汽車電芯的熱管理設計

一、不同電芯熱管理介紹

熱管理的意義:

人們對電動車續(xù)航里程、充電時間的要求越來越高，行之有效的電池熱管理系統(tǒng)，對于提高電池包整體性能具有重要意義。

熱管理想要達到的效果：

Pack內熱過程

熱管理系統(tǒng)的分類

各熱管理系統(tǒng)具有自己的特點和優(yōu)勢，目前國內以液體熱管理系統(tǒng)為主流.

不同電芯介紹

圓柱電芯模組

特斯拉圓柱電芯模組

國內某圓柱電芯模組

方形電芯模組

1-端板； 2-引出支座 3，4-正負極保護蓋；

8-蓋板； 9-導電排； 10-線束板；

14-側板； 15-隔熱墊； 16-底板。

軟包電芯模組

某L電池模塊

電池粘接于殼體上，該殼體由塑料件和鋁鈑金件（厚度0.35mm）組合而成（塑料鉚接），鋁板的結構便于將電池的熱量轉移至邊緣處，易于實現(xiàn)模塊的散熱，塑料件用于絕緣以及相互卡接形成一個電池單元

某S電池模組

外部鋁端板，電池通過上下端板和塑料壓板固定

軟包模組

軟包模組主要零件：端板、蓋板、導電排、散熱板、緩沖墊、NTC

散熱單元

爆炸圖

圓柱電芯熱管理

冷卻管道內部被分成四個孔道，為了防止冷卻液流動過程中溫度逐漸升高，使末端散熱能力不佳，熱管理系統(tǒng)采用了雙向流動的流場設計，冷卻管道的兩個端部既是進液口，也是出液口。

電池之間及電池和管道間填充電絕緣但導熱性能良好的材料（如Stycast 2850ct），其作用使（1）將電池于散熱管道間的接觸形式從線接觸轉變?yōu)槊娼佑|，增大傳熱效率；（2）促進電池間熱交換，有利于提高單體電池間的溫度均一度（相當于被動熱均衡）；（3）提高電池包的整體熱容，從而降低整體平均溫升。

方形電芯熱管理

寶馬直冷熱管理系統(tǒng)

冷板溫度分布

某W電池熱管理系統(tǒng)

內部搭載有32個VDA模塊，每四組模塊共用一個冷板，冷板與冷板之間通過管路并聯(lián)連接，使系統(tǒng)溫度性能最優(yōu)，其中冷板采用攪拌摩擦焊冷板，冷板和管路通過快插連接。

軟包電芯熱管理

不同電芯熱管理比較分析

相同之處：

1、通過增加散熱通道，提高散熱效率；

2、通過使用高導熱介質，提高導熱速率；

3、通過主動冷卻方式；

導熱和散熱

不同之處：

1、采用的導熱介質不同；

2、散熱路徑和散熱通道不同；

3、散熱面積及有效散熱面積比不同；

4、冷卻介質也有不同；

5、冷板布置方式不同；

6、散熱器效果不同。

二、電芯熱管理設計

客戶輸入

冷卻要求：

高溫環(huán)境，告訴工況冷卻，電池溫度不允許超過45攝氏度；

高溫環(huán)境，爬坡工況（10%坡度）冷卻，電池溫度不允許超過45攝氏度；

高溫環(huán)境，快充工況冷卻，電池溫度不允許超過45攝氏度；

加熱要求

-20攝氏度低溫環(huán)境，加熱至0攝氏度，時間30min;

-30攝氏度低溫環(huán)境，加熱至0攝氏度，時間50min；

溫差要求：冷卻：<5攝氏度，加熱：<10攝氏度；

保溫要求：高溫和低溫24H溫度保持情況

根據(jù)客戶輸入轉化為不同工況電池的充放電倍率發(fā)熱功率。

發(fā)熱功率估算

電池發(fā)熱功率的表達式為：

式中：U為電池開路電壓；I為電池電流；V為電池負載電勢，以上三項分別表示不可逆內阻熱、可逆熵熱和混合熱。

隨后Thomas和Newman證實，在電池的設計過程中，如果減小極化濃度差，混合熱可以忽略不計，公式(1)簡化為：

目前多采用此方法，但是根據(jù)發(fā)熱功率影響因素一定要確定哪個SOC、哪個溫度、哪個充放電倍率下的內阻。

一般情況下會給出50%SOC25℃1C充放電下的內阻，但在充放電末端內阻值會變大，發(fā)熱功率也會變大。

其他發(fā)熱功率估算方法：

依據(jù)充放電能量效率計算：

依據(jù)充放電電壓曲線及SOC~OCV曲線計算；

發(fā)熱功率估算

電芯溫度情況

熱管理初步設計—導熱

導熱材料主要關注點：

導熱性能、密度、阻燃性能、絕緣性能、熱穩(wěn)定性、壓縮回彈性、拉伸和耐磨性能、粘接性、使用溫度、耐久性

在模塊中應用石墨片后對加熱速率影響不大，沒有加快加熱速率；

使用石墨片后加熱過程溫差變小，極柱間溫差可減小近2攝氏度，電池組最大溫差可減小1.5攝氏度，均溫效果明顯。

熱管理初步設計—散熱

熱管理初步設計—冷板支撐結構

仿真分析

仿真要求：

根據(jù)邊界輸入，進行流場和溫度流場仿真，包括壓力情況、速度情況、流量情況、不同工況的溫度情況。

實驗驗證

實驗驗證：

1、對模擬結果進行驗證；

2、了解熱管理真是性能；

3、比較模擬和實驗結果差距；

4、根據(jù)結果分析，提出優(yōu)化方案。

隔熱保溫設計

從目前電池系統(tǒng)的發(fā)展趨勢來看，采用液冷系統(tǒng)越來越多，因此箱體隔熱設計越發(fā)重要。

意義：

1、保持系統(tǒng)內部溫度，有利于低溫充放電，延長使用壽命；

2、保持系統(tǒng)內部溫度，降低高溫路面熱輻射對系統(tǒng)內部溫度的影響；

3、外部出現(xiàn)火燒或者高溫時，保持電池包內部正常溫度，延緩電池熱失控，提高安全性；

4、在電芯發(fā)生熱失控時，能起隔熱作用，抑制熱擴散，延緩事故發(fā)生；

5、在電芯發(fā)生齊活時，延緩火勢蔓延，增加逃生時間。

常見保溫材料：

泡棉（包括PU、CR、EVA和PE等）、絨毛毯、二氧化硅氣凝膠、發(fā)泡硅膠、成瓷隔熱片、石墨烯隔熱等。

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