动力电池热管理设计：循序渐进和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。

1、基于V模型正向开发的入口：三个关键“需求”，想清楚才能做明白。

其实，所有零件的设计都是基于“需求”的设计。但是这么多年的设计走过来，发现往往出问题的还是“需求”环节。有的问题在设计之初就是模糊或模棱两可。其结果只能是事后打补丁，甚至可能推翻设计。付出很大代价。所以设计之初就要充分“想清楚”，后期的工作，才能“做明白”。

1)关键需求之一：应用“区域”说清楚，满足环境要求是第一位的。

从成本角度，不太赞成“全温度”需求设计方案。电池的本征特性NCM、 NCA、 LFP锂离子化学电池温度适应性很窄，也只能通过热管理去调节其应用范围(如图示)。但是，有一个问题，适应环境越强，温度调节范围越大，技术和成本投入也就越大(在热管理的硬件、软件部分)。如何权衡这个问题?我列举几点：

措施一，设计不同版本的热管理。尽管我们在续驶里程方面，不遗余力的努力，但是大部分车辆，大部分客户，还是把新能源车定义为中短途点对点的交通工具。运行范围还是比燃油车小。例如，如果在南方地区应用的物流车辆，覆盖高寒地区需求设计，显然是不合理，不经济的。时下“用户精准定位”，的设计也是一种发展趋势。

措施二，“告之客户”：比如说，leaf 早期的版本，用户手册上有一条：“勿把车辆，置于49℃以上场所24h以上;置于-25℃以上场所7天以上”。任何产品，都是以满足大多数客户需求为目标的。当面对“少数”客户，少数“情况”的时候。需要给客户“讲清楚”。也是合情合理的办法。

措施三，从根本入手，选择电池类型。比如说LTO电池，低温适应可以提高一个数量级。在电量和能量密度要求不高的情况下，是可以尝试应用的。(这一点，不在本文讨论)

2)关键需求之二：电池系统功率边界SOP，考验热管理温度限值控制能力

整车的正向设计，功率需求是非常重要的。决定着动力性能的优劣。而电池系统的功率边界，很大程度上取决于热管理的限值控制能力。一般来讲，第一步需要整车功率需求的导入。电池系统再行分解技术指标，选择电芯，选择热管理模式等。当然，电池系统也有鞭长莫及的时候。和整车的匹配曲线，也会不吻合的。这个时候，需要优先考虑整车的安全性。

3)关键需求之三：系统温差设计目标，主要体现热管理的均温能力

我一直认为，这是热管理设计的精髓所在。尽管热管理高低温的控温能力，解决了电池的安全运行问题，但是，体现电池性能，寿命能力，是“系统均温”能力说了算的。Tesla <2℃的系统温差，除了说明他的热管理能力强大，更关键的是 model S 、model X 15万英里的行驶里程，大部车辆电池容量损失不到10%。这才是真理。

均温设计，更多的是从热结构、冷媒介质、控制策略入手，是比较直接的环节。其实，还有一个重要的环节容易被忽略掉，哪就是“保温”设计(结构材料、控制策略)。保温措施，是改变温度变化斜率最有效的办法。一方面让高温时热管理降温更快(降低外环境影响)，一方面，让环境低温时，停驶的车辆降温慢。这给用户带来了便利，也让环境温度略低于0℃的热管理设计，变得简化和容易。

2、 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。我们先看看相关材料热导率(导热系数)如图：

正极材料负极材料隔膜电解液铝铜镍红砖

热导率1.58W/m2.k1.040.33440.45236398810.49

(注：表中数据因测试方法可能会有出入，仅做参考)

从表中材料角度，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：

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

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。

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

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。