2023全球纯电车销量近1000万！详解动力/储能电池液冷系统设计

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导读：根据市场调查机构Counterpoint Research最新发布的报告显示，2023年第三季度全球乘用纯电汽车销量同比增长了29%，其中比亚迪的纯电车销量追平特斯拉，在全球纯电车市场占比达到17%，并有望于今年第四季度超过，成为全球第一[1]。报告还预计，今年全球纯电动汽车销量将达到近1000万辆。这一预测显示，电动汽车市场的增长速度正在加快，预计未来几年这一趋势将继续保持。

据报道比亚迪为汉EV刀片电池适配的水冷板控制模组采用单体结构，直接承载来自BC28系列电动压缩机输出的“冷量”，与刀片电池通过低导电率冷却液输出的“热量”进行转换，已达到在不同工况主动对刀片电池进行高温散热至预设不同温度的技术设定。采用轻量化的ABS工程塑料材质并用塑料护板进行扰流，以优化冷却效果。本文笔者向大家介绍新能源汽车动力电池液冷系统设计详解工程经验，强烈推荐大家关注笔者原创的仿真秀视频课程《新能源汽车电池/储能热管理结构设计进阶到高阶课程——十大专题50个技术点掌握热结构建模核心能力》，冀以抛砖引玉，详情见后文。

一、写在文前

动力电池是一个系统工程，电芯质量、成组技术、管理技术、温控技术、生产工艺等等都是影响电池稳定性和寿命的重要因素。尤其是热管理技术，对用车体验有着非常大的影响。其中液冷散热是目前电动汽车锂电池组主流的散热方法,可保证电池在适宜的温度范围内安全工作。

新能源汽车电池/储能热管理结构设计进阶到高阶课程讲义

咱们以一个液冷箱体一体化为案例进行液冷系统设计讲解，从设计开发初期一步一步来做咱们的液冷系统热结构设计，突出讲解液冷板的作图步骤和整体思维，详细的绘图内容和注意事项等可在课程中进一步学习。

系统爆炸图（液冷箱体一体化）

从上面的液冷箱体一体化PACK系统爆炸图，我们从中可以看到，PACK系统的大致框架和整体布局，图中，我将热管理液冷系统的关键零部件进行了标注，分别为加热膜、导热胶、液冷管、液冷板和支撑泡棉，他们各司其职，相互作用，给动力电池提供完整又良好的热性能需求。

新能源汽车电池/储能热管理结构设计进阶到高阶课程讲义

二、液冷系统热结构设计验证步骤

接下来咱们就探讨一下，热管理液冷系统需要哪些参数输入，根据输入又该如何进行设计和验证，以达到最终交付，这里，我们通过详细的步骤进行分析和案例解答。

第一步：确定热管理结构形式

一个项目立项之初，系统工程师需要拉动结构、热管理、电气等部门相关工程师，针对客户提供的外包络和技术协议，如客户提供的整车底盘安装电池包的相对位置数模及PACK外形包络和容量需求等SOR，系统工程师就需要考虑电芯选型、成组方式、容量匹配、X、Y、Z向各空间的尺寸合理性等等，综合多项指标并作出初步的空间布置，进一步确定整体的结构组成，如案例所示，该项目因Z向空间受限，及降本等综合因素考虑，采用液冷箱体一体化的系统集成布置形式；

第二步：初步可行性方案

初步定义完系统结构，就该项目针对咱热管理结构设计，我们该如何进行热管理液冷系统设计呢，首先，客户技术协议需要我们热管理工程师综合评估，必要时可拉评审会进行关键技术参数、难点等定点攻关，如：液冷进水流速、进水水温、保温要求、系统温差要求、最高温度定义、最大充放电倍率要求、不同工况需求、销售区域、热管理零部件要求等，咱们进行充分的评估后，根据客户的需求，进行初步的材质选型，再配合系统工程师，综合尺寸公差、工艺水平等将我们的各零部件Z向等空间需求反馈至系统集成，这里包括如导热胶预留间隙、冲压液冷板厚度、支撑泡棉压缩后的厚度等，供系统集成做整体PACK的尺寸链校核。

第三步：确定液冷板外轮廓

拿到系统集成兄弟部门给的初步箱体结构数模设计输入，根据箱体框架的设计，勾勒出液冷板的外轮廓，并与箱体做关键特性匹配，（如FDS位置、密封圈位置、螺栓固定位置、配合间隙等），接着根据客户整车的进出水口位置及规格需求（客户端管路规格），并结合电气（BMS、BDU等）、结构等位置定义出进出水口在箱体的相对位置及对应的管路走向（需要考虑固定）。

箱体框架

液冷板外轮廓确定

液冷板出水口的位置

第四步：液冷板流道绘制

根据已确定的液冷板外轮廓、模组排布、电芯方向等确定我们的流道主回路设计、流量分配、各区域内的流道形式等、同时需兼顾液冷板的静压强度、平面度要求、压降要求、强度要求等，确定好我们的流道宽度、高度、变薄率、流道拉伸圆弧R角、加强筋位置、绕流点位置、安装孔避让、透气孔位置以及工艺孔、与箱体的等电位设计等等，课程里会对详细的参数设计做进一步的讲解。

液冷板设计要点（素材非本案例）

液冷板流道走向

第五步：仿真验证流量均匀性、液冷系统压降是否满足设计指标

利用三维仿真软件，对设计的液冷系统做流场仿真，校核各模组及电芯的流量均匀性以及系统的压降是否满足设计指标，对不合理区域做局部优化处理，并反复仿真验证，最终确定流道设计。

设备打胶机打胶

第六步：界面材料设计

液冷板绘制完成后，需要对液冷板和电芯间的导热界面做进一步设计，不管是材质、导热系数、面积、厚度、工艺轨迹（导热胶）等需要做全方位的尺寸链和工艺验证以确保压合完能起到有效的传热（可视工况恶劣程度做不同换热面积设计）。

第七步：支撑材料及保温材料设计

根据液冷板和底护板间隙，设计合理的支撑材料、选型、宽度、厚度、压缩量、压缩力、排布位置等，这里支撑材料的设计好坏决定了整个液冷板能否得到有效的支撑，支撑材质的老化性能等决定了整个系统的使用寿命。

保温材料的设计据客户指标的要求再做进一步设计，保温设计是加法设计，视具体的使用工况和热性能参数而定，需要咱热结构工程师对电芯的整个传热路径做剖析，并结合仿真软件针对性的进行保温隔热设计，具体的内容在课程里会详细介绍。

咱们做好了以上液冷各零部件的详细设计，做了对应的尺寸链和压缩力校核等，也与电气、结构、系统等各职能部门做了对手件校核，确保了热管理的基础功能都得到了保障，以上可以称得上是初步的可行性设计方案，还需要根据客户的工况等需求对咱热管理设计进行验证，我们可以通过STAR-CCM+等三维仿真软件，进行工况模拟分析，确定各热性能指标均满足需求或有应对措施等，并综合多项因素（重量、成本、制造可行性）在评审会上得到方案通过决议后，咱就可以说完成了热管理液冷系统方案设计，当然还需要经过试验等考验，来进一步确任方案的可实施性并完成交付。

三、电池热管理结构设计十大专题

以上是我们针对某一案例做的液冷系统热结构设计讲解，PACK热管理性能的优异表现离不开一个好的热结构设计，当然也需要我们与各职能部门间的协同合作，共同完成优良的动力电池系统设计，对提升公司的硬实力具有重要意义。以下是笔者工作过程中总结热管理结构建模设计的核心能力视频课程《新能源汽车电池热管理结构设计进阶到高级42讲》

该课程主要从动力电池热管理以及储能热管理分析10个章节，共计42讲，来系统得阐述热结构工程师所需要具备的能力及分析处理办法，使学员能够从多角度轻松应对职场挑战。

第一章：从动力电池的应用场景角度。分析电池系统热管理的重要性，要求及热管理开发思维导图分析，详细的讲述了动力电池领域热结构设计占据的重要地位及人才重视程度等。

第二章：讲述的是热结构设计在APQP五阶段中每个阶段要做的事情。从项目筹划到售后问题处理，作为热管理工程师需要做的每个工作细节，进行一一讲解，手把手教你如何快速熟悉工作内容，如何处理问题等。

第三章：带大家了解热管理零部件主要有哪些，做什么用的，以及它是如何做出来的。从热管理的技术分类（风冷、自然冷却、液冷、直冷、浸没式冷却）出发，以及各技术典型车型代表等来讲述各热管理技术种类的应用场景和优劣；然后讲述各热管理主要零部件如加热膜、PTC、不同冷板对比、冲压液冷板、吹胀液冷板、液冷管路等加工工艺、关键特性分析以及项目中如何选型，做一个系统的讲解，以上这些是热管理工程师应具备的基础储备

第四章：这是整个课程的核心点。讲述动力电池热结构设计的方法和能力，几乎涵盖了动力电池热结构设计中的方方面面。

首先从理论入手，探讨电池冷却中的传热分析，并应用理论基础进行电池传热模型中的最高温度分析，以及如何控制最高温度、温差等。接着，我们讲解自然冷却项目的设计要点，从参数输入、功率计算、材料选用、温度均匀性设计、DMU校核等等角度进行专业讲解，以应对当下上班一族代步车的热结构设计，比如五菱宏光mini、长安奔奔、奇瑞小蚂蚁等等；圆柱项目设计，包括自然冷却和液冷两种，诸如特斯拉4680电芯液冷设计等，我们在这里能学到热结构圆柱项目设计中的关注点、要点和注意事项等等；
液冷项目设计是当前主流设计，热结构设计方面涵盖的面就比较广了，因为设计到的热管理零部件也比较多，我们从整个液冷设计规范入手，讲述流量均匀行设计、有效换热面设计、流阻、密封、液冷不知形式和选型、管路空间布置、液冷接头选型、进出口总成设计要点、支撑材料、导热界面材料选型、以及尺寸链校核等方面进行详细分析和讲解。
直冷项目设计的话，课程从市场应用情况、成熟度、台架方案、与液冷设计区别点做对标分析等方面来进行逐一讲解；当然了，作为热结构工程师，掌握基础的液冷板、液冷管路等绘制方法,会对你了解工艺、快速优化设计、跨部门合作、与供应商交流等都会有很大的帮助。液冷板，我会从钣金画法和实体画法两种方式进行详细的教学，管路的话，我不仅会教大家如何绘制，还会教大家如何让自己画出来的管路可以顺利加工出来，这其中就涉及到很多管路的设计要点和经验；
流道设计要点呢，主要讲的是冲压流道设计，因为冲压流道兼具复杂性和多样性，在掌握板厚、深度、斜度、宽度、焊接面积、扰流、留白等设计要点后，可满足液冷板的各种不同功能性设计。间隙校核和固定方式选择是热结构设计中很重要的一环，它关系到你的对手件能否与你合理布置，从而实现友好生产、减少因需要返工而带来的不必要麻烦；保温系统设计在热管理里面是一种加法设计，如何实现精益最大化是一直需要追求的设计理念，课程里面从多个创新的角度进行剖析，根据不同的应用场景进行针对性的设计。
热失控系统设计与分析方法，这里会从产生和诱发因素等多个方面来讲解热失控系统设计的注意事项，涉及电芯材料到制成，到成组到使用的各个环节进行分析，正面讲解引发热失控的综合因素，针对性的进行热失控设计，并通过案例展示进行拆分讲解。课程中还有多种热管理方案的详细设计及汇报模板展示和汇报技巧，让你能轻松的应对热结构设计设计阶段如何向领导及其他同事展示你的综合能力。有能力，又会汇报，又会展示自己，这会使你更好的在职场中脱颖而出。

第五章：尺寸链应用。尺寸链是机械设计中很重要的使用工具，我们热结构设计也会用的到，课程从尺寸链介绍和尺寸链在热结构设计中多种应用来向大家讲解，合理的使用尺寸链这个工具，能大大的减少设计偏差以及试制风险，尺寸链设计不当容易导致热性能无法发挥出该有的功能，甚至导致严重的安全事故，掌握尺寸链在热结构设计中的应用还是非要有必要的。设计做完了，还并不是闭环，我们还要对设计的东西进行系统的验证，零部件的验证等.

第六章：就是讲解如何做这部分工作。热结构工作当然要对自己的零部件负责，它们就像是你的孩子一样，你要保证他们在系统整个生命周期内都在正常运行，所以怎么做呢，课程里会详细的针对每个零部件的特性进行规范化、流程化的进行专项功能、可靠性等验证和认可并进行归档，这就是设计开发阶段中的OTS认可，我们要掌握OTS认可需要做哪些，如何做，责任划分等等，课程中也会对热管理的所有重要零部件如加热膜、PTC、液冷板、界面材料、隔热保温材料、支撑材料等进行一一讲解。

第七章：经验教训总结是汇聚了百来个项目。在项目开发过程中亦或者在车辆市场问题中反馈的潜在设计问题，轻则热性能表现不够良好，重则引发了热失控等问题，该章节就是经过这些教训，我们从中吸取经验，做成典型案例分析，用于指导新学员在项目开发过程中进行规避。

第八章：供应商管理。说到供应商管理，很多学员可能会有疑惑，这不应该是SQE的工作吗，需要研发做什么，如果这样理解的话，多少有点片面，不管是项目开发做样件还是到批量生产，供应商都离不开和技术的交流和探讨，相应的，我们作为甲方，还需要对供应进行审核、评估以及提出整改意见等，不管是新的供应商的导入还是已存在公司体系内的供应商的继续合作，都需要热结构工程师的参与，而且是特别重要的存在，甚至你能够决定该供应商是否有合作能力，所以，我们需要对供应商进行规范化的管理，从各个角度进行分析和评判，给出自己的关键意见。

所以课程的最后一章，我们一起了解一下储能的热管理分析和工作内容。