動力電池熱管理設計:循序漸進和不可忽略的關鍵元素

這是平工的投稿，周日沒來得及，希望對各位有參考價值！

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。它直接關係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「齊頭並進」，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。

1、基於V模型正向開發的入口：三個關鍵「需求」，想清楚才能做明白。

其實，所有零件的設計都是基於「需求」的設計。但是這麼多年的設計走過來，發現往往出問題的還是「需求」環節。有的問題在設計之初就是模糊或模稜兩可。其結果只能是事後打補丁，甚至可能推翻設計。付出很大代價。所以設計之初就要充分「想清楚」，後期的工作，才能「做明白」。

1）關鍵需求之一：應用「區域」說清楚，滿足環境要求是第一位的。

從成本角度，不太贊成「全溫度」需求設計方案。電池的本徵特性NCM、NCA、 LFP鋰離子化學電池溫度適應性很窄，也只能通過熱管理去調節其應用範圍（如圖示）。但是，有一個問題，適應環境越強，溫度調節範圍越大，技術和成本投入也就越大（在熱管理的硬體、軟體部分）。如何權衡這個問題？我列舉幾點：

措施一，設計不同版本的熱管理。儘管我們在續駛里程方面，不遺餘力的努力，但是大部分車輛，大部分客戶，還是把新能源車定義為中短途點對點的交通工具。運行範圍還是比燃油車小。例如，如果在南方地區應用的物流車輛，覆蓋高寒地區需求設計，顯然是不合理，不經濟的。時下「用戶精準定位」，的設計也是一種發展趨勢。

措施二，「告之客戶」：比如說，leaf 早期的版本，用戶手冊上有一條：「勿把車輛，置於49℃以上場所24h以上；置於-25℃以上場所7天以上」。任何產品，都是以滿足大多數客戶需求為目標的。當面對「少數」客戶，少數「情況」的時候。需要給客戶「講清楚」。也是合情合理的辦法。

措施三，從根本入手，選擇電池類型。比如說LTO電池，低溫適應可以提高一個數量級。在電量和能量密度要求不高的情況下，是可以嘗試應用的。（這一點，不在本文討論）

2）關鍵需求之二：電池系統功率邊界SOP，考驗熱管理溫度限值控制能力

整車的正向設計，功率需求是非常重要的。決定著動力性能的優劣。而電池系統的功率邊界，很大程度上取決於熱管理的限值控制能力。一般來講，第一步需要整車功率需求的導入。電池系統再行分解技術指標，選擇電芯，選擇熱管理模式等。當然，電池系統也有鞭長莫及的時候。和整車的匹配曲線，也會不吻合的。這個時候，需要優先考慮整車的安全性。

關鍵需求之三：系統溫差設計目標，主要體現熱管理的均溫能力

我一直認為，這是熱管理設計的精髓所在。儘管熱管理高低溫的控溫能力，解決了電池的安全運行問題，但是，體現電池性能，壽命能力，是「系統均溫」能力說了算的。Tesla ＜2℃的系統溫差，除了說明他的熱管理能力強大，更關鍵的是 model S 、model X 15萬英里的行駛里程，大部車輛電池容量損失不到10%。這才是真理。

均溫設計，更多的是從熱結構、冷媒介質、控制策略入手，是比較直接的環節。其實，還有一個重要的環節容易被忽略掉，哪就是「保溫」設計（結構材料、控制策略）。保溫措施，是改變溫度變化斜率最有效的辦法。一方面讓高溫時熱管理降溫更快（降低外環境影響），一方面，讓環境低溫時，停駛的車輛降溫慢。這給用戶帶來了便利，也讓環境溫度略低於0℃的熱管理設計，變得簡化和容易。

2、不可忽略關鍵元素之一：電芯本體傳熱並非想像的好，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。我們先看看相關材料熱導率（導熱係數）如圖：

(註：表中數據因測試方法可能會有出入，僅做參考)

從表中材料角度，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（因塗布厚度工藝）

其二：疊片工藝不同傳熱途徑不同（卷繞工藝沿著鉑片方嚮導熱，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，單體電芯上溫點採集布置，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個採集點，分布於箱體的不同位置。僅從採集數量上看，日產是很自信的。但其背後，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

圖中①③④⑤都與熱有關係。

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，的確也是遊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捨，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。

案例數據：source:蘇州佰旻電子材料科技有限公司

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數。界面材料，自然也擔起「緩衝」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

對於水冷系統設計，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。從安全形度，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。當採用自然冷卻的時候，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。

小結

本文闡述的是工作中的一點體會。在熱設計過程中，其實還有兩個至關重要的因素：一個是「理解化學電池」。很多做熱設計、熱模擬的工程師，都是從其它領域轉型過來的。這種跨專業的「理解」是需要學習的。只有根植於你的思想理念中，你才能體會到，熱系統設計，不僅僅是控制高溫或低溫哪么簡單，這只是你設計的一小步，而把系統做的「均溫」才是你的本事。另一個關鍵「是電池的熱模型」，這個概念提出很多年了。大家也在默默的做。我的理解，做的還遠遠不夠，數據還不夠豐滿。本文沒有描述，放在後期留做專題討論。

以上介紹，僅僅指出了正向熱設計需要的「循序漸進」；需要把很多的元素溶入其中，從「清晰的需求」入手，把熱設計做清楚。同時，把「關鍵「元素設計做充分、做完整。通過不斷努力，相信一定能設計出一流的產品。