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分析動力鋰電池熱管理設計中不可忽略的四個關鍵元素

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2022年03月30日  

電池熱管理系統的設計,是保障電池運行安全的決定性外在因素。也是提升電池系統壽命等性能指標的關鍵所在。它直接關系到電池系統最終的成敗,可以一票否決設計成果。從熱設計過程來看,關聯元素很多,如同在支點上找平衡。


最終的目標,技術實施的結果,就是保證系統內所有化學電芯工作環境的“舒適性”、“均溫性”。做到這一點,眾多電芯的性能才能“齊頭并進”,發揮出最好的作用。


在車用動力電池系統早期的設計中,不乏以電池布置為主。打開箱體,滿滿當當的都是電池,熱管理設計難覓蹤影或被弱化,沒有作為關鍵環節對待。


近些年,這種情況發生了根本變化,客戶對“縮小使用差距(和燃油車)”很迫切,從功率角度、環境適應性,對電池系統提出了更高的要求,熱管理被賦予了新的使命。這就需要運用科學完整的開發流程,循序漸進,認真對待每一個小環節,讓熱設計滿足電池系統要求。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。


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導熱,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,因結構設計、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電池系統有4個采集點,分布于箱體的不同位置。僅從采集數量上看,日產是很自信的。但其背后,完成了多少輪實驗,這種開發的辛苦,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,系統的均溫特性可以得到保證。當發生故障,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。下面界面材料數據,可以看出材料的一些部分選擇特性。僅供參考。


除了上述關聯熱性能、電性能的選擇外,還有結構上的一個選擇。電芯在充放電過程中,會有一定的膨脹,這時,需要結構方面吸收這個變量。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,品質良莠不齊,一些不好的產品,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。選擇產品廠商,關注其實驗能力,用真實數據說話。


不可忽略關鍵元素之三系統箱體的局部隔熱


對于水冷系統設計,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,一旦發生電池系統故障燃燒,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,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。看來,這種觀點,是需要修正一下的。


1)電池系統外箱體氣流的導流通道


這一點,我和很多經驗豐富的結構工程師做過討論。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。


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