一文看懂動(dòng)力電池系統(tǒng)絕緣設(shè)計(jì)要求

動(dòng)力電池技術(shù)的不斷提高與發(fā)展，使新能源汽車(chē)的應(yīng)用規(guī)模得到極大擴(kuò)展。但動(dòng)力電池作為高壓電能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)，其高壓電絕緣安全設(shè)計(jì)不容忽視。

為解決電動(dòng)汽車(chē)所面臨的高壓電絕緣安全問(wèn)題，確保電動(dòng)汽車(chē)的高壓電用電安全，我國(guó)相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)已對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的高壓電回路設(shè)計(jì)和檢測(cè)提出了明確的要求，并給出較為詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)檢測(cè)規(guī)程。為滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)對(duì)高壓電安全的要求，需要針對(duì)高壓電安全問(wèn)題建立一套系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)流程和管理策略，以保證開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)具有足夠高的絕緣等級(jí)以及在高壓電系統(tǒng)故障發(fā)生時(shí)及時(shí)檢測(cè)判斷并自動(dòng)采取有效的保護(hù)措施，保障車(chē)上人員的安全。

本文主要從電芯、模塊和系統(tǒng)總成3個(gè)層次分別介紹動(dòng)力電池系統(tǒng)高壓電絕緣設(shè)計(jì)思路。

常見(jiàn)的動(dòng)力電池系統(tǒng)總成由以下幾個(gè)部分構(gòu)成：

（1）由電芯通過(guò)一定的串并聯(lián)方式組成的電池模塊；

（2）熱管理裝置，包括風(fēng)冷和水冷兩種方式；

（3）電池管理單元，包括監(jiān)控電池單體電壓和溫度、電池管理、高壓電測(cè)量與絕緣檢測(cè)等功能；

（4）電力分配單元，包括繼電器、預(yù)充電回路等；

（5）電池系統(tǒng)總成外殼及結(jié)構(gòu)件；

（6）其它輔助件。

涉及動(dòng)力電池系統(tǒng)高壓電絕緣設(shè)計(jì)的功能塊主要有電芯絕緣設(shè)計(jì)、電池模塊的絕緣設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)總成的絕緣設(shè)計(jì)。

電芯的絕緣設(shè)計(jì)

電芯是動(dòng)力電池系統(tǒng)最基本的能量存儲(chǔ)單元，電芯的絕緣設(shè)計(jì)主要考慮：

（1）正極與負(fù)極集流體之間絕緣；

（2）電池芯（正負(fù)極集流體和隔膜等構(gòu)成的總成件）與電池外殼之間絕緣；

（3）電芯正負(fù)極極耳與外殼之間的絕緣。正極與負(fù)極集流體之間的絕緣保護(hù)主要是依靠電池隔膜實(shí)現(xiàn)，目前商業(yè)化的隔膜材料主要有PP/PE/PP3層隔膜、PE單層隔膜以及以PP/PE為基材的陶瓷隔膜，利用隔膜的較好力學(xué)性能和絕緣特性保證正負(fù)極之間的絕緣。圖1為某公司生產(chǎn)的PP/PE/PP3層隔膜

電池芯（正負(fù)極集流體和隔膜構(gòu)成的總成件）與電池外殼之間絕緣也主要是通過(guò)隔膜來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在正負(fù)極集流體疊片或卷繞完成后，通常再卷繞2～3層隔膜以保證電池芯與外殼之間的絕緣，對(duì)于軟包裝電芯，外殼為鋁塑復(fù)合膜，內(nèi)側(cè)為一層塑料，也起到加強(qiáng)絕緣的作用。

電芯極耳與外殼之間的絕緣設(shè)計(jì)通常是在極耳和外殼之間增加一層絕緣材料。如軟包裝電芯在極耳和外殼間增加一層耐高溫且具有一定機(jī)械強(qiáng)度的絕緣薄膜；鋼殼或鋁殼電芯在極柱和外殼間增加一個(gè)絕緣墊片以保證絕緣性能。

電芯制造過(guò)程中的工藝質(zhì)量控制非常重要，包括環(huán)境的潔凈度、機(jī)器設(shè)備的操作可靠性和準(zhǔn)確度、關(guān)鍵質(zhì)量點(diǎn)的確定和檢測(cè)方法等。

電池模塊的絕緣設(shè)計(jì)

電池模塊的絕緣設(shè)計(jì)主要包括電芯之間的絕緣防護(hù)、電芯與模塊金屬結(jié)構(gòu)件之間的絕緣防護(hù)。具體設(shè)計(jì)與模塊的結(jié)構(gòu)及冷卻方式有關(guān)，下面是兩種不同形狀電芯和冷卻方式的例子。

（1）方型軟包電芯采用液冷方式絕緣設(shè)計(jì)。

電芯產(chǎn)生的熱量先傳遞到與電芯接觸的導(dǎo)熱板，再傳遞到與導(dǎo)熱板接觸的冷卻板上，之后通過(guò)冷卻板內(nèi)部的循環(huán)冷卻液帶出電池系統(tǒng)外。

此例中采用液冷方式的電池模塊，電芯一側(cè)與導(dǎo)熱板接觸，另一側(cè)與其它電芯接觸。為了保證電池模塊內(nèi)部電芯之間的隔離，在電芯與電芯之間增加一塊絕緣墊片，常使用的絕緣材料如絕緣泡棉，在電芯之間不僅起到絕緣的作用，還可以起到緩沖和模塊長(zhǎng)度尺寸控制作用。在電芯與導(dǎo)熱板接觸一側(cè)，采用的絕緣方式是在導(dǎo)熱板的表面涂覆一層導(dǎo)熱絕緣油漆來(lái)確保模塊的絕緣性能。圖2為一種方形電池模塊的內(nèi)部絕緣設(shè)計(jì)方案，采用帶有絕緣油漆涂層的導(dǎo)熱板，電芯與電芯之間采用絕緣泡棉隔開(kāi)。

（2）圓柱型電芯采用風(fēng)冷方式絕緣設(shè)計(jì)。

電池系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量通過(guò)進(jìn)風(fēng)口強(qiáng)制引入冷風(fēng)，與電芯表面進(jìn)行熱交換后從出風(fēng)口排出，達(dá)到冷卻的效果。

與液冷方式的模塊設(shè)計(jì)比較，風(fēng)冷模塊絕緣設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，主要在于電芯之間要有足夠的間隙保證冷卻風(fēng)能夠通過(guò)，減小了電芯與電芯之間的絕緣保護(hù)設(shè)計(jì)。對(duì)于風(fēng)冷模塊絕緣設(shè)計(jì)，重點(diǎn)在于電池模塊內(nèi)部固定電芯的支架選型，通常選用具有一定機(jī)械強(qiáng)度的塑料支架，一方面滿(mǎn)足絕緣防護(hù)要求，另一方面確保電芯之間有通過(guò)冷卻氣體的足夠間隙。圖3為圓柱形電池模塊結(jié)構(gòu)示意圖，電芯之間有足夠的間隙可確保絕緣，同時(shí)采用塑料支架進(jìn)一步保證模塊的絕緣性能。

系統(tǒng)總成的絕緣設(shè)計(jì)

電池系統(tǒng)總成級(jí)的絕緣設(shè)計(jì)主要考慮模塊安裝固定時(shí)絕緣方式，對(duì)于液冷電池系統(tǒng)，模塊的熱通過(guò)帶有冷卻回路的冷卻板帶走，但考慮到絕緣需要，通常設(shè)計(jì)時(shí)在電池模塊和冷卻板之間增加一層導(dǎo)熱膠和絕緣墊，提升導(dǎo)熱效率的同時(shí)兼顧絕緣性能，常用的導(dǎo)熱絕緣墊如圖4中所示。而對(duì)于風(fēng)冷系統(tǒng)，由于模塊內(nèi)部常采用塑料支架，電芯之間有一定的間距和離地間隙，因此電池模塊的絕緣設(shè)計(jì)相對(duì)比較容易。

此外，系統(tǒng)絕緣設(shè)計(jì)還需要考慮系統(tǒng)的密封性能。這主要是因?yàn)樗蛘咚魵膺M(jìn)入電池包內(nèi)會(huì)引起電池包內(nèi)部的絕緣失效，通常電池包的密封主要考慮接插件的密封性能、貫穿殼體的固定螺栓密封設(shè)計(jì)以及上下蓋之間的密封設(shè)計(jì)，特別是上下蓋之間的密封設(shè)計(jì)最為關(guān)鍵，一般的設(shè)計(jì)是在上蓋翻邊且在上下蓋之間開(kāi)槽加O型密封圈，或者在上下蓋之間增加密封膠墊來(lái)保證系統(tǒng)的密封性能。對(duì)于風(fēng)冷的電池系統(tǒng)，還需要考慮冷卻進(jìn)風(fēng)的濕度，通常從乘客艙內(nèi)引空調(diào)風(fēng)保證溫度和濕度。