汽车电芯的热管理设计

一、不同电芯热管理介绍

热管理的意义:

人们对电动车续航里程、充电时间的要求越来越高，行之有效的电池热管理系统，对于提高电池包整体性能具有重要意义。

热管理想要达到的效果：

Pack内热过程

热管理系统的分类

各热管理系统具有自己的特点和优势，目前国内以液体热管理系统为主流.

不同电芯介绍

圆柱电芯模组

特斯拉圆柱电芯模组

国内某圆柱电芯模组

方形电芯模组

1-端板； 2-引出支座 3，4-正负极保护盖；

8-盖板； 9-导电排； 10-线束板；

14-侧板； 15-隔热垫； 16-底板。

软包电芯模组

某L电池模块

电池粘接于壳体上，该壳体由塑料件和铝钣金件（厚度0.35mm）组合而成（塑料铆接），铝板的结构便于将电池的热量转移至边缘处，易于实现模块的散热，塑料件用于绝缘以及相互卡接形成一个电池单元

某S电池模组

外部铝端板，电池通过上下端板和塑料压板固定

软包模组

软包模组主要零件：端板、盖板、导电排、散热板、缓冲垫、NTC

散热单元

爆炸图

圆柱电芯热管理

冷却管道内部被分成四个孔道，为了防止冷却液流动过程中温度逐渐升高，使末端散热能力不佳，热管理系统采用了双向流动的流场设计，冷却管道的两个端部既是进液口，也是出液口。

电池之间及电池和管道间填充电绝缘但导热性能良好的材料（如Stycast 2850ct），其作用使（1）将电池于散热管道间的接触形式从线接触转变为面接触，增大传热效率；（2）促进电池间热交换，有利于提高单体电池间的温度均一度（相当于被动热均衡）；（3）提高电池包的整体热容，从而降低整体平均温升。

方形电芯热管理

宝马直冷热管理系统

冷板温度分布

某W电池热管理系统

内部搭载有32个VDA模块，每四组模块共用一个冷板，冷板与冷板之间通过管路并联连接，使系统温度性能最优，其中冷板采用搅拌摩擦焊冷板，冷板和管路通过快插连接。

软包电芯热管理

不同电芯热管理比较分析

相同之处：

1、通过增加散热通道，提高散热效率；

2、通过使用高导热介质，提高导热速率；

3、通过主动冷却方式；

导热和散热

不同之处：

1、采用的导热介质不同；

2、散热路径和散热通道不同；

3、散热面积及有效散热面积比不同；

4、冷却介质也有不同；

5、冷板布置方式不同；

6、散热器效果不同。

二、电芯热管理设计

客户输入

冷却要求：

高温环境，告诉工况冷却，电池温度不允许超过45摄氏度；

高温环境，爬坡工况（10%坡度）冷却，电池温度不允许超过45摄氏度；

高温环境，快充工况冷却，电池温度不允许超过45摄氏度；

加热要求

-20摄氏度低温环境，加热至0摄氏度，时间30min;

-30摄氏度低温环境，加热至0摄氏度，时间50min；

温差要求：冷却：<5摄氏度，加热：<10摄氏度；

保温要求：高温和低温24H温度保持情况

根据客户输入转化为不同工况电池的充放电倍率发热功率。

发热功率估算

电池发热功率的表达式为：

式中：U为电池开路电压；I为电池电流；V为电池负载电势，以上三项分别表示不可逆内阻热、可逆熵热和混合热。

随后Thomas和Newman证实，在电池的设计过程中，如果减小极化浓度差，混合热可以忽略不计，公式(1)简化为：

目前多采用此方法，但是根据发热功率影响因素一定要确定哪个SOC、哪个温度、哪个充放电倍率下的内阻。

一般情况下会给出50%SOC25℃1C充放电下的内阻，但在充放电末端内阻值会变大，发热功率也会变大。

其他发热功率估算方法：

依据充放电能量效率计算：

依据充放电电压曲线及SOC~OCV曲线计算；

发热功率估算

电芯温度情况

热管理初步设计—导热

导热材料主要关注点：

导热性能、密度、阻燃性能、绝缘性能、热稳定性、压缩回弹性、拉伸和耐磨性能、粘接性、使用温度、耐久性

在模块中应用石墨片后对加热速率影响不大，没有加快加热速率；

使用石墨片后加热过程温差变小，极柱间温差可减小近2摄氏度，电池组最大温差可减小1.5摄氏度，均温效果明显。

热管理初步设计—散热

热管理初步设计—冷板支撑结构

仿真分析

仿真要求：

根据边界输入，进行流场和温度流场仿真，包括压力情况、速度情况、流量情况、不同工况的温度情况。

实验验证

实验验证：

1、对模拟结果进行验证；

2、了解热管理真是性能；

3、比较模拟和实验结果差距；

4、根据结果分析，提出优化方案。

隔热保温设计

从目前电池系统的发展趋势来看，采用液冷系统越来越多，因此箱体隔热设计越发重要。

意义：

1、保持系统内部温度，有利于低温充放电，延长使用寿命；

2、保持系统内部温度，降低高温路面热辐射对系统内部温度的影响；

3、外部出现火烧或者高温时，保持电池包内部正常温度，延缓电池热失控，提高安全性；

4、在电芯发生热失控时，能起隔热作用，抑制热扩散，延缓事故发生；

5、在电芯发生齐活时，延缓火势蔓延，增加逃生时间。

常见保温材料：

泡棉（包括PU、CR、EVA和PE等）、绒毛毯、二氧化硅气凝胶、发泡硅胶、成瓷隔热片、石墨烯隔热等。

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