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(guò)程來(lái)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(chē)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(kāi)箱體，滿(mǎn)滿(mǎn)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(méi)有作為關(guān)鍵環(huán)節(jié)對(duì)待。近些年，這種情況發(fā)生了根本變化，客戶(hù)對(duì)“縮小使用差距（和燃油車(chē)）”很迫切，從功率角度、環(huán)境適應(yīng)性，對(duì)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(kāi)發(fā)流程，循序漸進(jìn)，認(rèn)真對(duì)待每一個(gè)小環(huán)節(jié)，讓熱設(shè)計(jì)滿(mǎn)足電池系統(tǒng)要求。

1、基于V模型正向開(kāi)發(fā)的入口：三個(gè)關(guān)鍵“需求”，想清楚才能做明白。

其實(shí)，所有零件的設(shè)計(jì)都是基于“需求”的設(shè)計(jì)。但是這么多年的設(shè)計(jì)走過(guò)來(lái)，發(fā)現(xiàn)往往出問(wèn)題的還是“需求”環(huán)節(jié)。有的問(wèn)題在設(shè)計(jì)之初就是模糊或模棱兩可。其結(jié)果只能是事后打補(bǔ)丁，甚至可能推翻設(shè)計(jì)。付出很大代價(jià)。所以設(shè)計(jì)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(shuō)清楚，滿(mǎn)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(jì)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(guò)熱管理去調(diào)節(jié)其應(yīng)用范圍（如圖示）。但是，有一個(gè)問(wèn)題，適應(yīng)環(huán)境越強(qiáng)，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(gè)問(wèn)題？我列舉幾點(diǎn)：

措施一，設(shè)計(jì)不同版本的熱管理。盡管我們?cè)诶m(xù)駛里程方面，不遺余力的努力，但是大部分車(chē)輛，大部分客戶(hù)，還是把新能源車(chē)定義為中短途點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的交通工具。運(yùn)行范圍還是比燃油車(chē)小。例如，如果在南方地區(qū)應(yīng)用的物流車(chē)輛，覆蓋高寒地區(qū)需求設(shè)計(jì)，顯然是不合理，不經(jīng)濟(jì)的。時(shí)下“用戶(hù)精準(zhǔn)定位”，的設(shè)計(jì)也是一種發(fā)展趨勢(shì)。

措施二，“告之客戶(hù)”：比如說(shuō)，leaf 早期的版本，用戶(hù)手冊(cè)上有一條：“勿把車(chē)輛，置于49℃以上場(chǎng)所24h以上；置于-25℃以上場(chǎng)所7天以上”。任何產(chǎn)品，都是以滿(mǎn)足大多數(shù)客戶(hù)需求為目標(biāo)的。當(dāng)面對(duì)“少數(shù)”客戶(hù)，少數(shù)“情況”的時(shí)候。需要給客戶(hù)“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(lèi)型。比如說(shuō)LTO電池，低溫適應(yīng)可以提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。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(diǎn)，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(yàn)熱管理溫度限值控制能力

整車(chē)的正向設(shè)計(jì)，功率需求是非常重要的。決定著動(dòng)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(lái)講，第一步需要整車(chē)功率需求的導(dǎo)入。電池系統(tǒng)再行分解技術(shù)指標(biāo)，選擇電芯，選擇熱管理模式等。當(dāng)然，電池系統(tǒng)也有鞭長(zhǎng)莫及的時(shí)候。和整車(chē)的匹配曲線(xiàn)，也會(huì)不吻合的。這個(gè)時(shí)候，需要優(yōu)先考慮整車(chē)的安全性。

關(guān)鍵需求之三：系統(tǒng)溫差設(shè)計(jì)目標(biāo)，主要體現(xiàn)熱管理的均溫能力

我一直認(rèn)為，這是熱管理設(shè)計(jì)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(yùn)行問(wèn)題，但是，體現(xiàn)電池性能，壽命能力，是“系統(tǒng)均溫”能力說(shuō)了算的。Tesla ＜2℃的系統(tǒng)溫差，除了說(shuō)明他的熱管理能力強(qiáng)大，更關(guān)鍵的是 model S 、model X 15萬(wàn)英里的行駛里程，大部車(chē)輛電池容量損失不到10%。這才是真理。

均溫設(shè)計(jì)，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(shí)，還有一個(gè)重要的環(huán)節(jié)容易被忽略掉，哪就是“保溫”設(shè)計(jì)（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(shí)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(shí)，停駛的車(chē)輛降溫慢。這給用戶(hù)帶來(lái)了便利，也讓環(huán)境溫度略低于0℃的熱管理設(shè)計(jì)，變得簡(jiǎn)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(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。我們先看看相關(guān)材料熱導(dǎo)率（導(dǎo)熱系數(shù)）如圖：

(注：表中數(shù)據(jù)因測(cè)試方法可能會(huì)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(shuō)，讓電池表面的溫度，傳熱到最內(nèi)層，時(shí)間長(zhǎng)度很長(zhǎng)。更為重要的是，均溫特性，會(huì)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(guò)連接片與極片相連，工藝、材料是有差異性的）。

通過(guò)上面分析對(duì)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(guò)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(kāi)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(tīng)起來(lái)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(guò)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(duì)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(huì)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(guò)程中，會(huì)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(chǎng)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(jiàn)證過(guò)因小小的一片導(dǎo)熱墊全部返工的案例。選擇產(chǎn)品廠(chǎng)商，關(guān)注其實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ谜鎸?shí)數(shù)據(jù)說(shuō)話(huà)。

不可忽略關(guān)鍵元素之三系統(tǒng)箱體的局部隔熱

對(duì)于水冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)，我們?cè)诰植窟€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(lái)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(duì)車(chē)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(duì)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(duì)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(huì)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(méi)有主動(dòng)的設(shè)計(jì)元素。看來(lái)，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(guò)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(mǎn)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(chē)輛移動(dòng)時(shí)，箱體外形對(duì)氣流的導(dǎo)流是需要設(shè)計(jì)的；電池箱體與車(chē)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(duì)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(duì)流通道。我做過(guò)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(huì)。在熱設(shè)計(jì)過(guò)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(guò)來(lái)的。這種跨專(zhuān)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(huì)到，熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)，不僅僅是控制高溫或低溫哪么簡(jiǎn)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(mǎn)。本文沒(méi)有描述，放在后期留做專(zhuān)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(guò)不斷努力，相信一定能設(shè)計(jì)出一流的產(chǎn)品。