电动汽车电池安全领域的突破：纯电动汽车的关键创新

《ATZ》杂志发表了一篇关于采用耐热组件实现电动汽车电池卓越安全性的文章

对于纯电动汽车（BEV）用户而言，长续航里程和短充电时间至关重要。这要求锂离子电池系统采用高性能电芯。热失控是此类电池电芯固有的风险，可能导致车辆严重受损或乘员受伤。欧瑞康已开发出相关解决方案，以最大限度地减轻此类过程的影响。

纯电动汽车的市场接受度在很大程度上取决于性能和车辆成本。动力电池不仅是性能的关键驱动因素，也是成本的主要构成部分。因此，在短开发周期内持续提升行驶性能并降低成本，对于取得市场成功至关重要。

市场对长续航里程和短充电周期的期待，要求电池具备高能量密度，这意味着必须在高性能镍锰钴（NMC）电池类型中实现紧凑的电芯封装。此类电芯固有的风险是热失控（TR），即 活性物质在放热降解过程中导致电池电芯自热，从而通过电芯排气口爆炸性地释放高温且导热的反应气体。当电芯温度超过临界限值时，就会触发自热现象。过热可能由内部或外部短路（污染或碰撞）、外部加热、过充或冷却系统故障引起。

如果没有相应的保护措施，该事件会通过导热将热量传递给相邻电池，或通过泄压电池释放的高温气体流，或因电弧放电点燃导电环境，从而引发其他电池的热失控。这种连锁反应被称为热失控（TP），会导致电池或车辆严重受损，最坏情况下甚至会危及乘员生命。虽然可以通过设计将热失控的风险降至最低，但无法完全消除。因此，必须制定安全方案以避免热失控及其灾难性后果。

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图1：用于纯电动汽车安全方案的耐热部件（© Oerlikon）

安全概念与必需组件

耐热部件（如隔热罩或隔热屏障、气体导流组件以及电芯隔板）可提高电池系统的安全性（见图1）。隔热罩通常位于电芯排气口与电池盖或电池外壳的其他部件之间，用于保护这些部件免受排气电芯中含有颗粒的热气流的直接冲击。隔热罩需要承受颗粒撞击产生的机械应力以及高温气体产生的热应力。此外，如果被保护部件的温度必须保持在一定限值以下（例如该部件的熔点），则还需具备隔热功能。

气体引导组件将来自电池排气口的热气体（包括导电颗粒）引导至非关键区域，并在高压（HV）组件之间建立电绝缘屏障。这消除了不同电压电位的高压端子之间发生电弧的风险。

单个电芯之间的隔膜可抑制热量从一个电芯向相邻电芯的传递。除了热管理功能外，隔膜元件还应能够补偿电芯在使用寿命期间的膨胀，以及充放电过程中的“呼吸”现象，同时将电池堆所受的压力降至最低。隔膜确保电芯所受压力保持在循环稳定性的最佳范围内。热失控（TR）对乘员和车辆的影响，取决于包含上述一个、两个或全部组件的安全方案的有效性。可定义四个严重程度等级，如图2所示。

图2：热失控的影响及安全组件的重要性（© Oerlikon）

1级

该级别为乘员安全撤离提供了充足的时间。在10分钟内（典型时间范围），电池箱外部不得出现火焰或烟雾。具有良好隔热性能的隔热罩可保护电池箱的机械完整性，而有效的气体引导措施则可在热链反应的初始阶段防止发生灾难性的电弧放电。然而，最终仍将导致车辆完全损毁。第1级是联合国《全球技术法规第20号》（电动汽车安全（EVS））[1]规定的最低法律要求，许多国家已采纳该标准。

第2级

热失控（TP）得到控制，损坏仅限于电池箱。乘员有足够的时间安全撤离；但电动汽车电池箱外部可能会观察到少量烟雾。采用具有高隔热性能的改进型电芯隔膜可中断热连锁反应。如第1级所述，隔热屏障以及气体和颗粒引导措施共同构成了完整的安全方案。车辆将被拖走进行维修，电池可予以更换。

3级

“停止热失控（Stop TP）”或“零热失控（Zero TP）”概念可防止热失控（TR）进一步升级。驾驶员将收到电池故障通知，但无需撤离。电芯之间的高效隔热层可消除热连锁反应。事件仅局限于单个电芯。因此，隔热罩和气体引导系统的性能要求可相应降低。车辆可被拖走进行电池维修。

第4级

除第3级措施外，在此级别中，电池管理系统仍允许车辆行驶至可进行电池维修的地点。

工程化安全解决方案

电池系统的概念和设计多种多样，取决于制造商的战略和偏好。这首先体现在电芯化学体系上，例如磷酸铁锂、NMC或新兴的钠离子电池；接着是电芯形态，如软包、圆柱形或棱柱形；最后延伸至电池包结构，无论是电芯到模块、电芯到电池包还是电芯到车身。每个电池系统都需要采用工程化组件的独特安全方案。一套 全面的隔热系统（TIS）是隔热材料与智能设计的结合。

优质隔热系统的基石是隔热材料，即一种具备基本物理、化学和机械性能的工程复合材料。其中最重要的是 高耐热性，因为在热运行（TR）甚至热失控（TP）过程中，材料应尽可能长时间保持完整。优质解决方案的另一个关键因素是设计。设计部件应满足电池方案的具体安全要求，同时兼具轻量化和节省空间的特点。安全方案应作为电池设计不可或缺的一部分，并在开发初期就予以考虑。

隔热罩

欧瑞康的隔热罩采用多层材料结合特定设计理念研制而成。它们具有高达1400 °C的耐高温性能，能够承受高温气体颗粒的直接冲击，并具备良好的隔热性能。材料由多层耐热矿物纤维复合材料构成，并融入了用于机械强化的附加成分。添加隔热层后，该材料即可转化为隔热护罩。如图3所示，在火焰温度为1400 °C的情况下，冷侧温度从1000 °C以上降至400 °C以下。还可以针对温度要求严苛的区域或受热冲击较大的区域（例如电池的压力泄放口上方），设计带有局部隔热层的定制型隔热罩。

最薄的隔热罩厚度仅为1.2毫米，在将外部温度限制在400 °C以下的同时，能抵御至少15秒的颗粒冲击。其温度上限不会超过典型轻质盖板材料（如铝或片状模压复合材料）的温度极限。可以加入额外的材料层，以提高高性能电池的抗颗粒冲击能力和隔热性能，或在火势蔓延时应对多次排气情况。

此类隔热罩的隔热性能如图 3 所示。因此，这些隔热罩超越了所有类型电池单元配置的要求。该材料可进行三维成型，以制造出整体式隔热罩。它可顺应外壳轮廓以实现最大覆盖范围，保护所有关键区域，并使其能够紧密集成到现有架构中。

图3：隔热屏将耐热材料升级为隔热护罩（© Oerlikon）

带三维成型气体导流盖的电池模块

图4：气体引导元件排气口的触发选项（© Oerlikon）

受控气体引导

负责气体引导的组件在从排气室收集高温气流方面起着至关重要的作用。其主要功能是通过防止导电颗粒到达关键组件和区域，从而保护这些关键组件和区域。关键区域包括带电的、未绝缘的表面及其之间的空间。气体引导系统通过释放导电性气体来实现这一目标，该气体既能建立电绝缘屏障，又能提供抗热保护。

为了确保有效性能，用于这些气体引导元件的材料必须具备足够的耐热性以承受高温气流，同时还需具备电绝缘性能和机械稳定性。这可确保在热阻事件（TR）期间，通道保持完好。理想的选择是改性多层材料，类似于热屏蔽所用的材料。

然而，关键在于气导结构内高温气体入口的设计。这些开口在单元完好时必须保持关闭，但在排气事件发生时必须立即打开。为满足这一要求，设计了一个覆盖排气口的机构，该机构仅在发生热释放事件时才会被触发。该开启触发机制可根据高温、排气产生的压力，或两者的组合进行设计（见图4）。机械压力触发可通过气流引导组件中预设的断裂点实现；触发压力可通过断裂点的强度进行调节。由热敏膜保持关闭的开口采用热触发方式，其触发温度取决于膜的材料。

压力触发式开启机构可战略性地布置在电池排气口正上方，以拦截初始气体冲击。相比之下，对于排气位置较难预测的软包电池，则可采用温度触发式开启机构。这种自适应方法允许根据特定类型的电池及其排气行为，对系统特性进行定制。

电池隔板

电池隔膜的主要作用是阻断热量从一个电池向相邻电池的传导。Stop TP或Zero TP概念要求单个电池的温度不得超过100 °C；这是触发自热TR过程的临界温度。先进的电池隔膜具有弹性特性，可补偿电池的呼吸和膨胀，以及电池堆栈的装配公差。仅靠云母复合材料、气凝胶无纺布或泡沫等基材无法单独实现所需的热学和力学性能。要实现薄型电池隔膜，需要辅助设计组件。

图5：多功能细胞分离器的机械模型（© Oerlikon）

所开发的电池隔板具有两个弹性特性不同的区域（见图5）。由弹性体材料制成的实心框架可在电池堆组装成模块或电池组时补偿其尺寸公差；而肋状结构则在中心区域提供较低的弹性，以补偿电池的膨胀/呼吸现象。该设计理念允许对实心框架和肋结构进行独立的尺寸调整，从而能够根据组装情况和电池特性调整弹性特性，如图5中的机械模型所示。

图6展示了两种不同肋条设计样品的热学和力学表征结果。两者的热行为几乎相同：尽管热侧温度在200秒内从环境温度升至700 °C，但两个样品均将冷侧温度限制在<100 °C。两种设计均可在对电池循环稳定性至关重要的典型压力范围内（最小 0.05 MPa，最大 1 MPa）实现至少 0.45 mm 的压缩。组装后的厚度在 1.4 至 1.6 mm 之间，这意味着压缩率超过 30%。

然而，两者的力学特性存在显著差异：设计1的压力-厚度梯度约为设计2的两倍。设计1比设计2“更硬”。当隔板厚度增大至1.8至2.0 mm时，压缩率可提高至>50%。

参考文献 [1] 联合国：《电动汽车安全全球技术法规》（EVS），2018年5月3日。在线：https://unece.org/transport/standards/ transport/vehicle-regulations-wp29/global-technical-regulations-gtrs，访问日期：2024年1月24日