◎ 科技日报记者 杨雪
“电池安全吗？”
“天热会不会起火？”
“防水性能怎么样？”
……
随着新能源汽车进入千家万户，诸如此类的问题时常被消费者提及。
对于地处武汉的岚图汽车科技有限公司（以下简称“岚图”）而言，这样的疑虑更是要经常面对。一到夏季，当地气温高、雨量大，人们既担心高温引起电池故障，又担心汽车泡水后会漏电。
“单体电芯热失控后5分钟，电池不起火，这是国家标准。而我们做到了‘不冒烟’！”日前在接受科技日报记者采访时，岚图动力电池技术负责人刘振勇底气十足地说，“即便浸泡在半米深的水里超过72小时，‘琥珀电池’依然可以正常工作。”
岚图“琥珀电池”，中间包裹圆柱电芯。
这份底气的背后，是岚图在全球首创的新能源汽车动力电池三维隔热墙技术。
防“火烧连营”，为电芯构建“安全舱”
电池是新能源汽车的核心部件，也是最容易出现安全隐患的地方。事故撞击、雨水浸泡、老化短路、过充过放等都有可能触发电池内电芯过热失控，诱发安全事故。
“车用动力电池往往由数百乃至数千个电芯组成，这也意味着存在成百上千个热失控风险点。”岚图新能源技术负责人黄敏告诉记者，“如果某个电芯过热引发其他电芯连锁反应，整个电池会急剧升温、过热、起火，甚至发生爆炸。”
要防止电芯连环热失控，阻断“火烧连营”是关键。问题很直接，但在解决方案上，国内外研究机构选择的技术路径各有不同。有的看重电池管理系统，持续升级软硬件改善电池热管理效能；有的专注电池冷却方案，采用顶部与侧面水冷为电芯散热；还有的聚焦电池封装技术，通过改变封装方式实现电池包整体抗压阻燃。
岚图电池包模拟碰撞测试。
4年前，当岚图研发团队准备攻克这一难题时，大家的意见并不统一。有人认为重点应该放在隔热阻燃，也有人觉得绝缘散热才是焦点。
“其实大家说的都对。我一直在想，能否找到一种融合方案，一并解决这些问题。”刘振勇告诉记者，一次偶然机会，他看到包裹着昆虫的琥珀，思路顿时有了。
为什么不能像琥珀那样，将电芯封装起来？只要找到合适的材料，隔热、阻燃、绝缘都不是问题。
“就好比用特殊材料搭建出一个个‘安全舱’，将电芯悉数包裹起来。”刘振勇打了个形象的比方，“即使某个电芯出现‘暴躁’情况，也只能老老实实待在自己的舱内。”
技术路线直接明了，实施路径却错综复杂。
并不是将整个电芯一包了事这么简单。裸露在外，连接电路的电芯两极怎么办？研发团队苦苦思索解决方案。
“经过反复探讨，大家形成了‘上隔下散’的共识，就是在电芯顶部及四周铺设隔热阻燃材料，在电芯底部部署快速散热系统。”黄敏介绍道。
不断完善电路设计、再三验证冷却方案、来回替换耐温材料……最终，研发团队首创出三维隔热墙技术——电芯与电芯之间通过“琥珀”包裹隔离，电芯顶部布置耐1000℃高温的隔热阻燃层，电芯底部与高效液冷系统接触。
岚图电池包高温淋水测试。
“‘琥珀’为电芯构建‘安全舱’，耐高温隔热阻燃层保护车内人员安全，液冷为极端情况下过热电芯‘降火’。”刘振勇说，即便车辆遭遇事故，造成挤压、燃烧、进水，“琥珀电池”依然能保持安全状态。
选最优材料，让“鱼与熊掌”可兼得
实现三维隔热墙技术的核心是材料，尤其是制造“琥珀”的材料。
研发团队将重心放在了研制这种材料上。
在电芯外包裹材料，就会增加电池的重量与体积，必然造成电池单位质量、单位体积所储存的能量下降，这与动力电池普遍追求的大能量密度存在天然矛盾。
研发初期，因为材料选择的问题，“琥珀电池”的能量密度并不高，车辆的续航能力受限。岚图首席执行官卢放说：“安全与能量一个都不能少，就好比‘鱼与熊掌’要兼得。”
各项性能的平衡，是一项复杂的系统工程。“我们既要考虑防撞、防火、防水与成本，又要考虑重量、体积以及维护保养便利，必须找到‘最大公约数’。”黄敏解释道。
2020年，在由废弃厂房改造成的实验室里，黄敏、刘振勇带领一支10多人的研发团队，把动力电池分成56个模块，开始寻找材料的最优解。
“在防火性能上，我们根据电芯失控后喷发的温度，用不同组合做实验，大概试了40—50种材料。”回忆起当年的实验场景，刘振勇笑道，“56个模块，每天跟点炮似的，你响我响它也响。”
为了控制重量与体积，研发人员从优化注胶工艺着手，一再改良材料及其用量，减少填充空间。不是关键材料的，能减则减；有重量更轻、体积更小的材料，能换都换。
替换再替换，改进再改进，大家反复尝试各种材料的组合与配比。历时一年多，经过不断优化材料构成与比例，研发团队终于找到了解决方案——在电池包内填充一种特殊有机硅复合材料。
岚图电池包——五层安全防护。
“这种材料由有机硅聚合物、低密度隔热材料和阻燃剂构成，经铂金催化后形成高效隔热阻燃绝缘层。”黄敏说，它像透明的琥珀一样将电芯包裹其中。
试制产品进行安全性能验证时，现场鸦雀无声。
大家屏住呼吸，紧盯热失控系统试验箱内的动力电池。
50℃、100℃、200℃……箱内温度急速上升至300℃。
无冒烟、无起火、无爆炸，即使最靠近“炉火”的电芯，监测显示其温度也没有超过70℃。
“成功了！”大家欢呼起来。安全性能高、能量密度大的“琥珀电池”终于问世。
安装了“琥珀电池”的岚图汽车，从中国起步，驶向世界。2022年，驰入北欧；2024年，开进南欧……
“发展新能源汽车是我国从汽车大国迈向汽车强国的必由之路。”展望未来，卢放信心十足地说，“我们将持续发力科研攻关，推出更加安全智能的新能源汽车，为中国制造增添新亮色！”
文中图片均由岚图提供
来源： 科技日报
为什么电池热管理系统很重要？本文将讨论上一篇文章中提到的电池热管理系统。锂离子电池喜欢与人类非常相似的温度范围，约为23℃。电池组中的电池热管理系统通过冷却或加热电池将电池调节到合适的温度。一个简单的电池热控制系统是在电池中安装一个热交换器，使电池保持在恒定的温度范围内。有很多方法可以做到这一点，但常见的方法是通过某种介质将热量从电池传递到电池外部。
为什么电池热管理系统很重要
对于电池，最合适的温度是23℃左右。在电池组中，电池组中的电池之间也存在温差。通常，电池热管理系统需要将电池串中电池之间的温差保持在两到三度之间，在最坏的情况下，温差应控制在6~8℃之间。
热管理非常重要，因为高温是加速电池老化的敏感条件。当电池组内部电池的温差太大时，每个电池的老化速度也会有很大的差异。热电池通常比冷电池老化更快，电池组的寿命取决于性能最差的电池，因此温度不平衡意味着电池组的预期寿命缩短。
电池热管理系统的注意事项
三个因素：电池类型、工作环境、电池状况
复杂的电池热管理系统将高度依赖于三个因素。第一个因素是工作的电池类型。高功率电池会产生大量热量，而低功率电池会产生更少的热量。第二个因素是使用电池的环境。如果电池在较高温度下使用，则意味着电池开始工作时已经很热。第三个因素是电池本身的状况。不同材料系统的电池具有不同的温度。因此，在设计电池热管理系统时需要考虑这三个因素。
三种类型的热交换：传导、对流和辐射
同时，在电池和电池热管理系统的设计中需要考虑三种类型的热交换：传导、对流和辐射。传导是两个接触物体之间的直接传热；对流是通过流动介质向吸热装置传递热量。辐射是指能量以电磁波或粒子的形式向外扩散，通常通过气体或真空。在系统设计中必须考虑这三种传热模式，但热传导和热对流是电池热管理系统设计中需要考虑的主要因素。
软包锂离子电池安装在右侧的冷却单元和左侧的相邻搁板上。热量从电池到冷却板，再到冷却通道，通过热传导的方式实现。冷却板通道中的流动介质通过热对流去除热量。电池的热量通过传导传递到总线。电池左侧用于机械支撑的框架与电池没有直接接触，电池中的热量通过热辐射传递。
当电池放电时，它产生热量，热量通过热传导传递到总线和连接到电池的其他部件。电池热管理系统使用液体通过对流加热或冷却它们。同样，电池可以通过使用冷气体的对流来冷却。辐射热的影响不容忽视。虽然加热单元没有直接连接到其他单元或部件，但它可以通过辐射加热。类似地，如果电池热管理系统设计得不好，加热电子部件也会通过辐射影响电池。
设置电池热管理系统的温度
锂离子电池在10-35℃的温度范围内工作良好，这意味着电池热管理系统的温度维持应设置在该温度范围内。这也是大多数情况下电池组需要保持的温度。在此温度范围内，电池不会发生额外的氧化还原副反应。
大多数锂离子电池不能在-20℃以下或45℃以上工作。低于-40℃时，电解液会凝固或沉淀锂盐，此时电池的阻抗显著增加，离子迁移率较差，电池的容量和功率性能显著降低。当电池的温度超过60℃时，处于充电状态的阳极和阴极材料变得不稳定。
热量是电池热管理系统设计中使用的一个重要概念和参数。热是能量的一种表达。电池组中的每个质量物体都可以吸收热量，包括电池单元和电池组中所有的部件。每个物体吸收的热量与其质量和比热容（材料特性）直接相关。
例如，相同质量的铜母线可以比塑料吸收更多的热量。如果物体吸收的热量超过相变或反应的阈值，则材料开始发生变化。塑料熔化或燃烧，金属熔化或氧化。除了一些与热源直接接触的电子部件外，热通常不是主要的设计考虑因素。
然而，在被动冷却电池组或没有冷却装置的情况下，必须估计热量的影响。如果应用于温度较高的地区，可能会有所帮助。在这种环境下，电池组从周围环境中吸收热量，迫使电池热管理系统努力工作以保持温度。例如，在亚利桑那州，夏季的环境温度为38-44℃或更高，电池从环境中吸收热量。因此，需要主动冷却以将电池的初始高温降低到23℃，从而提高电池系统的性能和寿命。
热失控的演变
如果电池的温度高于90℃，聚合物基隔板开始熔化并被破坏，在90～130℃之间隔板将继续被破坏，直到阴极和阳极之间的内部短路，那么电池将出现热控制。在实践中，热失控意味着电池达到足以产生自身热量的温度，随后发生燃烧或爆炸（通常称为“快速拆卸”）。一旦堆芯超过阈值，就没有办法防止自发热并导致热失控。不同锂离子电池的热失控温度阈值不同。一些电池可能在低温（如120℃）下引发热失控，而另一些电池可能超过140℃。
热失控的演变始于细胞内化学物质的分解，随后是一系列的析氧副反应，这些副反应加速了细胞的持续燃烧。如果电池密封良好，足以防止空气中的氧气接触电池中的可燃材料，那么当电池内的氧气用完时，燃烧将无法持续。
研究表明，当热量失控时，最高温度可能超过600~800℃。具体温度取决于电池的大小和失控的电池数量。几乎没有有效的方法来防止锂离子电池因热失控而失效。设计者试图通过设计电池热管理系统来尽可能地提高电池组的安全性，方法是隔离故障电池或排出故障电池产生的气体。在任何情况下，管理单元故障都需要系统的整体方法。但到目前为止，还没有有效的方法来防止细胞的失效。
与电池热管理系统相关的术语
我们还需要简要讨论与电池热管理系统的设计和测试相关的一些术语，首先对它们进行一些描述，以更好地理解这些概念。
绝热
第一个术语是绝热。绝热与热力学第一定律有关。在这种情况下，绝热意味着外界和电池之间没有热交换。在锂离子电池领域，通常在绝热条件下测试锂离子电池的热特性。该方法是将电池放在一个改变温度的热室中，使其在测试时保持与电池相同的温度。这使得有可能精确计算电池在给定操作环境中产生的热量。
放热反应和吸热反应
另一个术语是“放热反应”和“吸热反应”，放热反应是指将能量释放到环境中，使其升温。吸热反应是从周围环境吸收热量并降低环境温度的反应。绝大多数锂离子电池在放热反应中放电（释放能量），这需要电池热管理系统来处理产生的热量。
