電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的設(shè)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(guān)鍵所在。它直接關(guān)系到電池系統(tǒng)最終的成敗，可以一票否決設(shè)計成果。
從熱設(shè)計過程來看，關(guān)聯(lián)元素很多，如同在支點上找平衡。最終的目標，技術(shù)實施的結(jié)果，就是保證系統(tǒng)內(nèi)所有化學(xué)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(shè)計中，不乏以電池布置為主。打開箱體，滿滿當當?shù)亩际请姵兀瑹峁芾碓O(shè)計難覓蹤影或被弱化，沒有作為關(guān)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(yīng)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(xué)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(shè)計滿足電池系統(tǒng)要求。
1、基于V模型正向開發(fā)的入口：三個關(guān)鍵“需求”，想清楚才能做明白。
其實，所有零件的設(shè)計都是基于“需求”的設(shè)計。但是這么多年的設(shè)計走過來，發(fā)現(xiàn)往往出問題的還是“需求”環(huán)節(jié)。有的問題在設(shè)計之初就是模糊或模棱兩可。其結(jié)果只能是事后打補丁，甚至可能推翻設(shè)計。付出很大代價。所以設(shè)計之初就要充分“想清楚”，后期的工作，才能“做明白”。
1）關(guān)鍵需求之一：應(yīng)用“區(qū)域”說清楚，滿足環(huán)境要求是第一位的。
從成本角度，不太贊成“全溫度”需求設(shè)計方案。電池的本征特性NCM、 NCA、 LFP鋰離子化學(xué)電池溫度適應(yīng)性很窄，也只能通過熱管理去調(diào)節(jié)其應(yīng)用范圍（如圖示）。但是，有一個問題，適應(yīng)環(huán)境越強，溫度調(diào)節(jié)范圍越大，技術(shù)和成本投入也就越大（在熱管理的硬件、軟件部分）。如何權(quán)衡這個問題？我列舉幾點：
措施一，設(shè)計不同版本的熱管理。盡管我們在續(xù)駛里程方面，不遺余力的努力，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。運行范圍還是比燃油車小。例如，如果在南方地區(qū)應(yīng)用的物流車輛，覆蓋高寒地區(qū)需求設(shè)計，顯然是不合理，不經(jīng)濟的。時下“用戶精準定位”，的設(shè)計也是一種發(fā)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，置于49℃以上場所24h以上；置于-25℃以上場所7天以上”。任何產(chǎn)品，都是以滿足大多數(shù)客戶需求為目標的。當面對“少數(shù)”客戶，少數(shù)“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(yīng)可以提高一個數(shù)量級。在電量和能量密度要求不高的情況下，是可以嘗試應(yīng)用的。（這一點，不在本文討論）
2）關(guān)鍵需求之二：電池系統(tǒng)功率邊界SOP，考驗熱管理溫度限值控制能力
整車的正向設(shè)計，功率需求是非常重要的。決定著動力性能的優(yōu)劣。而電池系統(tǒng)的功率邊界，很大程度上取決于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(dǎo)入。電池系統(tǒng)再行分解技術(shù)指標，選擇電芯，選擇熱管理模式等。當然，電池系統(tǒng)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(yōu)先考慮整車的安全性。
3）關(guān)鍵需求之三：系統(tǒng)溫差設(shè)計目標，主要體現(xiàn)熱管理的均溫能力
我一直認為，這是熱管理設(shè)計的精髓所在。盡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(xiàn)電池性能，壽命能力，是“系統(tǒng)均溫”能力說了算的。Tesla ＜2℃的系統(tǒng)溫差，除了說明他的熱管理能力強大，更關(guān)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(shè)計，更多的是從熱結(jié)構(gòu)、冷媒介質(zhì)、控制策略入手，是比較直接的環(huán)節(jié)。其實，還有一個重要的環(huán)節(jié)容易被忽略掉，哪就是“保溫”設(shè)計（結(jié)構(gòu)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(huán)境影響），一方面，讓環(huán)境低溫時，停駛的車輛降溫慢。這給用戶帶來了便利，也讓環(huán)境溫度略低于0℃的熱管理設(shè)計，變得簡化和容易。
2、 不可忽略關(guān)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。我們先看看相關(guān)材料熱導(dǎo)率（導(dǎo)熱系數(shù)）如圖：
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正極材料
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負極材料
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隔膜
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電解液
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鋁
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銅
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鎳
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紅磚
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熱導(dǎo)率
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1.58W/m2.k
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1.04
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0.3344
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0.45
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236
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398
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81
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0.49
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(注：表中數(shù)據(jù)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(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)幔B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(shè)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(shè)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(guān)鍵元素之二 導(dǎo)熱界面材料應(yīng)用選擇
圖中①③④⑤ 都與熱有關(guān)系
1）用在電芯之間的作用①：導(dǎo)熱、隔熱。聽起來似乎是有些矛盾。我們在應(yīng)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(dǎo)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(dǎo)熱板之間的時候③，我們不僅僅要求其導(dǎo)熱性好，還需要導(dǎo)熱均勻，絕緣性好。這也是一對矛盾。從材料角度，導(dǎo)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。
案例數(shù)據(jù)：source:蘇州佰旻電子材料科技有限公司
除了上述關(guān)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(dān)起“緩沖”的作用。總之，輔件雖小，作用很大。需要很好的“選擇設(shè)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(dǎo)熱墊全部返工的案例。選擇產(chǎn)品廠商，關(guān)注其實驗?zāi)芰Γ谜鎸崝?shù)據(jù)說話。
不可忽略關(guān)鍵元素之三 系統(tǒng)箱體的局部隔熱
對于水冷系統(tǒng)設(shè)計，我們在局部還是做了一定的隔熱設(shè)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(shè)計，原因很多。但是，對電池系統(tǒng)熱的精準設(shè)計方向是正確的。隔熱設(shè)計也會被要求的。
不可忽略關(guān)鍵元素之四：自然冷卻的電池系統(tǒng)，也需要熱管理設(shè)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(shè)計元素。看來，這種觀點，是需要修正一下的。
1）電池系統(tǒng)外箱體氣流的導(dǎo)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(dǎo)流是需要設(shè)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。
小結(jié)
本文闡述的是工作中的一點體會。在熱設(shè)計過程中，其實還有兩個至關(guān)重要的因素：一個是“理解化學(xué)電池”。很多做熱設(shè)計、熱仿真的工程師，都是從其它領(lǐng)域轉(zhuǎn)型過來的。這種跨專業(yè)的“理解”是需要學(xué)習(xí)的。只有根植于你的思想理念中，你才能體會到，熱系統(tǒng)設(shè)計，不僅僅是控制高溫或低溫哪么簡單，這只是你設(shè)計的一小步，而把系統(tǒng)做的“均溫”才是你的本事。另一個關(guān)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(shù)據(jù)還不夠豐滿。本文沒有描述，放在后期留做專題討論。
以上介紹，僅僅指出了正向熱設(shè)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(shè)計做清楚。同時，把 “關(guān)鍵“元素設(shè)計做充分、做完整。通過不斷努力，相信一定能設(shè)計出一流的產(chǎn)品。 |
