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高功率動力電池模組匯流排熱管理優(yōu)化

2020-09-04 00:14:10·  來源：電動學堂  
　
0 引言動力電池模組在大電流充放電過程中，由于存在電芯內阻、極耳與匯流排的接觸電阻、匯流排電阻等原因，模組會出現顯著溫升；模組匯流排受與電芯極耳直接焊接
0 引言
動力電池模組在大電流充放電過程中，由于存在電芯內阻、極耳與匯流排的接觸電阻、匯流排電阻等原因，模組會出現顯著溫升；模組匯流排受與電芯極耳直接焊接接觸、截面積有限等因素影響，溫升速率會更明顯，尤其是模組總正、總負截面積較小位置。
模組匯流排溫度的過快升高，會局部增加電芯極耳區(qū)域的溫度，加劇正極粘結劑分解、不可逆相變和過渡金屬元素的溶解等問題，負極一側會產生SEI膜生長加速，消耗電池內部有限的活性Li，導致電池不可逆容量損失。
另外，模組溫度監(jiān)控點多布置在匯流排表面，匯流排的溫度過快升高，也會造成電池系統(tǒng)提前出現功率限制故障，進而影響用戶體驗，甚至存在安全隱患。
優(yōu)越的加速性能，是電動汽車相比燃油車帶給用戶的最大體驗，因此電動汽車對加速性能要求逐步提高，多數中高端純電動轎車更是配置S擋加速工況，電機配置峰值功率非常大，動力電池系統(tǒng)峰值放電倍率需求達到6C以上，對動力電池系統(tǒng)散熱能力提出較高要求。
現在動力電池系統(tǒng)一般通過配置液冷系統(tǒng)來匹配大功率放電工況，但是液冷板更容易在模組底部布置，對模組上部匯流排較難起到迅速散熱作用；雖然模組匯流排可以通過增大截面積、優(yōu)化結構來減小電阻，降低溫升，但這會帶來物料成本、工藝難度的提高，也會影響電池系統(tǒng)能量密度；因此需要在匯流排結構、工藝不變條件下，探索動力電池模組匯流排熱管理優(yōu)化設計方案，提高在高功率工況下的應用能力，同時避免模組局部溫升過高對電池壽命及安全性的影響。
1仿真分析
1.1 模組設計優(yōu)化
 
原匯流排集成板設計外觀見圖1，匯流排集成板與電芯焊接區(qū)域尺寸為600mm×160mm(長度×寬度)，由60mm×40mm(長度×寬度)、厚度3mm銅排串并聯(lián)組成，每組銅排并聯(lián)2個36A·h單體，30組單體再串聯(lián)組成76A·h/108V模組；
模組總正、總負銅排寬度25mm、厚度3mm；總負銅排長度是總正銅排3倍左右，且需要避開BMS從板，因此有一處顯著彎折異形結構。
通過增大模組匯流排截面積、優(yōu)化結構可以減小電阻，進而降低匯流排溫升，甚至可以在匯流排上部布置液冷裝置輔助散熱，但這會帶來模組物料、工藝成本的增加，而且影響電池系統(tǒng)能量密度。
導熱硅脂是一種高導熱絕緣的有機硅材料，在－50～230℃范圍內長期使用可保持膏狀狀態(tài)，浸潤散熱表面，形成良好導熱通道，適合用于電池匯流排的散熱環(huán)境。
因此，在不改變匯流排結構設計條件下，通過在匯流排上表面涂布導熱硅脂改善散熱，高度不超過模組上沿最高點，同時最外層覆蓋2mm厚導熱硅膠墊，起到限制導熱硅脂溶劑揮發(fā)及流動的作用，也可進一步輔助導熱硅脂散熱；總正、總負銅排探出模組區(qū)域，局部涂布2mm厚導熱硅脂，再包裹一層導熱硅膠墊；匯流排集成板優(yōu)化改制后外觀見圖2。
 
1.2 仿真條件
 
(1)動力電池模組三維數模使用HyperMesh軟件進行前期網格處理，網格尺寸取0.5mm，使用STAＲ－CCM+流體力學軟件進行溫度場仿真，不同材質物料物理特性參數設置見表1；
(2)初始及環(huán)境溫度設置為25℃，最上部導熱硅膠墊可以與環(huán)境進行熱交換；
(3)為簡化模型，暫不考慮模組電芯產熱、散熱對匯流排影響；
(4)模組工作采用450A/5s+0A/3s循環(huán)峰值加速/減速工況進行放電，總循環(huán)仿真時間150s后分析匯流排溫升及溫度場變化情況。
1.3 仿真結果與分析
 
 原動力電池模組匯流排，在450A/5s+0A/3s循環(huán)工況條件下，進行150s仿真后溫度場數據見圖3。模組與電芯焊接區(qū)域銅排截面積最大，溫度整體偏低，在67～75℃內；總正銅排截面積小且長度較短，溫度最高為95℃；總負銅排截面積小且長度較長，溫度最高為133℃，而且在彎折處溫度最高，由于電流傾向通過路徑最短的位置，分析彎折異形結構會造成該區(qū)域電流密度分布不均勻，局部溫度升高。表明匯流排銅排截面積越小、長度越長，則溫升越高，且銅排異形結構會局部增大電流密度，進而增加溫升。
涂布導熱硅脂及覆蓋導熱硅膠墊改制的動力電池模組匯流排，在450A/5s+0A/3s循環(huán)工況持續(xù)150s條件下，仿真后溫度場數據見圖4。
 
模組與電芯焊接區(qū)域銅排溫度整體偏低，在43～53℃內，總正銅排溫度最高為68℃，總負匯流排溫度最高為101℃，溫度場變化趨勢與原模組匯流排一致；但是匯流排整體溫度也較原模組匯流排降低17～32℃，且總負銅排彎折結構處溫升改善最明顯，進一步表明涂布導熱硅脂方式可顯著降低銅排溫升。
2 物理試驗驗證
2.1 試驗方案及條件
設備:采用美凱麟MMT2-300-0100設備進行模組充放電測試，電壓量程0～120V，電流量程±300A，若實際電流超出量程，可進行充放電通道并聯(lián)。
物料:兩套72A·h/108V電池模組；導熱硅脂為電子電器用有機酮導熱硅脂，導熱系數3.5W/(m·K)；導熱硅膠墊厚度2mm，導熱系數1.2W/(m·K)。
試驗方案:
(1)動力電池模組匯流排上表面均勻涂布導熱硅脂，上表面覆蓋一層2mm導熱硅膠墊，總正、總負銅排探出模組區(qū)域，局部涂布2mm厚導熱硅脂，再包裹一層導熱硅膠墊，改制方法見圖2；
(2)(23±2)℃室溫環(huán)境下，優(yōu)化后電池模組與原電池模組串聯(lián)，然后與充放電設備連接；
(3)監(jiān)控兩個動力電池模組總負(銅排彎折結構位置)、總正(靠近模組本體位置)、匯流排與模組電芯焊接區(qū)域(模組左、模組中、模組右)、端板位置溫度；
(4)采用450A/5s+0A/3s循環(huán)峰值加速/減速工況進行放電，監(jiān)控匯流排最高溫度達到80℃后停止試驗。詳細物理試驗裝置圖見圖5。
 
2.2 試驗結果及分析
試驗進行到540s時，原電池模組總負銅排觸發(fā)80℃最高溫度，試驗終止，相關數據匯總分析如下:
2.2.1 模組區(qū)域匯流排溫度分析
 
在匯流排集成板與模組電芯焊接區(qū)域，模組左、模組中、模組右溫度監(jiān)控點溫升監(jiān)控數據見表2、圖6。熱管理改制優(yōu)化后的模組，在模組焊接區(qū)域的匯流排，整體溫升較原匯流排改善1.2～1.8℃，溫升降低趨勢并不明顯。
 
分析該區(qū)域匯流排本身銅排截面積較大，且焊接的電芯極耳也為金屬材質，熱量可較快地被電芯極耳及匯流排本身直接傳導到空氣中，另外該區(qū)域模組試驗終止溫度小于30℃，與室溫(23±3)℃溫差較小，導熱硅脂及導熱硅膠墊難以起到較為明顯的輔助散熱作用。
2.2.2 總正、總負匯流排溫度分析
 
總正、總負銅排溫度監(jiān)控點數據見表3、圖7。物理試驗數據表明:原電池模組總正銅排溫度較總負銅排偏高一些，與仿真結果不一致。分析由于方形、軟包鋰離子電芯放電正極溫度較負極偏高，因此導致原電池模組總正銅排溫度也較總負銅排溫度偏高。
 
但是模組經過熱管理優(yōu)化后，總正、總負銅排溫升相比原電池模組均產生明顯改善；總正銅排溫升改善最明顯，為15.8℃，分析總正銅排溫度監(jiān)控點靠近模組本體區(qū)域，模組本體導熱硅脂涂布面積更大，更大程度上促進了總正銅排散熱；總負銅排溫度監(jiān)控點為彎折結構位置，該異形結構區(qū)域一般是銅排溫度最高位置，但該位置局部涂布導熱硅脂后也有8.8℃溫升改善，表明涂布導熱硅脂也是銅排異形結構局部散熱的有效手段。
涂布導熱硅脂及導熱硅膠墊除了可以輔助匯流排直接向空氣傳導熱量，通過監(jiān)控動力電池模組端板溫度表明，熱管理改制優(yōu)化后的模組端板溫升較快，在試驗終止時溫度偏高2.3℃，詳細數據見圖8；表明導熱硅脂也增大了匯流排集成板與模組機械組件的接觸面積，部分熱量通過模組機械組件物理途徑進行了熱傳導。
 
3結論
通過流體力學軟件仿真表明:匯流排銅排截面積越小、長度越長，則溫升越高，且銅排折彎結構構造也會增加溫升；在不改變匯流排結構、工藝條件下，通過涂布導熱硅脂及覆蓋導熱硅膠墊，模組匯流排整體溫升改善17～32℃，尤其銅排折彎處溫升改善更明顯。
 
物理試驗結果表明:在6C倍率高功率工況循環(huán)條件下，通過匯流排涂布導熱硅脂及覆蓋導熱硅膠墊改制的電池模組，對匯流排截面積較大的模組焊接區(qū)域熱管理優(yōu)化不明顯，溫升相對改善1～2℃；但對截面積較小的總正銅排，甚至總負銅排異形結構區(qū)域，都有明顯溫升改善作用，溫升相對改善達到8.8～15.8℃，且越靠近導熱硅脂涂布大面積區(qū)域，溫升改善效果越明顯。
 
通過涂布導熱硅脂及導熱硅膠墊，除了輔助匯流排直接向空氣傳導熱量，也通過增大匯流排集成板與模組機械組件的接觸面積，增加了熱傳導途徑。
 
因此，針對動力電池模組匯流排高功率應用場景，除了通過優(yōu)化匯流排物理結構進行熱管理優(yōu)化外，可以通過導熱硅脂/導熱硅膠墊等方式促進熱管理優(yōu)化，甚至針對銅排異形結構可以局部涂布導熱硅脂輔助散熱。這樣可以減少設計開發(fā)的成本及周期，同時避免對電池系統(tǒng)能量密度的影響。
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