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保障电池运行安全,如何进行电池热管理系统设计?
2019-07-16 13:15
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电源技术
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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。如何进行有效动力电池热管理设计,变得越来越重要?
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8条回答
gvjhvbc
2019-07-17 01:36
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.k
1.04
0.3344
0.45
236
398
81
0.49
(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。
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0.45
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398
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(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。
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