1.5隔热设计
1.5.1电芯间隔热设计
1.5.1.1方形电芯
在大面隔热方面，采用气凝胶隔热，气凝胶具有优异的隔热性能，能够有效阻止热量在电芯大面之间传递；电池一般采用气凝胶+硅胶框垫片形式间隔电芯，同时抑制电芯膨胀。
图9极氪001神行电池间采用气凝胶
在侧面传热方面，对于三元电芯间需要使用环氧树脂板、陶瓷化橡胶作为隔热材料，并且要确保其完全覆盖电芯侧面。磷酸铁锂电池由于自身特性，一般无需额外防护措施。
图10 MEGA麒麟电池包
电芯底部隔热方面，底部水冷情况下，由于在热蔓延过程中，底部导热胶或导热结构胶受高温影响，接触热阻会增大，不需要隔热材料。
麒麟电池由于大面水冷，采用泡棉、陶瓷化橡胶隔热防护。
在电芯顶面，由于有泄压阀，则采用云母板进行隔热。
1.5.1.1圆柱电芯
圆柱电芯之间，一般预留 2mm – 3mm 的间隙。间隙预留完成后，采用隔热胶进行灌封。隔热胶具有出色的隔热性能，如发泡聚氨酯胶水，能够有效阻止热量在电芯侧面传递。比如特斯拉部分车型所使用的圆柱电芯，在电芯侧面就运用了这种设计。
图11特斯拉电芯间灌胶隔热
1.5.2模组间隔热设计：
若相邻电芯无法有效抑制热蔓延，通过增加间距设置、填充阻燃泡棉、云母等隔热材料的应用，有效阻止模组间的热传递。
图12电池包模组
CTP电池包有纵横梁隔断时，模组间通过纵横梁进行隔断，纵横梁粘贴云母纸，纵横梁与上壳体采用螺栓固定，防止热量在不同隔断空间传导。
图13电池包纵横梁隔断热扩散
1.5.3壳体隔热设计
当电芯防爆阀向上开启且触发失控，高温火焰和排气直接喷射到上壳体时，必须在上壳体与电芯防爆阀之间增设防火隔热材料，现在一般采用云母板、陶瓷化硅橡胶复合材料、阻燃泡棉，其厚度应确保不会被电芯喷发的高温高压气体熔穿，从而有效阻挡热量向上传递。
图14 极氪001神行电池上盖内云母板
动力电池上盖板阻燃隔热材料使用云母板是主流，占比超过80%。
图15 动力电池上盖板阻燃隔热材料使用比例
电池包上盖外面采用防火毯隔热，极狐在电池包上覆盖陶瓷纤维防火毯，防止电池起火后蔓延到乘客舱。部分客车标准电池箱应用防火毯延缓电池箱之间热扩散。
1.5.4常用隔热材料
阻燃泡棉
阻燃泡棉材料类型多样，产品回弹性好，可定制化程度高，在锂电池PACK 方案中设计灵活性高，但由于防火阻燃、抗冲击、隔热性能与气凝胶毡、云母材料存在不足，应用占比逐渐减少，目前主要应用在模组间、电池包四周作为缓冲密封材料，未来可能被云母复合材料、陶瓷化硅胶泡棉等新型材料部分替代。
陶瓷化硅胶泡棉
与常规阻燃泡棉相比，陶瓷化硅胶泡棉具有优异防火性能，可进一步提升电池包热失控防护水平，并有望对气凝胶毡材料和常规阻燃泡棉形成部分替代。
气凝胶毡材料
隔热性能好，目前动力电池无热蔓延技术成为高端车型热失控防护要求，未来有望从三元车型向更多中高端磷酸铁锂车型普及。
云母材料及云母复合材料
云母材料具备良好的电绝缘、热绝缘、阻燃性能和抗冲击性能，是目前模组与上盖板间、模组间主流应用，同时随着云母复合材料产品技术升级和成本下降，未来在电芯之间应用占比也有望逐步提升。
阻燃灌封胶
阻燃灌封胶是圆柱电池防火阻燃隔热材料主要选择，随着车型往轻量化发展，未来低密度高强度阻燃灌封胶是技术升级方向。
陶瓷化硅橡胶复合材料
目前应用比例较小，主要应用于模组与上盖板间作为“防火罩”应用，由于应用成本较高，目前仅部分中高端车型有少量应用，随着产品升级和降本，未来应用范围有望扩大。
1.5.5系统层级热失控防护
在具体防护应用时，往往是采用不同的方案组合，代表车型系统层级热失控防护方案：
Model S-2011 : 云母板（模组的上下方向）+平衡防爆阀组件+纵横梁隔断；
Model 3-2017: 云母板（下箱体内表面）+平衡防爆阀组件+纵粱隔断；
Model S Plaid-2021: 云母板（整片，模组与上盖之间）+云母纸（箱体某些部位）+云母纸（高压汇流排裹覆）+云母板（高压汇流排裹覆）+平衡防爆阀组件+纵粱隔断；
捷豹i-Pace-2018 : 云母板（模组-上盖之间）+平衡防爆阀组件+纵粱隔断；
高合Hiphi-2018 :哥斯拉防护罩（每个模组区）+平衡防爆阀组件+纵粱隔断；
上汽ER6-2020 : 哥斯拉防护罩（整个PACK内）+平衡防爆阀组件+纵粱隔断；
爱驰U5－2019：哥斯拉垫（粘于模组上方）+平衡防爆阀组件+纵粱隔断；
宝马X1 PHEV－2019：云母板（模组上）+平衡防爆阀组件+纵粱隔断；
北汽EU5(CTP1.0)-2020：云母板（模组上）+平衡防爆阀组件+纵粱隔断；
小鹏P7－2020：云母板（3大块，模组-上盖之间）+平衡防爆阀组件+纵粱隔断；
大众ID.4-2020：云母板（模组汇流排上方）+防火涂层（上盖内外表面）+平衡防爆阀组件+纵粱隔断
图16 大众QD.4 电池包云母板与放火层
蔚来100kWh(CTP1.0)-2020：云母板（整片粘于上盖内表面）+云母纸（模组汇流排上方）+云母纸（模组电芯侧边）+云母纸（箱体某些部位）+平衡防爆阀组件+纵粱隔断；
阿维塔（CTP2.0）-2021：云母板（电芯区与上盖之间）+云母纸（电芯区汇流排上方）+云母纸（箱体某些部位）+平衡防爆阀组件+纵粱隔断。
比亚迪海豹：上盖（钢板内表面+玻纤）+箱体4个内侧壁（云母板）+电芯组端面（低密度灌封灰色胶）+电芯与冷板接触面（云母纸）+电芯侧面与箱体/纵粱（气凝胶+塑料支架+灌封灰色胶）+箱体（某些部位绝缘板）+平衡防爆阀组件+纵粱隔断。
图17 比亚迪海豹电池热失控防护
以上车型热防护信息来源：刘杰 Czz知化汽车《热失控防护的新挑战与新方案》。
1.5.5 隔热性能测试
1）可陶瓷化硅橡：
试验条件：火焰加热到 900℃～950℃，在样品正面连续灼烧 30min；
接受条件：不烧穿， 冷面温度≤500℃。
2）气凝胶：
试验条件：火焰加热或者电加热，加热至600℃， 并维持恒温,
接受条件：试验前后样品长宽尺寸收缩率应不大于3%， 试验过程5分钟之内样品冷面温度应不超过180℃。
1.6 阻燃设计
1.6.2 阻燃材料测试
电池包要求塑料部件满足UL 94 设备和器具部件用塑料材料燃烧特性的安全标准测试 V-0标准。
UL 94 测试，用于测定塑料部件在暴露于火焰时的自熄能力，以及形成可能引燃周围材料的燃烧熔滴的可能性。
该测试还根据材料特性制定了可燃性等级。在该测试中，将燃烧器放在测试样本2组测试，每组10个样本 （125＊13＊≤13 mm），火焰高度20mm 火焰施加时间10秒，第一次燃烧时间结束后，开始第二次施加火焰，持续10秒，达到UL94 V-0等级要求测试样本必须在10秒内停止燃烧，而且没有燃烧熔滴。
图18 UL94 测试方法
1.6.2 氮气阻燃
基于磷酸铁锂电池热失控后不易产氧的特点，宇通客车应用氮气保护系统，通过氮气将电池箱内实时绝氧，阻断了磷酸铁锂电池的燃烧路径，消除了电池箱内的燃烧条件。即便电池发生内短路或热失控，因为周围有氮气保护系统，高纯度的氮气环境将隔断磷酸铁锂电池的热失控扩展，但是氮气来源需要专门设备提供。
1.7 绝缘设计
1.7.1 电池包绝缘设计
在电池包内电芯蓝膜、绝缘片、模组盖板、塑料支架、绝缘胶带、绝缘涂层是常用的绝缘设计。
电芯本体主要采用PET蓝膜，与液冷板之间需要绝缘片或者绝缘涂层来绝缘。
电芯与端板、侧板的绝缘采用环氧板、PC、PP/MPP绝缘板、或者云母板绝缘。
电池铜铝排母线增加高温绝缘材料，使用喷涂环氧树脂、热缩套管、陶瓷硅胶或者云母纸等材料防护，提升母线的绝缘性能。
图19 理想MEGA麒麟电池包铜铝排母线绝缘
热失控会让绝缘材料失效，导致未预期的电路短路，加速热蔓延。因此，要采取一系列预防措施，比如拉大电池母线与端板的距离、采用绝缘材料，在电池与周边金属件间加隔热绝缘材料给高压母排加绝缘材料，注意电池布置和连接铜排的距离等措施，防止热失控后叠加短路。
1.7.2 绝缘性能要求
电池包绝缘要求
在最大工作电压下,直流电路绝缘电阻应不小于100/V，交流电路应不小于500Q/V。
如果直流和交流的B级电压电路可导电的连接在一起,则应满足绝缘电阻不小于500Ω/V的要求。
未完待续…
本篇文章来源于微信公众号: 新能源安全技术
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