高功率動力電池模組匯流排熱管理優(yōu)化研究

高斌，田闊，趙二明，朱詠光，劉立業(yè)

1.北汽福田汽車股份有限公司，北京 102200；2.北京華特時(shí)代電動汽車技術(shù)有限公司，北京 101300；3.江西昌河汽車有限公司北京分公司，北京 101300)

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(nèi)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(xiàn)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[1]，尤其是模組總正、總負(fù)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(jié)劑分解、不可逆相變和過渡金屬元素的溶解等問題，負(fù)極一側(cè)會產(chǎn)生SEI膜生長加速，消耗電池內(nèi)部有限的活性Li，導(dǎo)致電池不可逆容量損失[2]。另外，模組溫度監(jiān)控點(diǎn)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(xiàn)功率限制故障，進(jìn)而影響用戶體驗(yàn)，甚至存在安全隱患[3]。

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(yàn)，因此電動汽車對加速性能要求逐步提高，多數(shù)中高端純電動轎車更是配置S擋加速工況，電機(jī)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(dá)到6C以上，對動力電池系統(tǒng)散熱能力提出較高要求?，F(xiàn)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[4-5]，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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)、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(shè)計(jì)方案，提高在高功率工況下的應(yīng)用能力，同時(shí)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(shè)計(jì)優(yōu)化

原匯流排集成板設(shè)計(jì)外觀見圖1，匯流排集成板與電芯焊接區(qū)域尺寸為600 mm×160 mm(長度×寬度)，由60 mm×40 mm(長度×寬度)、厚度3 mm銅排串并聯(lián)組成，每組銅排并聯(lián)2個(gè)36 A·h單體，30組單體再串聯(lián)組成76 A·h/108 V模組；模組總正、總負(fù)銅排寬度25 mm、厚度3 mm；總負(fù)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(jié)構(gòu)。

圖1 匯流排設(shè)計(jì)外觀

通過增大模組匯流排截面積、優(yōu)化結(jié)構(gòu)可以減小電阻，進(jìn)而降低匯流排溫升[1]，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(dǎo)熱硅脂是一種高導(dǎo)熱絕緣的有機(jī)硅材料，在-50～230 ℃范圍內(nèi)長期使用可保持膏狀狀態(tài)，浸潤散熱表面，形成良好導(dǎo)熱通道[6]，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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)條件下，通過在匯流排上表面涂布導(dǎo)熱硅脂改善散熱，高度不超過模組上沿最高點(diǎn)，同時(shí)最外層覆蓋2 mm厚導(dǎo)熱硅膠墊，起到限制導(dǎo)熱硅脂溶劑揮發(fā)及流動的作用，也可進(jìn)一步輔助導(dǎo)熱硅脂散熱；總正、總負(fù)銅排探出模組區(qū)域，局部涂布2 mm厚導(dǎo)熱硅脂，再包裹一層導(dǎo)熱硅膠墊；匯流排集成板優(yōu)化改制后外觀見圖2。

圖2 匯流排優(yōu)化后設(shè)計(jì)外觀

1.2 仿真條件

(1)動力電池模組三維數(shù)模使用HyperMesh軟件進(jìn)行前期網(wǎng)格處理，網(wǎng)格尺寸取0.5 mm，使用STAR-CCM+流體力學(xué)軟件進(jìn)行溫度場仿真，不同材質(zhì)物料物理特性參數(shù)設(shè)置見表1；(2)初始及環(huán)境溫度設(shè)置為25 ℃，最上部導(dǎo)熱硅膠墊可以與環(huán)境進(jìn)行熱交換；(3)為簡化模型，暫不考慮模組電芯產(chǎn)熱、散熱對匯流排影響；(4)模組工作采用450 A/5 s+0 A/3 s循環(huán)峰值加速/減速工況進(jìn)行放電，總循環(huán)仿真時(shí)間150 s后分析匯流排溫升及溫度場變化情況。

表1 材料物理特性參數(shù)

1.3 仿真結(jié)果與分析

原動力電池模組匯流排，在450 A/5 s+0 A/3 s循環(huán)工況條件下，進(jìn)行150 s仿真后溫度場數(shù)據(jù)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(nèi)；總正銅排截面積小且長度較短，溫度最高為95 ℃；總負(fù)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(jié)構(gòu)會造成該區(qū)域電流密度分布不均勻，局部溫度升高[7-8]。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(jié)構(gòu)會局部增大電流密度，進(jìn)而增加溫升。

圖3 原模組匯流排溫度場仿真

涂布導(dǎo)熱硅脂及覆蓋導(dǎo)熱硅膠墊改制的動力電池模組匯流排，在450 A/5 s+0 A/3 s循環(huán)工況持續(xù)150 s條件下，仿真后溫度場數(shù)據(jù)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(nèi)，總正銅排溫度最高為68 ℃，總負(fù)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(fù)銅排彎折結(jié)構(gòu)處溫升改善最明顯，進(jìn)一步表明涂布導(dǎo)熱硅脂方式可顯著降低銅排溫升。

圖4 優(yōu)化后模組匯流排溫度場仿真

2 物理試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)方案及條件

設(shè)備：采用美凱麟MMT2-300-0100設(shè)備進(jìn)行模組充放電測試，電壓量程0～120 V，電流量程±300 A，若實(shí)際電流超出量程，可進(jìn)行充放電通道并聯(lián)。

物料：兩套72 A·h/108 V電池模組；導(dǎo)熱硅脂為電子電器用有機(jī)酮導(dǎo)熱硅脂，導(dǎo)熱系數(shù)3.5 W/(m·K)；導(dǎo)熱硅膠墊厚度2 mm，導(dǎo)熱系數(shù)1.2 W/(m·K)。

試驗(yàn)方案：(1)動力電池模組匯流排上表面均勻涂布導(dǎo)熱硅脂，上表面覆蓋一層2 mm導(dǎo)熱硅膠墊，總正、總負(fù)銅排探出模組區(qū)域，局部涂布2 mm厚導(dǎo)熱硅脂，再包裹一層導(dǎo)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(shè)備連接；(3)監(jiān)控兩個(gè)動力電池模組總負(fù)(銅排彎折結(jié)構(gòu)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450 A/5 s+0 A/3 s循環(huán)峰值加速/減速工況進(jìn)行放電，監(jiān)控匯流排最高溫度達(dá)到80 ℃后停止試驗(yàn)。詳細(xì)物理試驗(yàn)裝置圖見圖5。

圖5 物理試驗(yàn)裝置

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)進(jìn)行到540 s時(shí)，原電池模組總負(fù)銅排觸發(fā)80 ℃最高溫度，試驗(yàn)終止，相關(guān)數(shù)據(jù)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(diǎn)溫升監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)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(zhì)，熱量可較快地被電芯極耳及匯流排本身直接傳導(dǎo)到空氣中，另外該區(qū)域模組試驗(yàn)終止溫度小于30 ℃，與室溫(23±3 ) ℃溫差較小，導(dǎo)熱硅脂及導(dǎo)熱硅膠墊難以起到較為明顯的輔助散熱作用。

表2 模組焊接區(qū)域溫升數(shù)據(jù)

圖6 模組焊接區(qū)域銅排溫升曲線

2.2.2 總正、總負(fù)匯流排溫度分析

總正、總負(fù)銅排溫度監(jiān)控點(diǎn)數(shù)據(jù)見表3、圖7。物理試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：原電池模組總正銅排溫度較總負(fù)銅排偏高一些，與仿真結(jié)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(fù)極偏高[2]，因此導(dǎo)致原電池模組總正銅排溫度也較總負(fù)銅排溫度偏高。但是模組經(jīng)過熱管理優(yōu)化后，總正、總負(fù)銅排溫升相比原電池模組均產(chǎn)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(diǎn)靠近模組本體區(qū)域，模組本體導(dǎo)熱硅脂涂布面積更大，更大程度上促進(jìn)了總正銅排散熱；總負(fù)銅排溫度監(jiān)控點(diǎn)為彎折結(jié)構(gòu)位置，該異形結(jié)構(gòu)區(qū)域一般是銅排溫度最高位置[7]，但該位置局部涂布導(dǎo)熱硅脂后也有8.8 ℃溫升改善，表明涂布導(dǎo)熱硅脂也是銅排異形結(jié)構(gòu)局部散熱的有效手段。

表3 總正、總負(fù)區(qū)域溫升數(shù)據(jù)

圖7 總正、總負(fù)區(qū)域溫升曲線

涂布導(dǎo)熱硅脂及導(dǎo)熱硅膠墊除了可以輔助匯流排直接向空氣傳導(dǎo)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(yàn)終止時(shí)溫度偏高2.3 ℃，詳細(xì)數(shù)據(jù)見圖8；表明導(dǎo)熱硅脂也增大了匯流排集成板與模組機(jī)械組件的接觸面積，部分熱量通過模組機(jī)械組件物理途徑進(jìn)行了熱傳導(dǎo)。

圖8 模組端板區(qū)域溫升曲線

3 結(jié)論

通過流體力學(xué)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(jié)構(gòu)構(gòu)造也會增加溫升；在不改變匯流排結(jié)構(gòu)、工藝條件下，通過涂布導(dǎo)熱硅脂及覆蓋導(dǎo)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(yàn)結(jié)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(dǎo)熱硅脂及覆蓋導(dǎo)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(fù)銅排異形結(jié)構(gòu)區(qū)域，都有明顯溫升改善作用，溫升相對改善達(dá)到8.8～15.8 ℃，且越靠近導(dǎo)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(dǎo)熱硅脂及導(dǎo)熱硅膠墊，除了輔助匯流排直接向空氣傳導(dǎo)熱量，也通過增大匯流排集成板與模組機(jī)械組件的接觸面積，增加了熱傳導(dǎo)途徑。

因此，針對動力電池模組匯流排高功率應(yīng)用場景，除了通過優(yōu)化匯流排物理結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱管理優(yōu)化外，可以通過導(dǎo)熱硅脂/導(dǎo)熱硅膠墊等方式促進(jìn)熱管理優(yōu)化，甚至針對銅排異形結(jié)構(gòu)可以局部涂布導(dǎo)熱硅脂輔助散熱。這樣可以減少設(shè)計(jì)開發(fā)的成本及周期，同時(shí)避免對電池系統(tǒng)能量密度的影響。