材料应用1-以软包模组为例

本文想系统的阐述一下有关电池系统里面,特别是模组内外对于材料的需求,每样材料的基本需求,还有这些要求的升级。这里首先还是以软包模组和软包的电池系统为例,方壳电池与之类似。

如下图所示,主要的分类,分为结构粘接材料、导热材料、绝缘材料、绝热材料和密封材料这几种要求。

1.结构粘接材料:通常而言分为结构胶或者双面胶带,主要用于粘接电芯与电芯、电芯与泡棉、电芯和模组外壳等,主要的作用是电芯与模组成为一体化,满足模组的振动、冲击和跌落等要求。

2.导热材料:主要用于传导电芯的热量,并把模组的热量往外进行转移。

3.绝缘材料:这个材料往往是与其他材料的要求融合在一起,主要的目标是放置单体电芯出现漏液或者其他破损状态下,整个电池往金属导电材料上引起短路或者绝缘问题。

4.绝热材料:主要的要求,是隔绝外部的热量进入电池系统,有冷和热两种,我后面进一步介绍火烧实验和温降实验对于电池系统的实际要求。

5.密封材料:主要是实现电池系统密封的要求,实现IP67的作用。

图1 电池系统里面使用材料概览

为了方便展开,我们这里针对常见软包电池组的材料应用,做个初步的梳理。

1) 软包电芯与铝壳之间的固定:粘接定位,导热,与PET膜和铝板粘接性好。

由于要固定电芯,还要考虑在里面设计足够的缓冲,形成整体的情况,所以这里需要考虑较高强度的胶,并具有一定的导热系数,使得模组内使用粘接的地方有足够的传热。一半考虑采用双组份聚氨酯导热粘接固定胶或者高硬度导热双面胶带。基本的考虑系数主要有热的方面和结构方面,分为导热系数(W/m.k)和粘接强度;进一步考虑,需要在各种环境条件下,比如高低温特性、温度交变下能稳定,也能满足冲击和振动的要求。

图2 结构胶和双面胶带

如果我们在构建热学模型的时候,主要如下图这样的考虑,内部的结构粘接胶和外部的结构约束形成双重的冗余。正在以后软包的能量密度的提升过程中,结构部件的优化将是渐进式的。

图3 内部结构的系统性抽象示意

对应上图,可以把传热的路径整理出来。如果采用粘接胶带或者粘接面积比较大的时候,这里就需要仔细核算整个结构部分的胶的传热系数对于整个系统的影响。软包电芯与软包电芯的缓冲泡绵,在不同的压缩量情况下,可以达到合适的回弹,具有很好的缓冲及保护作用。这里的传热系数,对于电池的另一端是有影响的,虽然热扩散的要求出现,我们也会在整个传热模型上考虑,相对应的热扩展模型。由于设计的要求,可能在几个电芯之间来考虑一定的隔绝效果,以保证整体的重量并没有大幅增加。

图4 对于热模型的进一步考虑

2)箱体、冷水板与电池模组的散热:如上图所示,在模组的冷却片与冷却板之间,需要考虑高抗撕裂型导热垫片,这里一方面需要考虑热学特性(热阻特性)还要考虑一定的绝缘特性,主要是考虑拉伸强度和缓冲性能。如下图所示:

图5 导热硅胶片

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