動力電池復材箱蓋的耐熱失控性能探究

邵力行，趙傳軍*，黃姿禹，張 偉，李 煒，馮兆玄

動力電池復材箱蓋的耐熱失控性能探究

邵力行1，趙傳軍*1，黃姿禹2，張 偉2，李 煒1，馮兆玄1

（1.上汽大眾汽車有限公司，上海 201805；2.杭州卡淶復合材料科技有限公司，浙江 杭州 311107）

連續纖維復合材料作為一種優良的輕質材料，在動力電池箱蓋上的應用具備一定的優勢。根據新國標提出的熱擴散要求，箱蓋開發時需要同時兼顧輕量化和熱擴散安全。連續纖維復合材料多為薄壁結構，需要進行相應的耐熱失控性能研究以達到安全性與輕量化兼顧的目的。文章基于連續纖維復合材料動力電池箱蓋，進行了靜態火燒試驗和帶沖擊火燒試驗的對比研究，為耐熱失控電池箱蓋輕量化設計和材料選型提供了方案和思路。

復合材料；電池箱蓋；熱失控；火燒試驗

就環保性和能源發展角度而言，新能源純電動汽車有著極為廣泛的應用前景，是我國交通運輸的重點發展目標[1]。對于新能源電動汽車而言，動力電池包是核心部件，直接影響整車的續航里程、車速和加速性能[2]。因此，越高的電池能量需求意味著電池用量越多，從而導致較高的電池箱質量，其質量約占整車質量的25%～30%。過重的電池箱總成也致使其自身消耗了大量的電池效能，因此，動力電池箱總成自身的輕量化是新能源電動汽車發展所需要面對的核心問題[3]。

動力電池箱輕量化是必然的發展方向，同時也受到材料的制約[4]。提升電池的能量密度，使用高比能量的電極材料體系是減重的重要途徑。電池正極材料的選擇對于能量密度至關重要，低鈷高鎳的三元材料是當前的主要方向，有高能量密度、低溫穩定等特性[5]。但是能量密度越高的材料，其熱失控觸發時的能量也越大，故安全風險也隨之增高。目前箱蓋采用鋼質材料的技術較為成熟，通過結構改進和優化可減少壁厚以減少重量，但僅20%的減重效果，仍未達到預期效果[5-7]。此外，雖然也有較多采用鋁合金箱蓋的案例，但受限于鋁合金僅約660 ℃的熔點，并不能滿足三元鋰電池熱失控時最高溫度超過700 ℃的需求[8]。

總之，動力電池箱蓋的開發需要同時兼顧材質的輕量化及耐熱失控時的安全性。連續纖維復合材料作為高比強度、高比模量、耐腐蝕性且可一體化設計的輕質材料，在電池箱蓋上應用具備一定的優勢。為滿足動力電池包熱失控要求，對其進行相應的耐熱失控性能研究具有重要意義。

本研究所選用的樹脂為熱固性樹脂，均達到UL94V-0測試方法1.5 mm厚度阻燃性。本研究選用高性能連續纖維，對比了不同種類的纖維織物，選用了由無序纖維氈加膨脹石墨及少量的粘結劑組成的防火氈，其優異的防火表現已在建筑上得到了成熟的應用。作為一種玻纖氈，能夠注入樹脂并與復合材料擁有良好的結合性，因此，可應用在復合材料箱蓋結構上以提升防火耐熱失控性能。本研究采用較為輕薄的玻纖防火氈，鋪覆性較好，其厚度約為0.3 mm。

1 動力電池包熱失控要求

國家市場監督管理局和國家標準化委員會于2020年5月12日發布了強制性國標《電動汽車用動力蓄電池安全要求》（GB 38031－2020），以替代原推薦性國標GB/T 31467.3－2015。新國標在“熱穩定”一節中增加了“熱擴散”條目，要求電池包或系統按照附錄C進行熱擴散乘員保護分析和驗證。規定了電池包或系統在由于單個電池熱失控引起熱擴散、進而導致乘員艙發生危險之前5 min應提供一個熱事件報警信號[9]。附錄C規定了制造商可以在針刺觸發熱失控方法或加熱觸發熱失控兩種方法中選擇其中一種方法，也可自行選擇其他方法來觸發熱失控。熱失控觸發判定條件：1）觸發對象產生電壓降，且下降值超過初始電壓的25%；2）監測點溫度達到制造商規定的最高工作溫度；3）監測點的溫升速率d/d≥1 ℃/s，且持續3 s以上。當1）和3）或者2）和3）發生時，判定發生熱失控。如果采用推薦的方法作為熱失控觸發方法，且未發生熱失控，為了確保熱擴散不會對車輛乘員造成危險，需證明采用如上兩種推薦方法均不會發生熱失控。

2 火燒試驗設置

針對應用于電池箱蓋的復合材料耐熱失控性能研究，為節省成本和研究方便，本文簡化了試驗，以模擬動力電池包熱失控試驗要求。根據相關經驗，電芯熱失控觸發以后，噴發既有高溫又有壓力的可燃物質[9]，設置了靜態火燒（模擬溫度）和帶沖擊火燒試驗（模擬溫度和壓力），為滿足整包熱失控試驗在箱蓋材料選擇時提供重要的參考意義。

2.1 靜態火燒

靜態火燒僅涉及溫度，不涉及壓力（或受到的壓力非常弱）或噴出物，因此并不作為模擬材料熱失控表現的方法。但所試驗的工具相對更容易獲取并且試驗穩定性較高，可以用作前期材料的篩選，驗證材質本身的防火性能。

1）靜態火燒設置。如圖1和圖2所示，靜態火燒使用特質的火燒水平鐵架臺，將火焰置于試片中心位置進行火燒；使用丙烷燃料，試驗設置溫度為1 450 ℃；固定火焰噴燈位置和試片架，保持焰距為19 mm；使用兩種熱電偶分別進行初始焰溫的測試及背火面溫度的監控；若未燒穿則在計時5 min后停止試驗。

圖1 靜態火燒裝置視圖

圖2 靜態火燒試驗的火焰位置與熱電偶位置示意圖

2）靜態火燒試驗對象。表1中列出了測試工況，即不同樹脂、纖維與防火氈的四種組合，火焰距離相同。

表1 靜態火燒試驗

2.2 帶沖擊火燒

由于較難精確穩定地獲得整包真實熱失控發生時導致箱蓋發生失效工況，包括具體失效位置受到的高壓氣體壓力、固體（晶枝）及液體噴出物的沖擊壓力、沖擊量、頻率及溫度等。因此，本研究簡化上述工況，采用的沖擊火燒方式同時包含溫度和氣體沖擊以模擬熱失控時箱蓋材料所受到的高溫與高壓氣體，該壓力為持續性壓力，但不含固液噴出物。由于壓力和溫度都相對較高，受試驗設置和場地的限制，試驗的穩定性相對靜態火燒較差，故本研究僅針對單一變量下的橫向對比分析。

1）帶沖擊火燒設置。帶沖擊火燒使用特質的高腳火燒水平架，將試片固定于頂部并在中心位置進行火燒；使用乙炔燃料+氧氣混合割炬，最高溫度可達3 000 ℃以上；由于沖擊力極高，無法穩定測得焰溫，因此通過調整并鎖定焰距來進行對比試驗。

2）帶沖擊火燒試驗對象。表2列出了測試工況，即環氧樹脂、不同纖維分別與防火層、防火氈、云母板、不同焰距的17種組合。

表2 帶沖擊火燒試驗的復材試樣

3 試驗結果與分析

3.1 典型靜態火燒試驗情況

帶防火氈碳纖維復材的靜態火燒過程中受火面的防火氈被激活，形成典型的蠕蟲狀石墨膨脹物；背火面在火燒前期樹脂受熱分解并產生大量的白煙，而后形成較穩定的碳化層，白煙也隨之逐漸減少，最終消失。

3.2 靜態火燒試驗結果

表3為靜態火燒試驗結果。經測試，所有試樣在1 450 ℃，5 min靜態火燒下均未燒穿，且背火面除了有碳化和一部分樹脂分解外，遠未到臨近燒穿的程度，其中A-1試樣測試后形態如圖3所示。

圖3 A-1靜態燒蝕外貌圖

表3 靜態火燒試驗結果

3.3 靜態火燒試驗分析

本研究所選用的阻燃樹脂體系有環氧或聚氨酯，都具備優良的防火性，足以耐受5 min的靜態火燒。由于靜態火燒試驗的時間較短，因此，無法對比使用碳纖維和玻璃纖維的差異。未使用防火氈的A-4的結果與其他使用防火氈的試樣都未燒穿，說明使用阻燃樹脂已經為箱蓋提供了一定的防火性能。

3.4 典型帶沖擊火燒試驗情況

帶沖擊火燒測試過程中，連續纖維復材在起始時均出現明顯的分層，與靜態火燒一致，隨后背火面出現大量的白煙，主要為樹脂分解所致，并非燒穿的前兆，試樣受火沖擊位置發紅，這是燒穿的前兆，發紅區域迅速擴大并最終燒穿。

3.5 帶沖擊火燒試驗結果

1）火焰距離對比。由于本試驗方式無法監測試樣所受到的溫度和壓力，因此通過設置不同的焰距來調整溫度和壓力。從試驗結果中可以看出，相同的材質，焰炬越遠，背面起火時間越晚。對比試樣B-2與B-5發現焰距越小燒穿時間越短，破壞的區域相對越集中，涉及燒蝕的面積也相對更小，如圖4所示，且B-2和B-5均呈現出該規律。

2）試片厚度對比。試驗的表現與試樣本身的厚度關系密切。對比相同材質、不同厚度的試片，呈現出試片越厚燒穿時間越長的規律。對比試樣B-11與B-13可知在同樣的中等焰距的情況下，燒蝕時間雖有差異，但燒蝕后的外貌相似，樹脂基本被燒掉，裸露出纖維織物，如圖5所示。

圖4 試樣B-2燒蝕外貌

圖5 試樣B-13燒蝕外貌

表4 纖維影響試驗結果

3）不同纖維對比。對比復合材料試樣，不同纖維的燒穿時間及破壞形式存在一定差異，其規律與焰距也呈現一定的關系。如表4所示，對比試樣B-2、B-7、B-8，受近距離沖擊火燒，得到如下結論：在近2 cm的近距離，碳纖維復材呈現出更好的耐燒蝕表現；碳纖維復材燒蝕后的外貌與另外兩種纖維復材的差異較大，破壞處的樹脂已分解，裸露出已斷裂的碳纖維絲束，但未見明顯穿孔；而玻璃纖維復材和玄武巖纖維復材燒蝕后的外貌則基本相似，破壞處為明顯的穿孔。

碳纖維復材試樣B-9在該焰距下的燒蝕外貌與B-2不同，纖維有明顯的分解，如圖6所示，且越接近受火面的纖維層，受分解的面積越大；玻纖復材試樣B-13在該焰距下雖然有部分纖維融解斷裂，但仍然保持織物的基本結構，并非B-7所呈現的穿孔狀態。

圖6 試樣B-9燒蝕外貌

3.6 帶沖擊火燒試驗分析

1）火焰距離因素。焰距因素所引起的變現差異是最大的。對于本研究采用的阻燃樹脂體系復材而言，在近距離沖擊火燒下，試樣尚未形成穩定的碳化層則被高壓沖穿，因此，材質的阻燃防火性能并沒有展現；而焰距變大以后，材質的阻燃及隔熱特性得以發揮作用，無論是環氧樹脂上芳香環與揮發物所產生的碳層，還是磷系阻燃在生成的磷酸物質所帶來的脫水性，致使聚合物表面加速脫水碳化，都促使復材有足夠的機會形成有利的碳化層以保護整體結構。

2）纖維種類因素。如表4所示，碳纖維在小焰距下的表現更佳，而玻纖在中遠焰距下的表現更佳。碳纖維復材燒蝕后外貌區別于其他纖維復材是因為其纖維的破壞機理不同。在大于500 ℃情況下，碳纖維發生氧化分解，在燒蝕中的表現為纖維的逐步斷裂，而玻璃纖維與玄武巖纖維的主要成分為SiO2，在高溫下的表現為熔融。焰距較小時，沖擊的影響更大；焰距較大時溫度的影響為主，由于試驗時間較長，碳纖維受熱分解的溫度更低，而連續高性能玻纖的耐溫則達900 ℃以上，且熔融狀態的玻璃溶液也進一步阻擋后面一層玻纖織物的破壞。

3）材料厚度因素。在本研究試驗條件下，在焰距和材料類型兩個因素相同時，試樣的燒穿時間隨試樣厚度的增加而延長。雖然理論上越厚的產品耐熱失控性能越好，但需要同時考慮產品整體的減重效果和布置上的空間。

4 結語

本研究針對動力電池包熱失控要求，采用簡化試驗即靜態火燒和帶沖擊火燒兩種測試方式對不同的復合材料試樣進行對比。這兩種火燒測試方式所呈現的燒穿時間和燒蝕外貌均存在較大的差異。由于帶沖擊火燒相對靜態火燒更貼近實際的熱失控，因此，對復合材料的耐熱失控性能評估應該更多參考帶沖擊火燒試驗的測試結果。

本研究僅作各單一因素影響下的分析，中遠火焰距離相對更好地結合了溫度與沖擊壓力的綜合影響，其結果更具有參考意義；無論何材質，厚度越大耐熱失控性能越好，但對輕量化不利；纖維材質方面，連續高性能玻纖從成本及耐熱失控表現上應是箱蓋選材的最佳選擇；配合防火氈的使用進一步提升耐熱失控性能。

總之，復合材料電池箱蓋材料的選擇應是基于輕量化與耐熱失控性能的綜合權衡。在后續研究中，可以考慮在箱蓋內表面引入可與箱蓋一體化成型的表面材料，在兼顧耐沖擊性的同時，配合防火氈的使用可以進一步提升箱蓋耐熱失控性能。

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Thermal Performance Research of Battery Cover Based on Composite Material

SHAO Lixing1, ZHAO Chuanjun*1, HUANG Ziyu2, ZHANG Wei2, LI Wei1, FENG Zhaoxuan1

( 1.SAIC-Volkswagen Automobile Company Limited, Shanghai 201805, China; 2.Hangzhou Coleitec Composites Technology Company Limited, Hangzhou 311107, China )

As an excellent lightweight material endless fiber composites have certain advantages in the application of battery cover. New GB-Standard definites thermal propagation requirement. The cover development should focus on both safety and lightweight. Endless fiber composites are mostly thin-walled structures, so when using high energy density battery applications it is still necessary to conduct corresponding thermal runaway performance studies to achieve a balance between lightweight and safety. In this paper, based on battery cover of endless fiber composites, a comparative study of static fire test and fire test with impact is conducted to provide solutions and ideas for the design and material selection of lightweight thermal runaway battery cover cases.

Composite material; Battery cover; Thermal runaway; Fire test

U463.63

A

1671-7988(2023)22-12-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.022.003

邵力行（1984－），男，碩士，工程師，研究方向為動力電池結構安全、熱安全，E-mail:shaolixing@csvw.com。

趙傳軍（1978－），男，碩士，高級工程師，研究方向為動力電池包結構安全、熱安全，E-mail: zhaochuanjun @csvw.com。