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            復合材料電池外殼熱設計的優化

            放大字體  縮小字體 發布日期:2022-05-20  來源:中國復材  瀏覽次數:541
            核心提示:對電池來說,最大的威脅莫過于熱失控。因此,針對電池外殼熱性能的優化,不僅要防止熱失控的發生,更重要的是要減輕熱量在整個電
                 對電池來說,最大的威脅莫過于熱失控。因此,針對電池外殼熱性能的優化,不僅要防止熱失控的發生,更重要的是要減輕熱量在整個電池組中的傳導。
                像過度充電或過熱等缺陷,導致電池產生的熱量高于可耗散的速度時,就會發生熱失控。這種增加的溫度觸發了電池內的放熱化學反應,從而釋放出熱量,反過來又助長了進一步的放熱反應。這導致了連鎖反應,并蔓延到鄰近的電池,往往導致火災以致電池完全被破壞,最終殃及車輛的其他零部件。
             
                為了防止和遏制熱失控事件,可在電池設計中加入了壓縮墊、模塊外殼和電池外殼。壓縮墊被放置在每個電池單元之間,防止一個單元的熱失控傳播到鄰近的單元。之后用模塊外殼將這些電池組合安置在一起,同樣避免了熱失控擴散到其他模塊。最后,將這些模塊被安置在一個電池外殼內,確保車輛的其他部分免受熱失控的影響。
               電動汽車電池外殼的具體設計、形狀和尺寸因所使用的電池類型、冷卻要求、模塊的分布和應用而有很大不同。一般來說,模塊外殼由以下部分組成:(1) 一個外殼底座; (2) 一個外殼; (3) 一個連接內部和外部組件的連接板; (4) 在熱失控期間實現壓力平衡或釋放氣體的排氣閥。
             
            選材
                用于電池外殼的材料需要有較高的熱性能,良好的機械性能,同時也要輕。傳統上,鋁和鋼由于其高耐熱性和適合大規模生產而成為首選材料。然而,金屬材料的質量不能得到很好的控制,特別是對于混合動力車和電動車來說,較低的車輛質量意味著更高的能量密度和更長的車輛范圍。目前,電池的質量可能占車輛總質量的50%。
                復合材料提供了一個輕量級的替代方案,并有可能在許多方面超過金屬,但復雜性和成本也較高。在為賽車運動客戶開發了一個碳纖維增強聚合物外殼的案例中。原來的外殼是由鋁制成的,重達6.7公斤(14.8磅)。而替代品實現減重91%,重量只有616克(1.35磅)。
                為了實現電池外殼所需的高熱和機械性能,主要使用碳纖維熱固性預浸料。碳纖維為外殼提供了強度和剛度,并預先浸漬了高等級的樹脂系統,如環氧樹脂。然而,手工鋪設工藝,較長的固化時間和對高壓釜的長期依賴,限制了預浸電池外殼的產量。
                復合材料的另一個優點是能夠優化纖維的方向,可以滿足每個電池外殼的特定負載要求。有限元分析在設計過程中被大量使用,來確定纖維的方向和所需的層數。實現外殼的高剛度和強度的同時,保持輕質。但金屬的各向同性特性仍然為電池外殼提供了一些優勢,并經常在螺栓連接點周圍使用,可在這些特定的位置提供額外的強度和剛度。
             
            使用Hypermesh和Optistruct軟件對電池外殼的各向異性復合材料進行有限元模擬
             
            電絕緣
                在開發電池外殼時,電絕緣是另一個考慮因素。碳纖維是導電的,因此玻璃纖維層被整合到層壓板中,對特定的電子元件進行電絕緣。
             
            認證
                為了保證電池和電池外殼的熱性能,必須成功通過各種安全測試和標準,電池才能獲得使用認證。第一個標準是UN38.8,它證明了鋰電池在運輸過程中的安全性。這涉及八項測試,包括海拔模擬、熱測試、振動測試、沖擊測試、外部短路、沖擊和擠壓、過充電和強制放電。電池還需要根據ECE R100 REV2進行認證,該標準規定了對安裝在四輪電動車上用于運輸人員或貨物的鋰電池必須進行的必要測試。在航空方面,必須考慮其他標準,如DO311A和DO160G。
             
            電池熱模擬
                關于電池外殼,復合材料需要滿足UL94的可燃性安全標準。這涉及到幾個表面、垂直和水平的燃燒試驗,在特定的時間內對材料多次施加受控的火焰。一旦火焰被移開,材料繼續燃燒的時間,以及燒穿或火焰滴落的證據數量,決定了材料是否達到了UL94的V0、V1或V2等級?;鹧孀詣酉绲乃俣仍娇?,材料的抵抗力就越強,評級就越高,V0為最高評級,在10秒內熄滅,沒有火焰滴落。
             
             
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