一文看懂動力電池系統絕緣設計要求

動力電池技術的不斷提高與發展，使新能源汽車的應用規模得到極大擴展。但動力電池作為高壓電能量儲存系統，其高壓電絕緣安全設計不容忽視。

為解決電動汽車所面臨的高壓電絕緣安全問題，確保電動汽車的高壓電用電安全，我國相關行業標準已對電動汽車的高壓電回路設計和檢測提出了明確的要求，并給出較為詳細的實驗檢測規程。為滿足電動汽車對高壓電安全的要求，需要針對高壓電安全問題建立一套系統的開發流程和管理策略，以保證開發的系統具有足夠高的絕緣等級以及在高壓電系統故障發生時及時檢測判斷并自動采取有效的保護措施，保障車上人員的安全。

本文主要從電芯、模塊和系統總成3個層次分別介紹動力電池系統高壓電絕緣設計思路。

常見的動力電池系統總成由以下幾個部分構成：

（1）由電芯通過一定的串并聯方式組成的電池模塊；

（2）熱管理裝置，包括風冷和水冷兩種方式；

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

（4）電力分配單元，包括繼電器、預充電回路等；

（5）電池系統總成外殼及結構件；

（6）其它輔助件。

涉及動力電池系統高壓電絕緣設計的功能塊主要有電芯絕緣設計、電池模塊的絕緣設計以及系統總成的絕緣設計。

電芯的絕緣設計

電芯是動力電池系統最基本的能量存儲單元，電芯的絕緣設計主要考慮：

（1）正極與負極集流體之間絕緣；

（2）電池芯（正負極集流體和隔膜等構成的總成件）與電池外殼之間絕緣；

（3）電芯正負極極耳與外殼之間的絕緣。正極與負極集流體之間的絕緣保護主要是依靠電池隔膜實現，目前商業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性能和絕緣特性保證正負極之間的絕緣。圖1為某公司生產的PP/PE/PP3層隔膜

電池芯（正負極集流體和隔膜構成的總成件）與電池外殼之間絕緣也主要是通過隔膜來實現的。在正負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，對于軟包裝電芯，外殼為鋁塑復合膜，內側為一層塑料，也起到加強絕緣的作用。

電芯極耳與外殼之間的絕緣設計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械強度的絕緣薄膜；鋼殼或鋁殼電芯在極柱和外殼間增加一個絕緣墊片以保證絕緣性能。

電芯制造過程中的工藝質量控制非常重要，包括環境的潔凈度、機器設備的操作可靠性和準確度、關鍵質量點的確定和檢測方法等。

電池模塊的絕緣設計

電池模塊的絕緣設計主要包括電芯之間的絕緣防護、電芯與模塊金屬結構件之間的絕緣防護。具體設計與模塊的結構及冷卻方式有關，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計。

電芯產生的熱量先傳遞到與電芯接觸的導熱板，再傳遞到與導熱板接觸的冷卻板上，之后通過冷卻板內部的循環冷卻液帶出電池系統外。

此例中采用液冷方式的電池模塊，電芯一側與導熱板接觸，另一側與其它電芯接觸。為了保證電池模塊內部電芯之間的隔離，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度尺寸控制作用。在電芯與導熱板接觸一側，采用的絕緣方式是在導熱板的表面涂覆一層導熱絕緣油漆來確保模塊的絕緣性能。圖2為一種方形電池模塊的內部絕緣設計方案，采用帶有絕緣油漆涂層的導熱板，電芯與電芯之間采用絕緣泡棉隔開。

（2）圓柱型電芯采用風冷方式絕緣設計。

電池系統產生的熱量通過進風口強制引入冷風，與電芯表面進行熱交換后從出風口排出，達到冷卻的效果。

與液冷方式的模塊設計比較，風冷模塊絕緣設計相對簡單，主要在于電芯之間要有足夠的間隙保證冷卻風能夠通過，減小了電芯與電芯之間的絕緣保護設計。對于風冷模塊絕緣設計，重點在于電池模塊內部固定電芯的支架選型，通常選用具有一定機械強度的塑料支架，一方面滿足絕緣防護要求，另一方面確保電芯之間有通過冷卻氣體的足夠間隙。圖3為圓柱形電池模塊結構示意圖，電芯之間有足夠的間隙可確保絕緣，同時采用塑料支架進一步保證模塊的絕緣性能。

系統總成的絕緣設計

電池系統總成級的絕緣設計主要考慮模塊安裝固定時絕緣方式，對于液冷電池系統，模塊的熱通過帶有冷卻回路的冷卻板帶走，但考慮到絕緣需要，通常設計時在電池模塊和冷卻板之間增加一層導熱膠和絕緣墊，提升導熱效率的同時兼顧絕緣性能，常用的導熱絕緣墊如圖4中所示。而對于風冷系統，由于模塊內部常采用塑料支架，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計相對比較容易。

此外，系統絕緣設計還需要考慮系統的密封性能。這主要是因為水或者水蒸氣進入電池包內會引起電池包內部的絕緣失效，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計以及上下蓋之間的密封設計，特別是上下蓋之間的密封設計最為關鍵，一般的設計是在上蓋翻邊且在上下蓋之間開槽加O型密封圈，或者在上下蓋之間增加密封膠墊來保證系統的密封性能。對于風冷的電池系統，還需要考慮冷卻進風的濕度，通常從乘客艙內引空調風保證溫度和濕度。