可再生、可持续的能源评论外文翻译资料

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附录A 译文

可再生、可持续的能源评论

摘 要

在电动汽车( EV )中，由于锂离子( Li-ion )电池组对环境温度、压力和动态机械载荷的敏感性较高，热失控、振动或车辆冲击可能会导致其失效。在很多因素中，电池组的安全和可靠性是公私交通部门实行大规模电气化所面临的最大挑战。本文综述了能够解决这些问题的机械设计特点。研究了70多个来源，包括科技文献，尤其是43个美国专利。该研究通过实例说明，简单的机械特性可以融入电池包装设计，以尽量减少失效概率，并减轻上述安全隐患。此外，对健康电池组的关键部件进行了深入研究，确定了设计这些部件和满足其功能要求的材料。战略电池组的放置技术也以日产LEAF电池组封装设计为例进行了讨论。最后，将本文所述公开的设计方案与雪佛兰Volt电池组设计进行对比，以揭示一个健康可靠的电池封装系统的基本机械设计要求。

关键词 敏感因素；机械特性；锂电池；电动汽车

第1章 引言

锂离子( Li-ion )电池由于具有高功率、高能量密度和长循环寿命等优点，成为纯电动汽车( EV )的首选车载电源^[1]。然而，它们也被认为对环境温度、振动和压力等因素的变化敏感。为了最大限度地提高电池的能量容量，需要对电池温度和电池组工作环境进行控制。为了安全运行，电池温度必须保持在50℃以下^[2,3]。电池组的振动频率也应予以抑制，以避免在0 ~ 7 Hz时的车辆悬挂系统和簧载质量的典型固有频率处发生共振，7 ~ 20 Hz时的车辆动力总成，即传动系统和变速箱，20 ~ 40 Hz时的车辆底盘系统发生共振^[4,6]。设计边界的边际偏差会折中电池组的循环寿命。它还可以启动一个不受控制的放热反应链，导致烟雾或有毒气体的释放和高压事件的发展，导致过早失效、火灾和爆炸。这些边际偏差可能是由于电池组过多的热积累或滥用造成的，包括对电池组的穿刺或破碎^[7,9]。

这种不规则行为是锂离子电池组在电动汽车初期发展阶段的显著特征。它们几次迫使原设备制造商( OEM )将产品撤出市场。2002年，EV环球汽车公司接到了其电动自行车5起锂离子电池过热案例的报告。在其中三个案例中都是电池组着火了。随后，他们通过美国消费者产品安全委员会宣布召回2000个锂离子电池组^[10]。通用汽车公司还召回了在美国销售的大约8000辆雪佛兰Volt，此前2011年^[11]美国国家公路交通安全管理局( National Road Traffic Safety Administration )碰撞安全测试期间发生的通用汽车雪佛兰Volt的锂离子电池组起火事件。近日，美国密歇根州通用汽车( GM )试验场发生一起锂离子电池组爆炸事故，导致5名工人立即寻求医疗帮助^[11,12]。特斯拉汽车也因道路碎片穿透特斯拉S车型的电池组而引发火灾而受到负面宣传。

尽管电动汽车用大型电池组的安全性不断提高，但无论是普通消费者还是OEMS都对电动汽车正常使用过程中的事故和意外感到担忧。因此，对锂离子电池的安全作出了严格的规定^[16]。表1列出了与汽车电池组包装设计和性能测试相关的各种SAE标准。然而，在正确理解锂离子电池组的行为并回答其可靠性问题之前，私人和公共交通部门的大规模电气化似乎是不可能的。研究对能够提高锂离子电池组安全性和可靠性的设计特点起至关重要的作用^[17]。本研究的意义在于，国际标准SAE J1797 -电动汽车电池模块封装推荐规程只适用于铅酸、镍镉和镍金属氢化物电池的封装设计，不适用于锂离子电池组^[18,19]。

据报道，在影响锂离子电池组可靠性的几个因素中，有很多是在制造过程中产生的。最重要的是化学因素，如杂质和浓度，以及连接程序，即材料加工和细胞封闭，要么是密封，要么是卷曲。另一份报告认为，在电池组运行的长期环境条件下，如环境温度、压力、机械和热冲击、机械振动等，对电池可靠性有重大影响。本报告继续提供一些通用的电池组装指南。一项不同的研究指出，电动汽车中锂离子电池组的性能通常很大程度上取决于不受控制的环境操作条件，因此无法根据实验室试验来评估。另一方面，最近的一项工作表明，电池组温度也影响锂离子电池组的可靠性和循环寿命^[20]。

尽管不同的群体对导致锂离子电池组行为不可预测的因素持有不同的看法，但大多数已展开的工作都集中在开发稳定的电解质、新的和安全的电极材料以及锂离子电池的热管理解决方案^[21]。一个经常被忽略的领域是电池组外壳的稳健机械设计对其可靠性的贡献^[22]。商业锂离子电池中纳入的常规安全装置被一组研究人员综述，但他们的工作仅限于单个电池。本文综述了电动汽车大型电池组所包含的安全特性^[23]。

一个稳健可靠的电池封装设计需要解决电池级和模块级的热失控、隔振和碰撞安全等几个设计问题。在每一个这些水平上都需要限制电池组之间的相对运动，以消除电池组的潜在故障。将电池组策略性地放置在电动汽车中也可以提高电池组包装设计的有效性，以解决上述问题。下面几节将提供由不同专利披露的简单机械特性的例子，这些特性可以集成到电池包装设计中，使其可靠，减轻这些严重的安全隐患^[24]。此外，表2还提供了针对健康电池组设计关键问题的专利综合清单。

第2章 热失控

热失控是指电池以大于0.2℃/ min的速率开始自热的放热链式反应 。热量的过度产生导致自热速率进一步增大，最终导致形成电池组的化学成分发生自燃。经历热失控的电池通常会排放大量的气体，这些气体由碳氢化合物蒸汽、流出物射流以及足够的热量来破坏靠近电池的材料^[25,26]。热失控可以由电池内部短路、物理滥用、制造缺陷或电池暴露在极端外界温度下引起^[27,28]。值得注意的是，即使受热电池不处于热失控状态，仍能排放出易燃气体^[29]。

尽管如此，只有在热气体逃离电池组的边界之后，才会有对财产造成任何损害和对人们造成伤害的危险。这里的控制因素是热气中存在的可燃烃的自燃温度( AIT )。只要气态材料局限于电池组，AIT保持相对较高。但一旦气体膨胀并接触到环境大气中所含的氧气，则会显著降低，潜在导致其自燃。正是在这一关头，对财产和车辆乘客，或者对试图控制事件的人的风险大大增加。

此外，随着电池组内的电池进入热失控，相关的压力上升可能导致电池组外壳的灾难性失效。因此，必须在电池组中至少包含一个设计成在预定压力下失效的失效点，以避免发生未知失效点的风险，从而对车辆及其乘客构成重大威胁。

缓解这些风险的一个方面是控制热烟气和伴随热失控事件的出水物质释放的地点或地点。另一个方面是控制电池组区域之间的热相互作用，从而避免单个热失控事件向整个电池组扩散^[30]。

2.1 热障

温度升高可能导致靠近电池区域的安装支架发生热失控熔化或蒸发。因此，电池可能不再被固定在原来的位置。随着受影响的电池组/模块移动，电池组件之间的间距可能减小，导致热失控传播的阻力减小。电池单元/模块的移动也可能损害电池组冷却系统，从而进一步增加热失控传播速率。最后，需要注意的是，如果受影响的单元格/模块运动充分，可能会与相邻的单元格/模块休息。如果这样做，两个区域之间的传热过程将从辐射和对流转变为辐射、对流和热更有效的传导过程的结合。此外，在使用叠层式电池结构，即垂直排列在另一层上的一层电池结构的应用中，一旦支架( s )开始熔化和/或蒸发，引力可加速顶层的移动。因此，必须限制正在发生热失控的电池或模块的移动，以尽量减少热失控传播的风险。

2.1.1 在模块级

美国专利8663824公开了一种将电池组通过交叉构件划分为多个电池组隔室的设计方案。如图1所示，封装设计包括了一个中央电池组件，该电池组件分离了左、右两个隔室，为运行电源和数据线提供了方便的手段。按照这个设计，每个隔间只包含一个电池模块。

在设计中，下部和上部提供了一个简单的方法，通过捕获模块安装法兰来定位和保持模块在电池组内的位置。因此，在模块和电池组顶面和底面之间创建了一个空气空间。这种空气空间保证相邻两个电池组件之间不会发生导电热交换。美国专利7507499中提出的另一种设计也在左右电池组之间有一个很小的气隙，通过在电池组或电池组模块之间提供热障，以及显著限制隔室之间的气体流动，显然限制了热失控传播^[31,32]。Lai等人也报道了一种将电池组划分为若干隔室的典型设计。

2.1.2 细胞水平

间隔棒组件由多个相互独立、相互分离的刚性间隔棒组成。这些都可以被控制在电池模块的相邻电池之间，以确保每个电池保持在预定的位置。刚性隔板可以被摩擦配合或粘合在其位置。

一般来说，在电池安装支架内选择用于集成的间隔组件取决于电池组内使用的电池的类型和形状。美国专利8481191提供了一种用于在电池组中使用圆柱形电池的间隔组件的设计，如图2所示。每个间隔棒的高度在电池整体高度的1 % ~ 5 %之间^[33]。

由于电池间隔棒的主要作用是在热失控过程中保持电池固定的位置，为电池组节省质量并获得较高的比能量( Wh / kg )，因此，相对于电池自上而下运行的长间隔棒，如图3所示的上间隔棒和下间隔棒的尺寸要小得多。虽然只能使用一个间隔物，例如位于细胞顶端或底部附近或中心附近的间隔物，但由于它仍然允许一些移动，所以不首选使用一个间隔物。

此外，棱柱状细胞应保持在一定的结合压力下，以防止细胞绕组内部弹簧力的膨胀和破坏，从而降低细胞寿命。电池细胞间隔棒在细胞两侧产生足够的结合，而不覆盖如此多的细胞表面积，使得冷却变得无效。

美国专利号8709644公开了一种适用于棱柱形电池电池组的电池间隔棒设计。本设计中的间隔符与弹筒状的保持器几何形状有关。间隔棒组件包括肋支撑和它们之间连接的多个绝缘肋。它们一起构成口袋，设计用来接收电池。本专利披露的细胞间隔器还包括顶部和底部法兰，以防止垂直移动。此外，肋骨在Z方向交错，便于使用简单的单向工具。它提供了自配合设计，并消除了需要两个不同的模具，从而降低了制造成本

肋骨会支撑电池，并限制电池放在保持架口袋时的任何移动。它们还为肋支撑提供了一个分布的承载面，为加热或冷却流体流动提供了一个汇聚入口和分流出口。当冷却流体从槽前到槽后的不同截面间隙流动时，流体的入口和出口呈抛物线形，以使压降最小。细胞间隔棒进一步形成包括间隔棒药筒口袋顶部内侧的预成形孔 snap-over特征。当电池组完全坐在药筒口袋底部时，snap-over特性将电池组锁入分离器。因此，snaps阻止细胞在处理时从间隔棒顶部滑出^[34]。

2.2 出口点

通过在电池热失控事件中加入一个或多个被设计打开的排气管来控制热气体的出口点。喷嘴的设置使气体和物料沿着远离客舱的方向流动，并安装在任何可能被逃逸的热流出物伤害的地方，从而使车辆的损伤和相关的安全风险降到最低。美国专利8663824公开了一种此类排气喷嘴组件的设计。为防止道路碎片、水分等任何污染物进入电池组，在车辆正常运行过程中，一个喷嘴密封保持喷嘴关闭。排气喷嘴内集成了一个压力均衡阀，其开裂压力在0.5 - 1.0 psi之间，即远小于热失控事件中遇到的压力，为处理由于非热事件(如由于车辆高度变化)引起的压差提供了一种手段。空心结构元件包含在电池组配置中，用以引导热气和材料从经历热事件的电池流向排气喷嘴。

喷嘴密封是由螺母固定在其位置，在正常工作过程中保持排气喷嘴关闭。在热失控期间，电池组外壳内的压力和温度都增加。最终，螺母熔化或完全变形，使包壳内的压力迫使喷嘴密封脱离喷嘴。然而，由于喷嘴及其安装组件是由钢铁或陶瓷等高温材料制造的，它们不受温度升高的影响，可以继续引导热气向尽量减少人身损失或财产损失的方向发展。

在专利描述和图4所示的配置中，电池隔室是穿孔的。在热失控事件中，电池组内产生的气态物质通过这些穿孔进入电池组中空导轨内形成的空腔。然后，气体通过引导方式流到排气喷嘴，从那里从电池组中释放。

虽然美国专利8663824中提出的设计对于最小化热失控风险非常有效，但其公开的排气喷嘴设计中对热气体的排气，仅取决于从电池释放的热气体产生的压力。为此，有一种可能，当只有有限数量的细胞处于热失控状态时，热出水产生的压力可能不足以打破喷嘴密封。在这种情况下，热气不会从电池组排出。不知何故，积聚的热量可能会流向其他电池舱，从而增加了热失控事件在整个电池组传播的可能性。

美国专利8642204提供了一种高可靠性的电池组，即使在电池释放的气体量较少的情况下，也能够排出热气体。在本设计中，是由装有减压阀的电池组成，在一定压力下开启，以释放电池产生的气体。溢流阀在纵向上大致位于外外围部分的中点，其中形成细胞的一对叠层薄膜被热封。它们通过在预定压力下打开热封层合薄膜的一部分来释放气体。然后从电池中释放出的热气通过气体排放孔排到排气管，将其带到外界环境中。

在这种布置下，排气管道设有多

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