钜大LARGE | 点击量：587次 | 2021年08月23日
动力电池热管理设计 四点不可忽略关键元素
电池热管理系统的设计，是保障电池运行安全的决定性外在因素。也是提升电池系统寿命等性能指标的关键所在。它笔直关系到电池系统最终的成败，可以一票否决设计成果。
从热设计过程来看，关联元素很多，如同在支点上找平衡。最终的目标，技术执行的结果，就是保证系统内所有化学电芯工作环境的“舒适性”、“均温性”。做到这一点，众多电芯的性能才能“齐头并进”，发挥出最好的用途。
在车用动力锂离子电池系统早期的设计中，不乏以电池布置为主。打开箱体，满满当当的都是电池，热管理设计难觅踪影或被弱化，没有作为关键环节对待。近些年，这种情况发生了根本变化，客户对“缩小使用差距(和燃油车)”很急切，从功率角度、环境适应性，对电池系统提出了更高的要求，热管理被赋予了新的使命。这就要运用科学完整的开发流程，循序渐进，认真对待每一个小环节，让热设计满足电池系统要求。
不可忽略关键元素之一：电芯本体传热并非想象的好，系统温点布置需标定
不管是圆柱电芯、方形电芯还是软包电芯，都是由多层极片重叠而成。如某品牌方形电池，45Ah，由23片正极片+24负极片+N片隔膜+若干电解液组成。
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
电芯成分和金属材料，差距非常大。也就是说，让电池表面的温度，传热到最内层，时间长度很长。更为紧要的是，均温特性，会变得非常差。从电池出产工艺角度分解，还有更多的差异影响着传热、均温：
其一：同一片极片存在温差(因涂布厚度工艺)
其二：叠片工艺不同传热途径不同(卷绕工艺沿着铂片方向导热，叠片传热是沿着叠层的垂直方向)
其三：极耳温度不完全代表极片的中心最高温度(极耳通过连接片与极片相连，工艺、材料是有差异性的)
通过上面分解比较，单体电芯上温点采集布置，是不确定的。同时，单体电芯组成的模组、包体，因结构设计、布置的差异，也是完全不同的。要通过标定完成温点的布置设计。如，Leaf电池系统有4个采集点，分布于箱体的不同位置。仅从采集数量上看，日产是很自信的。但其背后，完成了多少轮试验，这种开发的辛苦，我们不得而知。
不可忽略关键元素之二导热界面材料使用选择
图中①③④⑤都与热有关系
1)用在电芯之间的用途①：导热、隔热。听起来仿佛是有些矛盾。我们在使用中，的确也是游离在其矛盾的边缘上。在正常运行，充放电过程中，我们是希望其导热性好的。这样，系统的均温特性可以得到保证。当发生故障，如短路、热失控，我们又希望其绝热，让相邻电芯免受株连。
2)当用在电池和导热板之间的时候③，我们不仅仅要求其导热性好，还要导热平均，绝缘性好。这也是一对矛盾。从材料角度，导热性和材料绝缘因添加成分取舍，其性能天平会有倾斜。下面界面材料数据，可以看出材料的一些部分选择特性。仅供参考。
案例数据：source:苏州佰旻电子材料科技有限公司
除了上述关联热性能、电性能的选择外，还有结构上的一个选择。电芯在充放电过程中，会有一定的膨胀，这时，要结构方面吸收这个变量。界面材料，自然也担起“缓冲”的用途。总之，辅件虽小，用途很大。要很好的“选择设计”。另外，还有一个“选择”，就是品牌的选择。目前市场上，品质良莠不齐，一些不好的产品，用超低的价格引诱。切莫因小失大。我是见证过因小小的一片导热垫全部返工的案例。选择产品厂商，关注其试验能力，用真切数据说话。
不可忽略关键元素之三系统箱体的局部隔热
有关水冷系统设计，我们在局部还是做了一定的隔热设计。下底板的隔热紧要用途是阻止来自地面的高温辐射传热。上面的隔热棉紧要是阻断电池系统对车身或乘舱的传热。从安全角度，隔热用途也是很大的，一旦发生电池系统故障燃烧，能起到对乘员舱缓解和保护用途。目前，箱体还做不到完全隔热设计，原由很多。但是，对电池系统热的精准设计方向是正确的。隔热设计也会被要求的。
不可忽略关键元素之四：自然冷却的电池系统，也要热管理设计元素
很多时候，我们认为自然冷却是依赖箱体冷却，没有主动的设计元素。看来，这种观点，是要修正一下的。
1)电池系统外箱体气流的导流通道
这一点，我和很多相关相关经验丰富的结构工程师做过讨论。他们很认可这一点。当电池充放电倍率在1-2C，使用环境温度也满足需求。使用自然冷却是合理的。这种冷却，箱体自然变成了一个“散热片”。车辆移动时，箱体外形对气流的导流是要设计的;电池箱体与车身结合的间隙也是有要求的。
2)电池布置的容积率
这一点大家可以理解的。当采用自然冷却的时候，电芯之间间距是加大的。从自然对流的角度，电芯间隙5~10mm才能形成有效通道。同时，模组之间，模组和箱体之间，保留了很大的对流通道。我做过一个分解，空隙容积率在40~50%，自然冷却是最有效的。
小结
本文阐述的是工作中的一点体会。在热设计过程中，其实还有两个至关紧要的因素：一个是“理解化学电池”。很多做热设计、热仿真的工程师，都是从其它范畴转型过来的。这种跨专业的“理解”是要学习的。惟有根植于你的思想理念中，你才能体会到，热系统设计，不仅仅是控制高温或低温哪么简单，这只是你设计的一小步，而把系统做的“均温”才是你的本事。另一个关键“是电池的热模型”，这个概念提出很多年了。大家也在默默的做。我的理解，做的还远远不够，数据还不够丰满。本文没有描述，放在后期留做专题讨论。
以上解析，仅仅指出了正向热设计要的“循序渐进”;要把很多的元素溶入其中，从“清晰的需求”入手，把热设计做清楚。同时，把“关键“元素设计做充足、做完整。通过不断努力，相信一定能设计出一流的产品。
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