鉅大LARGE | 點擊量：460次 | 2022年03月30日
分析動力鋰電池熱管理設計中不可忽略的四個關鍵元素
電池熱管理系統(tǒng)的設計，是保障電池運行安全的決定性外在因素。也是提升電池系統(tǒng)壽命等性能指標的關鍵所在。它直接關系到電池系統(tǒng)最終的成敗，可以一票否決設計成果。從熱設計過程來看，關聯(lián)元素很多，如同在支點上找平衡。
最終的目標，技術實施的結(jié)果，就是保證系統(tǒng)內(nèi)所有化學電芯工作環(huán)境的“舒適性”、“均溫性”。做到這一點，眾多電芯的性能才能“齊頭并進”，發(fā)揮出最好的作用。
在車用動力電池系統(tǒng)早期的設計中，不乏以電池布置為主。打開箱體，滿滿當當?shù)亩际请姵?，熱管理設計難覓蹤影或被弱化，沒有作為關鍵環(huán)節(jié)對待。
近些年，這種情況發(fā)生了根本變化，客戶對“縮小使用差距(和燃油車)”很迫切，從功率角度、環(huán)境適應性，對電池系統(tǒng)提出了更高的要求，熱管理被賦予了新的使命。這就需要運用科學完整的開發(fā)流程，循序漸進，認真對待每一個小環(huán)節(jié)，讓熱設計滿足電池系統(tǒng)要求。不可忽略關鍵元素之一：電芯本體傳熱并非想象的好，系統(tǒng)溫點布置需標定
不管是圓柱電芯、方形電芯還是軟包電芯，都是由多層極片疊加而成。如某品牌方形電池，45Ah，由23片正極片+24負極片+N片隔膜+若干電解液組成。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
從材料角度，電芯成分和金屬材料，差距非常大。也就是說，讓電池表面的溫度，傳熱到最內(nèi)層，時間長度很長。更為重要的是，均溫特性，會變得非常差。從電池加工工藝角度分析，還有更多的差異影響著傳熱、均溫：
其一：同一片極片存在溫差(因涂布厚度工藝)
其二：疊片工藝不同傳熱途徑不同(卷繞工藝沿著鉑片方向?qū)?，疊片傳熱是沿著疊層的垂直方向。)
其三：極耳溫度不完全代表極片的中心最高溫度。(極耳通過連接片與極片相連，工藝、材料是有差異性的)。
通過上面分析對比，單體電芯上溫點采集布置，是不確定的。同時，單體電芯組成的模組、包體，因結(jié)構(gòu)設計、布置的差異，也是完全不同的。需要通過標定完成溫點的布置設計。如，Leaf電池系統(tǒng)有4個采集點，分布于箱體的不同位置。僅從采集數(shù)量上看，日產(chǎn)是很自信的。但其背后，完成了多少輪實驗，這種開發(fā)的辛苦，我們不得而知。
不可忽略關鍵元素之二導熱界面材料應用選擇
1)用在電芯之間的作用①：導熱、隔熱。聽起來似乎是有些矛盾。我們在應用中，的確也是游離在其矛盾的邊緣上。在正常運行，充放電過程中，我們是希望其導熱性好的。這樣，系統(tǒng)的均溫特性可以得到保證。當發(fā)生故障，如短路、熱失控，我們又希望其絕熱，讓相鄰電芯免受株連。
2)當用在電池和導熱板之間的時候③，我們不僅僅要求其導熱性好，還需要導熱均勻，絕緣性好。這也是一對矛盾。從材料角度，導熱性和材料絕緣因添加成分取舍，其性能天平會有傾斜。下面界面材料數(shù)據(jù)，可以看出材料的一些部分選擇特性。僅供參考。
除了上述關聯(lián)熱性能、電性能的選擇外，還有結(jié)構(gòu)上的一個選擇。電芯在充放電過程中，會有一定的膨脹，這時，需要結(jié)構(gòu)方面吸收這個變量。界面材料，自然也擔起“緩沖”的作用。
總之，輔件雖小，作用很大。需要很好的“選擇設計”。另外，還有一個“選擇”，就是品牌的選擇。目前市場上，品質(zhì)良莠不齊，一些不好的產(chǎn)品，用超低的價格引誘。切莫因小失大。我是見證過因小小的一片導熱墊全部返工的案例。選擇產(chǎn)品廠商，關注其實驗能力，用真實數(shù)據(jù)說話。
不可忽略關鍵元素之三系統(tǒng)箱體的局部隔熱
對于水冷系統(tǒng)設計，我們在局部還是做了一定的隔熱設計。下底板的隔熱主要作用是阻止來自地面的高溫輻射傳熱。上面的隔熱棉主要是阻斷電池系統(tǒng)對車身或乘艙的傳熱。
從安全角度，隔熱作用也是很大的，一旦發(fā)生電池系統(tǒng)故障燃燒，能起到對乘員艙緩解和保護作用。目前，箱體還做不到完全隔熱設計，原因很多。但是，對電池系統(tǒng)熱的精準設計方向是正確的。隔熱設計也會被要求的。
不可忽略關鍵元素之四：自然冷卻的電池系統(tǒng)，也需要熱管理設計元素很多時候，我們認為自然冷卻是依靠箱體冷卻，沒有主動的設計元素?？磥恚@種觀點，是需要修正一下的。
1)電池系統(tǒng)外箱體氣流的導流通道
這一點，我和很多經(jīng)驗豐富的結(jié)構(gòu)工程師做過討論。他們很認可這一點。當電池充放電倍率在1-2C，使用環(huán)境溫度也滿足需求。使用自然冷卻是合理的。這種冷卻，箱體自然變成了一個“散熱片”。車輛移動時，箱體外形對氣流的導流是需要設計的;電池箱體與車身結(jié)合的間隙也是有要求的。
2)電池布置的容積率
這一點大家可以理解的。當采用自然冷卻的時候，電芯之間間距是加大的。從自然對流的角度，電芯間隙5~10mm才能形成有效通道。同時，模組之間，模組和箱體之間，保留了很大的對流通道。我做過一個分析，空隙容積率在40~50%，自然冷卻是最有效的。
