对复合电池外壳的热设计进行故障排除

电池外壳容纳电池单元，可以设计用于帮助防止和控制热失控事件。图片来源，所有图片：Bold Valuable Technology

电池面临的最大威胁是热失控。因此，优化电池外壳的热性能不仅可以防止热失控的发生，而且还可以减轻其在整个电池组中的传播，这一点至关重要。

当过充电或过热等缺陷导致电池产生的温度高于可消散的温度时，就会发生热失控。这种升高的温度会触发电池内的放热化学反应，从而释放热量，进而促进进一步的放热反应。这会导致连锁反应蔓延到相邻的电池，通常会导致起火和电池的完全损坏——以及车辆的潜在损坏，具体取决于其严重程度。

为了帮助防止和控制热失控事件，电池设计中包含了压缩垫、模块外壳和电池外壳。压缩垫放置在每个电池单元之间，以防止一个单元中的热失控传播到相邻的单元。然后将这些电池组合在一起并安装在模块外壳中，以避免热失控扩散到其他模块。最后，这些模块安装在电池外壳内，旨在保护车辆的其余部分免受热失控的影响。

电动汽车 (EV) 电池外壳的具体设计、形状和尺寸因使用的电池类型、冷却要求、模块分布和应用（例如车辆类型和可能使用的环境）而有很大差异工作。然而，一般来说，模块外壳包括：(1) 外壳底座 (2) 外壳外壳 (3) 连接内部和外部组件的连接板和 (4) 排气阀，以实现压力平衡或释放气体在热失控期间。

材料

用于电池外壳的材料需要具有高热性能、良好的机械性能以及重量轻。传统上，铝和钢因其高耐热性和适合大规模生产而成为首选材料。然而，较重的金属重量是一个显着的缺点，特别是对于混合动力和电动汽车而言，较低的车辆质量意味着更高的能量密度和更长的车辆续航里程。目前，电池的质量可以占车辆重量的 50%。

另一方面，复合材料提供了一种轻量级的替代品，并有可能在许多方面超越金属，但由于其高复杂性和成本的声誉而经常被忽视。例如，Bold Valuable Technology  （西班牙巴塞罗那）最近帮助为赛车运动客户开发了碳纤维增强聚合物 (CFRP) 外壳。原始外壳由铝制成，重 6.7 公斤（14.8 磅）。CFRP 替代品的重量减轻了 91%，重量仅为 616 克（1.35 磅）。

为了实现电池外壳所需的高热和机械性能，主要使用碳纤维热固性预浸料。碳纤维为外壳提供强度和刚度，并预浸有环氧树脂等高级树脂系统。然而，通常与这些预浸料一起使用的手动铺层工艺，以及较长的固化时间和对高压釜的历史需求，已将预浸料电池外壳限制在低产量。

虽然汽车应用中使用的典型工程热塑性树脂（例如，聚酰胺/尼龙、聚丙烯）提供快速成型时间，因此更容易大规模生产，但它们在较高温度下的有限行为使其不适用于电池外壳。此外，为了达到所需的机械性能，必须增加壁厚，这会增加重量。

因此，Bold 目前正在探索新的材料概念，以实现热固性预浸料的高性能以及热塑性塑料的可制造性。一种这样的材料选择是具有玻璃纤维增​​强的聚碳酸酯基热塑性塑料，可用于标准注塑成型工艺。

Bold 使用 Hypermesh 和 Optistruct 软件对电池外壳的各向异性复合材料进行 FEA 模拟。

复合材料的另一个优点是能够优化纤维的方向以满足每个电池外壳的特定负载要求。有限元分析 (FEA) 在设计过程中被大量使用，以确定纤维的方向和实现具有高刚度和强度的外壳同时保持轻量化所需的层数。

然而，金属的各向同性特性仍然为电池外壳提供了一些好处，并且经常在螺栓连接点周围使用。在外壳的一个部分被夹到另一个部分的情况下，通常由铝或钛制成的金属插入物可以结合到层压板中，以在这些特定位置提供额外的强度和刚度。

电气绝缘

在开发电池外壳时，电绝缘是另一个考虑因素。碳纤维是导电的，因此玻璃纤维层被集成到层压板中，以电绝缘特定的电子元件。

UL94 可燃性标准的一项测试使材料在特定的时间内受到火焰的影响。

为了确定必要的层数，Bold 测试了各种玻璃纤维样品的介电强度。使用的其他材料是 Kevlar、Zylon 和 Dyneema，它们更轻，但仅用于常规应用，因为它们的玻璃化转变温度 ( _Tg ) 低于玻璃纤维。每个样品使用不同类型的树脂基质并具有不同的层数。将样品置于铜板之间并施加电压。然后使用材料允许通过的电流量（以安培测量）来确定材料的电阻。这些测试表明该类型树脂的数量——而不是层数——决定了介电强度。因此，在碳纤维层压板内只需要几层玻璃纤维就可以有效地使外壳电绝缘。

认证

为了保证电池和电池外壳的热性能，必须成功通过各种安全测试和标准，然后才能对电池进行使用认证。第一个标准是UN38.8，它证明了锂电池在运输过程中的安全性。这涉及八项测试，包括高度模拟、热测试、振动测试、冲击测试、外部短路、冲击和挤压、过充电和强制放电。电池还需要根据 ECE R100 REV2 进行认证，该 R100 REV2 规定了必须对安装在四轮电动汽车中用于人员或货物运输的锂电池进行的必要测试。在航空方面，必须考虑 DO311A 和 DO160G 等其他标准。

关于电池外壳，复合材料需要满足 UL94 标准的可燃性安全性。这涉及多个表面、垂直和水平燃烧测试，其中在特定时间段内多次将受控火焰施加到材料上。移除火焰后材料继续燃烧的持续时间以及烧穿或燃烧滴落的证据量决定了材料是否达到 V0、V1 或 V2 UL94 等级。火焰自动熄灭的速度越快，材料的抵抗力越强，等级越高，以V0为最高等级，在不到10秒的时间内熄灭，没有火焰滴落。

电池热模拟。

为确保其电池外壳满足这些标准，Bold 开展了自己的综合测试计划，其中包括机械、介电、可燃性和热失控测试。使用完全制造的电池外壳进行这些测试的成本很高，因此通常使用材料样品代替。为了测试热失控的影响，将单个电池放置在罐中并诱导热失控。测量从电池排放的气体体积，然后可以计算外壳必须承受的压力。

每次进行测试时，这些数据都会反馈到仿真软件中，并且结果会相互关联。这提高了材料预测机械和热性能的准确性，使工程师在优化复合电池外壳的层数、类型和厚度时充满信心。

最大化热性能

最大化电池外壳的热性能是一个矛盾的挑战。一方面，应使用导热材料，以便将电池内部的热量散发出去，从而降低温度并降低热失控的风险。然而，一旦热失控开始，电池外壳需要由耐热材料制成，以隔离事件并防止在整个电池组中传播。

通常，从电池中提取的热量被引导到冷却板，以确保整个电池的适当热管理。然而，在电池附近使用热界面材料来帮助提取电池的热量并将其引导到外壳而不是相邻的电池有助于平衡这种导热的二分法，同时确保热阻。温度隔离材料放置在电池之间，以避免热量从电池扩散到电池。