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新エネルギー車のバッテリーセル間隔の熱分析

2019-05-14

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概要

新エネルギー車の販売台数の増加に伴い、火災事故件数は徐々に増加しています。新エネルギー車の安全規制に対する国の要件と、軽量、高出力、安全なバッテリーに対する市場の需要に対応するために、乗客の死傷者を減らし、バッテリーを増やすために、可能な限り。パックの安全のために、バッテリーパックの熱暴走を減らす必要があります。 現在、バッテリーパックの熱暴走伝播の問題は、主に熱保護技術、つまりセル間に断熱保護層を配置することによって解決されています。


キーワード:


新エネルギー車、バッテリー、断熱設計


1.バッテリーパック単セルの導入


電池セルとは、正極と負極を含む単一の電気化学セルを指し、通常は直接使用されません。 保護回路とケーシングを備えたバッテリーとは異なり、直接使用できます。


現在の主流のリチウム電池セルのパッケージは、円筒形セル、正方形セル(アルミニウムシェルセルとも呼ばれる)、およびソフトパックセル(ポリマーセルとも呼ばれる)に分けられます。それらの構造の概略図を図1に示します。 バッテリーパックの設計では、単一のセルが整然と配置されてモジュールを形成します。


2.電池間の放熱と断熱の必要性と違い


単一のセルは、それ自体の内部抵抗により、電気エネルギーを出力しながら一定量の熱を発生し、それによって温度が上昇します。その温度が通常の動作温度範囲を超えると、バッテリーの性能と寿命に影響を与えます。電池セルの最高温度が60℃を超えると、過熱による電池セルの安全上の問題が発生する可能性があります。リチウム電池セルの理想的な動作温度範囲は20〜45℃です。バッテリーパック内のすべてのセルの中で、最も高温のセルがバッテリーパック全体の安全性を決定し、最も低温のセルがバッテリーパック全体の性能を決定すると言えます。温度差がバッテリーパック全体の寿命を決定します。 。バッテリパックの安全性と長期性能を向上させるために、バッテリパックの熱管理システムは、バッテリパック内のセルの温度が最大許容動作温度を超えないようにする必要があります。最大温度差と各セルの最大温度差は5°C以下です。したがって、セル間の温度が上記の要件を満たしていることを確認するには、セル間に優れた熱放散装置が必要です。セル間の熱放散は、通常、ヒートシンク上の冷却液によって実現されます。


バッテリーパックのバッテリーエネルギー貯蔵部分とエネルギー変換部分は同じ空間に存在するため、過充電、鍼、衝突の際に連鎖発熱反応を起こしやすく、煙、火災、熱暴走などの熱暴走事故につながる可能性があります。爆発さえ。熱暴走は、ユーザーの生命を直接脅かすパワーバッテリーの最も深刻な安全事故です。近年、バッテリーパックの熱暴走伝播の問題は、主に熱保護技術によって解決されています。バッテリーセル間だけでなく、バッテリーモジュール間およびバッテリーボックスと客室の間にも熱保護が必要であり、バッテリーの他のシステムに対する熱暴走セルの熱抵抗を高めて、拡散を防止します。熱暴走目的の。パワーバッテリーシステムの熱暴走に関する現在の研究は、主に、単一セルの熱暴走によって引き起こされ、その後バッテリーパック全体に広がる熱暴走の安全性に焦点を合わせています。これは、単一のセルが熱暴走を引き起こすと、熱が急激に増加し、熱放散量が発生した熱よりもはるかに少ないため、周囲のセルに熱が伝達され、すぐに大きなセルが発生するためです。 -周囲のバッテリーの熱暴走をスケールし、安全上の問題を引き起こします。つまり、1つのセルの熱暴走がバッテリパック全体の熱暴走の原因となるため、主にセル間の熱保護について説明します。セル間の熱保護は、セル間に断熱層を追加して、制御されていない単一セルから周囲のセルへの熱暴走をブロックし、バッテリーパックへの損傷と偶発的な破壊効果を低減することです。


3.バッテリーセル間隔の熱設計


3.1電池セルの断熱加熱方法の設計


セル間の熱放散の問題に関して、いくつかの特許は異なる設計スキームを提案しています。その公開された特許の中で、特許US 7820319 B2は、バッテリーセル間の熱障壁を設計しました。電気殻の外殻または二層外殻または内殻に1層以上の絶縁膨張材料を塗布します。この材料は熱を吸収して膨張するか、コークス状になって熱の拡散を防ぎます。使用できる膨張性材料は、グラファイトベースの膨張性材料、熱可塑性エラストマー、セラミックベースの膨張性材料、バーミキュライト/鉱物繊維ベースの膨張性材料、およびポリリン酸アンモニウムベースの膨張性材料です。 Zee.Aero Companyは、特許US 8993145 B2で断熱対策を提案しています。正方形のバッテリーセル間に断熱層を設定することにより、制御されていないセルの隣接セルへの熱伝達がブロックされ、断熱層が完全にブロックされません。同時に閉じられます。、セル間に対流チャネルがあります。これは、制御されていないセルによって生成された熱を助長して、バッテリーパック全体の熱を放散し、局所的な過熱を回避します。


上記の特許は、遮熱板を通過する熱暴走を阻止する目的を達成しているが、絶縁層を追加すると、セル間の熱放散性能が低下しやすく、一般的な冷却システムが熱放散を満たすことは困難である。要件。


文献(Applied Thermal Engineering、2016、106:131-140)は、熱保護と熱放散を組み合わせた複合パネル熱管理システムを提案しています。複合パネルは、相変化材料と断熱パネルで構成されています。通常動作時のバッテリーパック複合基板の放熱性能を10℃の使用条件を例に分析します。不利な点は、放熱効果を実現するために、複合ボードの厚さが10 mmであり、相変化材料によって吸収された熱が放出されにくく、冷却効果に影響を与えることです。


上記の欠点を解決するために、いくつかの研究では、バッテリーセル間に断熱ボードとヒートパイプグループをずらして配置しました。結果は、このソリューションがバッテリーパックの熱放散能力と均一性を大幅に向上させるだけではないことを証明しています。単一セル間の温度だけでなく、熱暴走の伝播を効果的にブロックすることもできます。 GMのボルトバッテリー管理システムは、上記のモデルに基づいて改良されています。バッテリーパックの設計では、ヒートパイプグループとしてのボルトシングルセルの間に金属ヒートシンク(厚さ1 mm)が設定されています。キャピラリーチューブはヒートシンク上に残されています。冷却液がキャピラリーチューブ内を流れて熱を奪い、熱放散の目的を達成できるようになっています。断熱方式では、バッテリーコア間にフォームを配置する方法を採用しています。とバッテリーコア。


3.2電池セルの断熱材の選択


単一セル間の熱絶縁材料は、単一セルのバッテリシステム全体への熱暴走を効果的に遅延またはブロックできる一種の熱保護材料として、次の条件を満たす必要があります。


1.難燃剤(V0レベルに達する)


2.アンチエイジングと安定した化学的性質;


3.有毒ガスは発生しません。


4.優れた弾力性、低熱伝導率、防水性、防湿性、防振性。


5.軽量、低価格、薄肉


現在、一般的に使用されている断熱材には、発泡プラスチック、超微細グラスウール、高シリカ綿、真空断熱ボード、エアロゲルなどがあります。さまざまな断熱材の長所と短所を表2に示します。

上記の断熱材の選択条件と一般的に使用される断熱材の長所と短所を組み合わせることで、難燃性を備えた特定の材料の軟質発泡材(すなわち発泡体)は、上記の要件を完全に満たします。


1.発泡体は硬度が低く、弾力性が高いため、バッテリーの膨潤応力を吸収し、緩衝作用を発揮します。


2.セルが制御不能な熱を送ると、フォームは断熱材として機能し、熱の拡散を抑制し、事故の発生を遅らせることができます。


3.バッテリーセルが発火すると、フォームの難燃効果により、延焼が遅れ、脱出時間が長くなる可能性があります。


4.発泡体は、優れた弾力性と広い圧縮比を備えており、ポジショニングとして使用できます。


リチウムイオン電池の耐用年数は5〜8年であるため、単セル間の断熱材を選択する場合は、電池の耐用年数よりも使用時間を長くする必要があり、発泡シリコンゴムを単電池として選択できます。セル。断熱材。



3.3発泡シリコーンゴム


発泡シリコーンゴムは、発泡後のシリコーンゴムでできた柔軟で多孔質の高分子弾性材料で、シリコーンゴムと発泡材料の特性を組み合わせた新しいタイプの高分子材料です。発泡シリコーンゴム材料は、優れた熱安定性、絶縁性、断熱性、耐衝撃性、高温耐衝撃性を備えており、特に高周波、優れた耐衝撃性、優れた耐老化性、寿命> 10年で、中間層の充填材として使用できます。


東莞光舞電子技術有限公司製のTSシリーズ発泡シリコーンゴムは、熱伝導率0.09〜0.14W /(m・K)の液体発泡技術を採用しており、優れた弾力性と長期使用安定性を備えています。圧縮反発力は十分に維持されており、単一セル間のサーマルガスケットに最適です。特定の性能パラメータについては、表3を参照してください。セル間の充填材には発泡シリコーンゴムを使用し、その柔らかさはセルの熱膨張と収縮を吸収し、繰り返しの圧縮と反発力はセルに長期的な弾性支持を提供し、その低い熱伝導率は熱を防ぐことができます周囲への暴走電池の拡散。同時に、この材料はUL94 V-0およびHF-1の耐火性を満たし、バッテリーコアが制御を失って発火したときに延焼を遅らせることができます。


4結論


電池セルの断熱方法と材料の設計と選択は、単一セルの熱暴走を防ぎ、電池パックの安全性を向上させる上で重要な役割を果たします。 現在、相変化材料(PCM)などの新材料の開発と応用は、相変化によって熱を吸収し、温度を一定に保ち、セルの断熱材料の選択肢を増やしています。 断熱材の選択は、安全性とコスト投入のバランスをとる必要があり、特定のアプリケーション計画はシミュレーション結果を通じて評価する必要があります。


元の送信URL:http://www.evpartner.com/news/4/detail-39724.html