热对动力电池包结构设计影响因素探析

汪云云

摘要：随着新能源汽车在我国的快速推广，其相关领域研究也在逐步推进。电动汽车作为目前应用最广的一种新能源汽车，备受人们关注。动力电池、控制系统和电机设备是电动汽车运行过程中的必要设备，是影响汽车正常运行的三大要素。其中，动力电池PACK作为电动汽车的能量来源，在运行中有不可或缺的重要地位，因此，热性能对动力电池PACK的结构设计的影响也愈发受到人们的关注。基于此，本文从动力电池PACK的热需求入手，就热性能对动力电池PACK的结构设计影响展开讨论，希望对后续的动力电池PACK的结构设计、高效稳定运行奠定夯实的基础。

Abstract： With the rapid promotion of new energy vehicles in China， its related field research is also gradually advancing. As the most widely used new energy vehicle， electric vehicle has attracted much attention. Power battery， control system and motor equipment are the necessary equipment in the operation process of electric vehicles， which are the three main factors affecting the normal operation of vehicles. Among them， the power battery PACK， as the energy source of electric vehicles， plays an indispensable and important role in operation. Therefore， the influence of thermal performance on the structural design of the power battery PACK is increasingly attracting people's attention. Based on this， this paper starts with the thermal requirements of the power battery PACK and discusses the influence of thermal performance on the structural design of the power battery PACK， hoping to lay a solid foundation for the structural design and efficient and stable operation of the subsequent power battery PACK.

關键词：热;动力电池;PACK;结构设计;影响

Key words： heat;power battery;PACK;structural design;impact

0  引言

动力电池PACK是近几年我国电动车辆中最为常见的能量来源。动力电池PACK通常是指围绕着动力电池的加工和组装，即将动力电池电芯、保护组件、控制组件及连接件等组装到一起的整体部件[1]。就目前电动汽车中比较常见的动力电池PACK而言，往往需要根据汽车需求的不同，为动力电池PACK设计不同的功率和结构。另一方面，周围环境对动力电池PACK的影响也逐渐受到人们的关注，过低或过高的环境温度都会影响动力电池PACK的工作效率，严重的更会对电池造成不可逆转的损伤，并形成安全隐患。因此，本文着眼于热性能对动力电池PACK结构设计影响的因素，对此展开讨论。热性能对PACK结构的影响已经成为现阶段动力电池PACK结构设计环节迫切需要解决的问题之一[2]。

1  锂电池最适运行温度及热量管理重要性

1.1 锂电池最适运行温度

动力电池在工作运行的时候，将不可避免的持续产热，这是由于电化学的原理导致的。造成电池运行生热的主要原因是电池在充电和放电过程中产生的焦耳热、反应热以及极化热[3]。

以目前常用的三元锂电池为例，动力电池的运行温度范围在负20℃至60℃之间。但考虑到电池内部反应物在不同温度下的活跃程度差异，因此在不同环境下电池的实际储电容量也有所不同。一般而言，在20℃到50℃之间时，电池的实际运行容量约为额定容量的100%;当电池运行温度低于负20℃时，电池的实际运行容量会缩减到额定容量的1/3左右，无法进行正常使用;当运行温度在0℃到60℃之间时，电池的实际运行容量是额定容量的80-120%。可以看出，电池运行温度对电池的实际运行情况影响显著。

基于单体电芯运行合适温度范围的研究基础上，进一步考虑动力电池PACK在受外界环境温度影响时，整包的运行状态，该状态也会随环境温度而发生一定程度的转变。比如，当电池PACK运行温度低于0摄氏时，电池PACK中的含水电解液就可能会出现冻结的现象，从而导致电池整包性能的明显降低，严重的更会损害电池的使用寿命。

另外，当电池PACK工作在温度较高的环境下时，大量的反应热也会作用于电池PACK的内部，从而导致电池PACK中作为电极的活性材料与电池PACK中的电解液发生反应，明显降低了电池PACK的容量，还有可能引发后续使用过程中的电池PACK安全问题。所以，在后续电池PACK的设计中，技术人员应当最大程度上通过电池PACK的结构设计来保障电池在不同使用环境中都能够处于较为合适的温度范围内，从而规避温度改变对电池单体以及电池PACK的负面影响，保障电池PACK的安全有效使用。如图1所示。

1.2 锂电池热量管理的重要性

根据对锂电池的相关研究可以发现，锂电池是一种对温度变化比较敏感的电池类型。在使用过程中，当运行温度高于或者低于使用范围时，都可能会对电池造成一些不利的影响。过低的温度可能会导致锂枝晶的形成，影响电池安全;过高的温度会导致电池中的电解液、SEI膜分解，进一步的温升则会引发严重的热失控问题[4]，甚至电池爆炸等。通过对以往动力电池PACK热失控问题的调查研究，可以发现在使用过程中的过充过放、长时间低温充电、外力冲击、短路、浸水等诸多因素都可能成为PACK的热失控诱因。因此，有必要在实际设计过程中，针对电池的热管理需求进行分析考虑。合理的动力电池PACK结构设计有助于在较大程度上规避极端情况下电池的热失控问题，在实现PACK内部结构耦合的情况下保障电池的安全、稳定运行，提高电池的运行效率，降低安全隐患的可能性[5]。所以，在电动汽车的动力电池PACK设计过程中，应当重点关注系统的热管理，满足热量及温度的调控要求，保证电池运行在合适的温度区间，为电动汽车提供安全稳定的动力源。

2  热对动力电池PACK结构设计的影响

基于上述讨论，通过对以往动力电池PACK的结构设计调研，可以看出，热对动力电池PACK结构设计的影响主要集中在以下幾个方面：

2.1 热对动力电池PACK材料的影响

作为电动汽车的动力来源，动力电池PACK内部搭载了大量的锂电池，由于其具有高集成、大容量的特性，因此也具备一定的危险性[6]。因此，考虑到当前动力电池PACK的常规设计需求，以及锂电池运行中的热量管理需求，有必要针对性的为动力电池PACK选取耐高压、绝缘的结构材料，这一重要措施可以保证后续设计的有效开展。

比如塑料材料是实际动力电池PACK设计过程中常见的结构设计主材料，这一材料的应用既能够有效降低动力电池PACK的重量，实现轻量化目标，同时还能够在一定程度上提升单位锂电池的能量密度，也满足了系统对绝缘的要求，在提升动力电池PACK的使用效率的同时也降低了结构设计的成本。合适的选材将有利于动力电池PACK的推广。

2.2 热对动力电池PACK塑料件阻燃性的影响

当电动汽车在运行过程中，如果动力电池产生的热量无法及时排除，那大量的热量积累极可能导致锂电池失去控制从而引发自燃的现象。为了防止这一极端情况导致严重的后果，需要在动力电池PACK中使用添加了阻燃剂的塑料辅件。这一举措不但能帮助起火点在短时间内自行熄灭，同时也有助于减轻燃烧热对周围电池造成严重损坏，抑制热失控的蔓延，从而实现动力电池PACK结构设计的安全目标。针对动力电池PACK的结构设计环节，相关监管部门已经对PACK结构中的辅件阻燃性做了明确规定，并根据不同的防火等级为不同的塑料材质划进行了划分。在实际设计过程中，可以根据具体的PACK结构设计需求，选择合适的塑料阻燃材料，达到预期的安全阻燃要求，优化动力电池PACK的结构设计。

2.3 热对动力电池PACK金属件表面的影响

在以往的动力电池PACK结构设计中，比较常见的金属辅件主要是钣金件、汇流镍片、导电铜排等。受到焦耳热和电池热传导的影响，这几种金属附件在长时间的使用后都会出现不同程度的表面涂层脱落，这一现象会影响动力电池PACK的后续正常使用，一定程度上无法保障设计之初的防腐需求。

所以，考虑到热对动力电池PACK金属件的影响，在结构设计过程中，应当对金属件表面涂层的耐热情况进行充分的测试，通过短时间温度变化测试的方式考察热对动力电池PACK中金属件表面涂层的状态影响，据此为后续结构设计提供支持，有效保障动力电池PACK结构设计需求的实现。

据此，在明确了上述热因素对动力电池PACK的影响后，相关测试技术人员也应针对已经设计好的电池PACK进行运行测试。通过对电池PACK在不同环境温度下的充电及放电情况、短路情况、内阻情况等基础项目进行针对性的检验测试，从而确保电池包的设计能够满足设计的需求，消除热因素对电池PACK的不利影响，从而推动这一领域的研究和发展。

3  结语

根据上述讨论可以看出，随着电动汽车领域的进一步发展，动力电池PACK作为电动汽车的关键部件之一，关于热对动力电池PACK结构设计的影响也日愈受到人们的关注。在未来的动力电池PACK结构设计过程中，技术人员应从热、材料、电化学等多方面出发，综合考虑实际运行中动力电池PACK的使用需求，在此基础上为动力电池PACK在电动汽车中的运行提供良好的环境，实现动力电池PACK结构设计的目标。

参考文献：

[1]张鹏，张楠，段德昊.新能源汽车动力电池包生热量仿真分析[J].汽车实用技术，2020（09）：22-23，38.

[2]孙亮，王洪卓，李喜龙，鲁常秀，张轲鑫，姜大鹏，刘兆伟.铝合金电池包挡板成形模拟及优化[J].模具工业，2020，46（05）：36-39.

[3]郭辉.基于电动汽车电池包管理控制系统研究[J].轻工科技，2020，36（04）：43-44.

[4]王雄，鲍建勇，王新.电动汽车锂离子电池燃烧风险与控制[J].汽车文摘，2020（04）：5-17.

[5]刘嘉楠，徐宽，张洪杰，王金荣，王海龙，许强.自适应响应面法在电池包尺寸优化研究中的应用[J].设备管理与维修，2020（05）：36-38.

[6]郑志鹏.热对动力电池PACK结构设计的影响因素[J].现代商贸工业，2018，39（12）：197-198.