基于風冷模式的18650動力電池系統安全性設計研究*

裴鋒 符興鋒

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院）

基于風冷模式的18650動力電池系統安全性設計研究*

裴鋒 符興鋒

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院）

針對某純電動乘用車的使用要求，設計了基于風冷內循環結構的18650動力電池系統，研究和分析了18650動力電池的結構安全性、熱管理安全性和阻燃與絕緣安全性。以該18650動力電池的試驗數據為基礎，結合理論計算公式，建立了18650動力電池的生熱仿真計算模型，對電池風冷內循環系統的流場進行了分析計算，根據仿真計算結果優化了電池箱內部流場設計。通過實車試驗和低溫加熱均衡試驗，驗證了基于風冷模式的18650動力電池系統的安全性。

1 前言

18650動力電池是目前應用最廣泛的卷繞型電池類型之一，它不僅應用于移動電源、筆記本電源等領域，也可應用在新能源汽車上，如美國的特斯拉公司選用了日本松下的三元18650動力電池作為其純電動跑車的驅動電源[1～3]。自2008年特斯拉Roadster純電動跑車量產上市以來，因其良好的銷售業績和使用性能，使得18650動力電池在新能源汽車上的應用也受到了重視，對18650動力電池系統的研究也成為行業內關注的熱點[4，5]。目前，國內外電池生產廠商加大了18650動力電池的生產和研究力度，部分整車企業也在各自的新能源汽車上開始了18650動力電池的應用研究，并且推出了一些應用車型。

由于18650動力電池的安全性相比大容量方形、軟包裝動力電池有較大差距，因此開展18650動力電池安全系統設計研究，對推動節能與新能源汽車的產業化發展具有重要意義。本文以我國某款純電動乘用車為研究對象，重點研究18650動力電池系統的安全性設計問題。

2 18650動力電池特點

由18650動力電池組成的動力電池系統具有如下優勢[6，7]。

a.電池生產自動化程度高，產量大，產品穩定性和一致性好；

b.布置靈活，空間利用率高，電池比能量高，可在有限的空間內布置更多的電池,特別適用于電池箱體結構較復雜的車型；

c.具有成本優勢。目前日本松下的三元18650動力電池售價為1.4元/Wh，隨著18650動力電池產量的持續提升，預計其售價將會低于1.0元/Wh。

雖然18650動力電池的優點突出，但相比其它大容量電池也存在如下不足：

a.電芯的設計和生產技術要求高；

b.單體電池內阻大，使用過程中發熱量較大，而且電池模組成組難度高，熱管理系統設計復雜；

c.電池的循環壽命僅500多次，遠低于方形和軟包電池（超過2 000次）壽命；

d.電芯個數較多，安全保護系統設計難度大，失效幾率呈幾何級數增加。

為有效解決以上問題特別是電池的安全性問題，必須對18650動力電池系統的安全性設計問題進行研究。

3 18650動力電池系統安全性設計要求

18650動力電池最大的安全性問題是使用過程中電池的發熱量較大，容易引起熱失效。18650動力電池系統的安全性主要包括如下幾個方面。

3.1 18650動力電池的結構安全性

18650動力電池的結構安全性設計主要是指電池在制造和封裝過程中采取的保護性措施。由于封裝后的電池在使用過程中內部發生故障的概率較低，主要的問題都集中在電池封裝的外部端子上，因此18650動力電池結構安全性設計的主要內容集中在電池設計生產過程中的保護裝置設計上。

3.2 18650動力電池的熱管理安全性

18650動力電池在使用過程中發熱量大是一個普遍的現象，因此其熱管理安全性比方形和軟包電池要求更高。以特斯拉為例，6 831顆18650動力電池采用分層式管理，每69個3.3 Ah電池并聯構成電池模塊，99個電池模塊串聯構成整個電池系統。特斯拉電池溫度檢測系統設計非常復雜，每個電池單體都要通過光導纖維與1個熱敏電阻串聯，光敏傳感器通過光導纖維連接到電池管理系統，如圖1所示。

特斯拉的動力電池冷卻系統設計的也非常復雜。整個電池液冷系統分為2層，第1層冷卻回路專門為動力電池組降溫，第2層冷卻回路負責與整車外圍的冷卻回路進行熱交換。整套電池液冷系統的成本超過了20 000美元。

3.3 18650動力電池的阻燃和絕緣安全性

三元型的18650動力電池材料通常為鎳鈷錳酸鋰（NCM）或錳酸鋰（LiMn2O4），特斯拉選用的是鈷酸鋰材料的18650動力電池，相比磷酸鐵鋰材料電池，三元型和鈷酸鋰電池的高溫狀態穩定性較差，因此需要在電池的安全性保護方面進行專門的設計。

每個單體18650動力電池之間需要設計保險裝置、阻燃裝置和絕緣防護裝置，一旦發現某個單體電池出現問題，保險裝置需要及時切斷該電池與其它電池單元的聯系；一旦某個單體電池內部出現了起火或爆炸情況，阻燃裝置可控制火勢，不至于蔓延到整個電池包；如果某個電池單體內部出現了漏液或電路出現了短路等故障，絕緣防護裝置需要立即將漏液的電池或短路的電路與整個高壓電路隔離開，防止其它正常狀態的電池和電路受損。

整個18650動力電池系統安全性設計的目標是，盡量降低單體18650動力電池的損壞風險，即使某個18650動力電池出現問題，車輛也不會因此拋錨，僅是車輛的續駛里程受到影響。

4 18650動力電池安全控制系統設計

綜合考慮18650動力電池國內外生產和應用的實際情況、整車布置空間限制要求和比能量設計要求，該款純電動乘用車所用的18650動力電池選用NCM材料電池，動力電池箱布置在底盤下部。整個18650電池包的總質量比方形和軟包電池包輕約129 kg，約為方形和軟包電池總質量的63.7%。

4.1 18650動力電池的結構安全性設計

18650動力電池內部設計有自恢復保險絲PTC裝置（Positive Temperature coefficient resistance,PTC）。PTC裝置通常由聚合物和導電材料組成，在正常工作狀態下，導電材料構成了導電通路，處于低阻狀態；當電池出現故障產生異常電流時，導電通路斷開，PTC阻值迅速升高從而抑制異常電流；當故障排除后，導電材料重新構成導電通路，PTC阻值又恢復為低阻狀態。

在18650動力電池內部設計有雙極耳結構，即在動力電池的負極片兩側分別焊接有長極耳和短極耳，一方面改善了電池大電流充放電性能，另一方面保證了極耳的焊接穩定性。

在18650動力電池的內部增加了電流切斷裝置CID（Current Interrupt Device,CID），如圖2所示。其原理是：當18650動力電池單體失效時（如過熱、短路和過充等），其內部有可能產生很多氣體，氣體會使電池內部壓力增大，此時焊接到鋁板和泄壓片上的焊點將脫落，泄壓片翻轉，CID裝置將單體電池內部電路與正極切斷，氣體被及時放出，相鄰電池的柔性連接裝置斷開，這樣就避免了單個電池單體失效引發的連鎖反應，同時將電池失效的范圍控制在最小。

4.2 18650動力電池的熱管理安全性設計

為準確獲得18650動力電池箱使用過程中的環境溫度情況，選擇了1輛同型號的乘用車在廣州（夏季）市區路面上進行了4天的車輛溫度統計測試，試驗結果見表1。

表1 廣州（夏季）城市路面環境下車輛溫度變化情況 ℃

由表1可知，動力電池箱所在的底盤下部屬于整車上環境溫度變化不敏感位置，在行車過程中底盤下部的環境溫度較為恒定，維持在40℃左右，環境溫度變化范圍≤3℃，屬于動力電池箱較理想的安裝位置。

動力電池箱安裝位置確定后，需要選擇合適的動力電池冷卻方式來滿足EV車輛的使用要求。經綜合考慮，該款純電動乘用車所用18650動力電池選用風冷冷卻方式。表2是試驗得到的18650動力電池不同放電倍率下溫升試驗數據。圖3為不同充放電倍率下，電池容量和溫度的變化曲線。由表2可知，該18650動力電池系統的電池溫度宜控制在50℃以下。

表2 18650動力電池倍率放電發熱溫升試驗結果

根據表2和圖3的測試數據構建18650動力電池的生熱仿真計算模型，動力電池生熱行為的分析計算可選用以下熱平衡方程[8～10]：

式中，q為電池的生熱速率；ρ為材料密度；cp為質量定壓熱容；T為電池溫度；Ta為空氣溫度；qc為電池通過表面向外的熱量耗散率；h為電池表面與空氣的對流換熱系數；a為參與計算電池發熱率的截面積；Eo為電池開路電壓；E為電池電壓；ap和an分別為參與計算電池發熱率的正、負極截面積；λ為電池不同方向的輻射影響參數（熱導率）；ip和in分別為電池正極和負極的內阻；Vp和Vn分別為電池正、負極的潛在性電壓；rp和rn分別為電池正、負極的內阻計算值。

電池的生熱包括化學反應熱和焦耳熱。化學反應熱qc和焦耳熱qJ的計算公式分別為：

式中，ΔS為電池內部的熵變化；F=96 484.5 C/mol為法拉第常數；n為參與化學反應的電子轉移個數；i為電池的通過電流。

根據以上的理論計算公式，結合試驗測試數據可以構建18650動力電池的生熱理論仿真計算模型，圖4為設計的18650動力電池箱風冷內循環結構的熱管理系統原理。由圖4可知，整車通過外圍設計的液冷管路，將空調的冷媒通過銅管引入到電池箱內部的冷凝器，電池箱內部冷卻后的空氣通過蒸發器由風扇吹向電池箱內部，構成內部循環流動的流場，使得風冷結構的電池得到冷卻，圖4中箭頭方向為冷卻風循環流動方向。同時電池箱內部還設計有電池加熱裝置（PTC加熱器），加熱電路和充電電路并聯在一起，當充電機給電池充電時，加熱回路斷開；當電池需要加熱時充電回路斷開，充電機提供加熱電源給動力電池PTC加熱器進行加熱[11]。由于整個電池箱的風冷循環僅僅在電池箱的內部進行,因此電池箱體可以做到很高的IP防護等級（IP67）。

4.3 18650動力電池模組的阻燃和絕緣安全性設計

為了防止單體18650動力電池失效引起相鄰的電池單體損壞，需要在電池模組的設計中考慮不同電池單體之間的通風、阻燃和絕緣防護設計。由于不同電池單體之間需要保持足夠的安全距離，但是安全距離過大又會增大18650電池模組的設計尺寸，影響箱體結構的設計，因此需要在電池模組的設計中兼顧足夠的安全距離和設計結構的優化。

通過大量的仿真模型計算和試驗測試數據，最終確定動力電池模組的電池單體表面積最小距離為2 mm，如圖5所示。整個電池模組結構為蜂窩狀設計，在上下固定裝置上均裝有ABS底板，單體電池和鋁制的集流板焊接在一起，并聯的電池單體直接通過可熔斷柔性連接裝置連接（圖2）。

在不同電池模組之間增加了絕緣紙以提高絕緣的可靠性，電池模組正負極的匯流排與電池模組接觸的位置貼有加厚的絕緣紙，所有的電池單體焊接后采用不可燃固態膠進行灌膠處理。電壓采樣線、溫度傳感器線纜、溫度傳感器采樣線束固定膠帶等均為阻燃材料[12]。

5 18650動力電池安全控制系統設計仿真

5.1 18650動力電池的系統安全性設計仿真

按照18650動力電池安全結構設計方案，搭建控制系統模型，通過仿真計算預估安全系統設計的有效性。

在仿真試驗過程中，可通過在動力電池系統仿真計算模型中人為修改關鍵輸入信號的閥值觸發一些故障，以此觀察18650動力電池系統的故障處理機制是否生效。修改輸入參數為：輸入電流值為350 A，觸發電流過流故障，持續10 ms后設置為小電流正常值20 A；輸入電壓值為380 V，觸發電池過壓故障，持續8 ms后設置為正常值；輸入電壓差值為1 000 mV，觸發電壓差過大故障，持續15 ms后設置為正常值300 mV。在電池系統的軟件設計要求中，過流、過壓和電池壓差過大等故障都會觸發整個高壓系統上報系統故障，但不會被系統鎖定故障，即故障自動消失后系統故障也消失，高壓系統恢復正常；絕緣故障會觸發高壓系統上報嚴重故障并被鎖定，在絕緣故障消失后系統故障不消失且被鎖死。在絕緣故障觸發系統嚴重故障后，如果此時的車速≥30 km/h，則高壓系統不掉電，車輛以較低車速（25 km/h）行駛，儀表會提醒駕駛員車輛出現故障，需要盡快停車維修。

圖6為18650動力電池系統故障仿真結果，由圖6可看出，所設計的電池安全管理系統及時上報了相應過流、過壓和電池壓差過大觸發的故障，在故障自動消失后，電池安全管理系統恢復到正常狀態；絕緣故障觸發后，電池安全管理系統上報嚴重故障，絕緣故障消失后，故障不消失且被鎖定，仿真試驗結果符合設計要求。

5.2 18650動力電池的熱管理安全性仿真

將需要仿真分析的18650動力電池系統的熱管理流場問題假設為穩態問題，采用分離式算法，將分析的模型全部設定為不可壓的常密度模型，選擇Realizablek-epsilon湍流模型進行分析。設定設計流場流量要求為308CFM，選用的內循環風冷系統的冷卻風扇最大轉速為3 800 r/min，控制溫度值設為30℃，選用空氣為冷卻介質進行分析計算。圖7為通過軟件仿真分析得到的1865動力電池某典型截面積的發熱量計算云圖。

由圖7可看出，由于冷卻風分布并不均勻，這個截面位置的電池溫度偏高，需要重新設計電池包內部的流場導流裝置。根據18650動力電池理論生熱模型計算結果和電池箱內部冷卻系統流場分析結果，對動力電池箱內部的電池模組排布結構和導風槽重新進行了設計，以降低流場內部的風阻，并將圖4中所示的冷卻風扇位置重新進行了調整，將原有的5個風扇增加到11個，冷凝器兩邊布置2個風扇，箱體的4個底角位置各增加1個反向對吹風扇，以滿足18650動力電池的風冷內循環溫度熱管理要求。

圖8為更改電池箱內部流場設計后的仿真分析結果，由圖8可看出，重新設計后的電池箱內部冷卻風流場循環分布更加均勻，模組內部的冷卻情況改善，模組之間的溫度不均衡性變得很小。

圖9為更改設計后的18650動力電池熱管理系統在NEDC工況下運行時的電池平均溫度仿真計算結果。由圖9可看出，在NEDC工況下，18650動力電池的溫度隨車速的增加呈現緩慢增加趨勢，在高速運行工況下溫度累積上升較快，在中低速工況下電池溫度增加較為平緩，整個NEDC工況下電池平均溫度累積最高增加約7℃，符合設計要求。

6 18650動力電池系統安全性試驗

6.1 18650動力電池的安全性試驗

18650動力電池的單體安全性試驗包括硬件短路試驗、單體爆炸試驗、熱失穩試驗和碰撞擠壓試驗。試驗結果見表3。

表3 18650動力電池單體安全性試驗結果

圖10為18650動力電池的單體爆炸和單體燃燒試驗照片。由圖10可看出，發生單體電池爆炸時，正極電池帽被沖開，模組中相鄰的電池單體未受到影響；與此類似，發生單體電池燃燒時，正極電池帽被沖開，火勢持續超過10 s后自動熄滅，相鄰1個電池的阻燃板被熏黑。

圖11為整車搭載18650動力電池箱進行GB 20072—2006后碰撞試驗后動力電池箱拆解后的照片。由圖11可看出，經過整車后碰撞試驗后，18650動力電池箱發生了沖擊變形，某塊采集從板燒毀，導致相連接的3個電池模組短路損壞，部分電池模組發生較大變形，拆解后發現電池單體有明顯的擠壓變形情況，電池模組電壓正常。試驗結果表明，雖然動力電池包有電池模組和元器件損壞，但是沒有發生爆炸、起火、冒煙、漏液等情況，整個高壓電路被切斷，絕緣檢測正常，因此整個后碰撞試驗通過了GB 20072—2006和GB/T 19751—2005的要求，即所設計的18650電池模組的安全性滿足設計要求。

6.2 18650動力電池的熱管理安全性試驗

圖12是整車在NEDC循環工況下測試得到的18650動力電池相關數據，縱坐標是從示波器上采集到的7個最關鍵的電池信號變化情況。測試開始時18650動力電池SOC值為95.7%，接近滿電。試驗初始時刻初始電池溫度為27℃，完成1個NEDC循環工況測試后，SOC值為86.5%，電池的最低溫度、平均溫度和最高溫度依次為30℃，33℃和36℃，電池的最高溫升為9℃，最低溫升為3℃，平均溫升為6℃，最大溫差為6℃。

為測試18650動力電池系統是否可達到熱均衡，對18650動力電池箱進行了低溫下的加熱循環測試。試驗在初始溫度為-10℃的恒溫恒濕箱中進行，加熱器功率為600 W。測試條件為：加熱過程中風扇正向吹風7 min，反向吹風3 min，循環進行；控制策略為：電池最低溫度Tmin≤10℃時啟動加熱器，電池最大溫差△T＞15℃時關閉加熱器，電池最低溫度Tmin≥12℃時關閉加熱器，循環進行，持續時間為1 h。表4為18650動力電池箱在低溫下的加熱循環測試結果。

表4 18650動力電池箱加熱均衡試驗結果

由表4可知，在加熱試驗的前20 min，18650動力電池單體的加熱效果不一致，有的電池溫升較快，有的電池溫升較慢，溫升快的電池最高溫度為1℃，溫升慢的電池最低溫度為-10℃，平均溫度為-6℃，電池溫差較大，熱不均衡現象明顯；當試驗在20～40 min范圍內進行時，電池溫差加大，熱不均衡現象加劇；當試驗進行至40～60 min時，溫度較高的電池溫度開始接近熱平衡，溫度較低的電池溫度上升速度加快，在試驗結束時整個電池系統基本達到了熱平衡，最大溫差在可接受的范圍內（≤5℃）。這個結果也說明了在加熱過程中電池溫度呈現逐漸達到熱平衡的趨勢。

上述試驗結果表明，經過合理的電池安全防護設計，18650動力電池系統可以擁有其它類型動力電池系統同級別的安全性能。

7 結束語

針對在某純電動乘用車所EV車輛上應用的18650動力電池系統進行了研究，探討了18650電池的特點和在EV車輛上的應用情況。

a.建立某純電動乘用車所了18650動力電池的生熱計算模型，分析了18650動力電池系統的內部流場，根據分析計算結果優化設計了電池內部結構。

b.針對某純電動乘用車所用18650動力電池系統進行了安全性設計，通過仿真和試驗驗證了其安全性。

c.通過對該18650動力電池系統的實車驗證試驗和低溫加熱均衡試驗，表明其具有良好的熱管理性能。

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（責任編輯文 楫）

修改稿收到日期為2015年2月27日。

A Research on Safety Design of 18650 Power Battery System Based on Air Cooling Mode

Pei Feng,Fu Xingfeng
（Guangzhou Automobile Group CO.,LTD Automotive Engineering Institute）

18650 power battery system based on air cooling internal circulation structure is designed in accordance with operating requirement of an electric passenger vehicle,and structural safety,thermal management safety,flame retardant and insulation safety are studied and analyzed.Based on test data,and also in combination with theoretical calculation formula,18650 power battery heat generation calculation model is built,and flow field of battery air cooling internal circulation system is analyzed and calculated,design of battery pack internal flow field is optimized according to simulation results.Safety of 18650 power battery system based on air cooling mode is proved by vehicle test and low temperature heating equilibrium test.

Electric passenger vehicle,18650 power battery,Safety performance,Air cooling internal circulation system

純電動乘用車 18650動力電池 安全性 風冷內循環系統

U467.1

A

1000-3703（2015）08-0048-06

863計劃資助（2011AA11A218）；廣東省重大科技專項（00191350136655018）。