电池热管理系统设计中不可忽略的关键元素

2018-04-12 10:19:14      来源: 电池中国      编辑:王璞玉      人气:

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。它直接关系到电池系统最终的成败,可以一票否决设计成果。

  电池热管理系统包括冷却剂子系统,该冷却剂子系统具有将冷却剂的热量排出到从制冷剂子系统的蒸发器中分流的制冷剂的冷却器。离开冷却器的经冷却的冷却剂用于对电池组进行热管理。

电池热管理系统设计中不可忽略的关键元素

  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。它直接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,技术实施的结果,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”,发挥出最好的作用。

  在车用动力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)”很迫切,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。这就需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,都是由多层极片叠加而成。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。

  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。更为重要的是,均温特性,会变得非常差。从电池加工工艺角度分析,还有更多的差异影响着传热、均温:

电池热管理系统设计中不可忽略的关键元素

  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)

  通过上面分析对比,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。需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,完成了多少轮实验,这种开发的辛苦,我们不得而知。

  不可忽略关键元素之二 导热界面材料应用选择

电池热管理系统设计中不可忽略的关键元素

图中①③④⑤ 都与热有关系

  1)用在电芯之间的作用①:导热、隔热。听起来似乎是有些矛盾。我们在应用中,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,还需要导热均匀,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。

电池热管理系统设计中不可忽略的关键元素

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,需要结构方面吸收这个变量。界面材料,自然也担起“缓冲”的作用。总之,辅件虽小,作用很大。需要很好的“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,关注其实验能力,用真实数据说话。

  不可忽略关键元素之三 系统箱体的局部隔热

电池热管理系统设计中不可忽略的关键元素

  对于水冷系统设计,我们在局部还是做了一定的隔热设计。下底板的隔热主要作用是阻止来自地面的高温辐射传热。上面的隔热棉主要是阻断电池系统对车身或乘舱的传热。从安全角度,隔热作用也是很大的,一旦发生电池系统故障燃烧,能起到对乘员舱缓解和保护作用。目前,箱体还做不到完全隔热设计,原因很多。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,也需要热管理设计元素

  很多时候,我们认为自然冷却是依靠箱体冷却,没有主动的设计元素。看来,这种观点,是需要修正一下的。

  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需要设计的;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。我做过一个分析,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,其实还有两个至关重要的因素:一个是“理解化学电池”。很多做热设计、热仿真的工程师,都是从其它领域转型过来的。这种跨专业的“理解”是需要学习的。只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。

  以上介绍,仅仅指出了正向热设计需要的“循序渐进”;需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“元素设计做充分、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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