電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的設(shè)計(jì)，是保障電池運(yùn)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(biāo)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(jì)成果。

從熱設(shè)計(jì)過程來看，關(guān)聯(lián)元素很多，如同在支點(diǎn)上找平衡。最終的目標(biāo)，技術(shù)實(shí)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(diǎn)，眾多電芯的性能才能“齊頭并進(jìn)”，發(fā)揮出最好的作用。

在車用動(dòng)力電池系統(tǒng)早期的設(shè)計(jì)中，不乏以電池布置為主。打開箱體，滿滿當(dāng)當(dāng)?shù)亩际请姵兀瑹峁芾碓O(shè)計(jì)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(yùn)用科學(xué)完整的開發(fā)流程，循序漸進(jìn)，認(rèn)真對待每一個(gè)小環(huán)節(jié)，讓熱設(shè)計(jì)滿足電池系統(tǒng)要求。

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(diǎn)布置需標(biāo)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(fù)極片+N片隔膜+若干電解液組成。

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(shí)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(diǎn)采集布置，是不確定的。同時(shí)，單體電芯組成的模組、包體，因結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、布置的差異，也是完全不同的。需要通過標(biāo)定完成溫點(diǎn)的布置設(shè)計(jì)。如，Leaf電池系統(tǒng)有4個(gè)采集點(diǎn)，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(shí)驗(yàn)，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

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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(yùn)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(dāng)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(dāng)用在電池和導(dǎo)熱板之間的時(shí)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(gè)選擇。電芯在充放電過程中，會有一定的膨脹，這時(shí)，需要結(jié)構(gòu)方面吸收這個(gè)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(jì)”。另外，還有一個(gè)“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(jià)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(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ谜鎸?shí)數(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

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對于水冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)，我們在局部還是做了一定的隔熱設(shè)計(jì)。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(hù)作用。目前，箱體還做不到完全隔熱設(shè)計(jì)，原因很多。但是，對電池系統(tǒng)熱的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)方向是正確的。隔熱設(shè)計(jì)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(jì)元素

很多時(shí)候，我們認(rèn)為自然冷卻是依靠箱體冷卻，沒有主動(dòng)的設(shè)計(jì)元素。看來，這種觀點(diǎn)，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(diǎn)，我和很多經(jīng)驗(yàn)豐富的結(jié)構(gòu)工程師做過討論。他們很認(rèn)可這一點(diǎn)。當(dāng)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(gè)“散熱片”。車輛移動(dòng)時(shí)，箱體外形對氣流的導(dǎo)流是需要設(shè)計(jì)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(diǎn)大家可以理解的。當(dāng)采用自然冷卻的時(shí)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(shí)，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(gè)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(diǎn)體會。在熱設(shè)計(jì)過程中，其實(shí)還有兩個(gè)至關(guān)重要的因素：一個(gè)是“理解化學(xué)電池”。很多做熱設(shè)計(jì)、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(jì)，不僅僅是控制高溫或低溫哪么簡單，這只是你設(shè)計(jì)的一小步，而把系統(tǒng)做的“均溫”才是你的本事。另一個(gè)關(guān)鍵“是電池的熱模型”，這個(gè)概念提出很多年了。大家也在默默的做。我的理解，做的還遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(jì)需要的“循序漸進(jìn)”;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(jì)做清楚。同時(shí)，把 “關(guān)鍵“元素設(shè)計(jì)做充分、做完整。通過不斷努力，相信一定能設(shè)計(jì)出一流的產(chǎn)品。