【热管理设计】新能源动力电池铜排散热仿真注意点

在新能源电池包铜排的设计中，热管理是一个关键因素，因为电流通过铜排时会产生热量，过高的温升会影响铜排的性能和电池包的整体安全性。以下是关于热管理的详细说明：

1. 散热设计

• 自然散热

  ：铜排可以通过自然对流和辐射散热。设计时可以增加铜排的表面积，例如使用多层结构，提高间隙和布置空间，以提高自然散热效率。  

• 强制散热

  ：在高电流应用中，可能需要使用液冷强制散热。铜排通过设计支架，支架引导到液冷板流道区域进行散热。  

2. 热导率

• 铜的高热导率

  ：铜具有良好的热导率（约为385 W/m·K），可以快速传导热量。这有助于将热量从发热部位迅速传导到散热区域，避免局部过热。  

• 均匀散热

  ：通过优化铜排的形状和布置，使热量均匀分布，减少局部温升。可以使用计算机辅助设计（CAD）和仿真工具进行热分析，优化散热设计。  

3. 热膨胀系数

• 热膨胀匹配

  ：铜的热膨胀系数约为16.5×10^-6 /°C。设计时需要考虑铜排与其他材料（如连接器、电池壳体等）的热膨胀匹配，避免因温度变化导致的应力集中和机械损伤。  

• 固定和支撑

  ：在设计铜排的固定和支撑结构时，要考虑热膨胀可能引起的位移，确保在各种工作温度下铜排仍能保持良好的机械和电气连接。  

4. 绝缘和保护

• 绝缘材料

  ：在高电流应用中，铜排表面温度可能较高，绝缘材料需要具有良好的耐热性能。常用的绝缘材料包括聚酯薄膜、聚四氟乙烯（PTFE）等。  

• 防护涂层

  ：为了防止氧化和腐蚀，铜排可以涂覆一层防护涂层（如镀锡、镀镍）。这些涂层不仅能防止铜排氧化，还能改善其散热性能。  

5. 热管理措施

• 热耦合设计

  ：铜排可以设计为铝合金支架，间接引导到水冷板，利用电池模块或箱体的热容量和散热能力，提高整体散热效果。  

6. 热仿真和测试

• 热仿真分析

  ：在设计阶段，可以使用热仿真软件进行热分析，模拟不同工作条件下的温升情况，优化铜排的热管理设计。  

• 热测试验证

  ：在样机阶段，进行热测试验证，测量铜排在实际工作条件下的温度分布和温升情况，验证设计的有效性并进行必要的改进。  
   

电池铜排散热仿真注意点

模型建立

• 几何模型准确性

  ：要精确地构建铜排的几何模型，包括其形状、尺寸、厚度等。对于带有复杂结构如弯折、穿孔等的铜排，更要确保模型与实际情况相符，以准确模拟散热路径和热交换情况。  

• 材料属性精确性

  ：明确铜排材料的热导率、比热容、密度等热物理属性。这些参数会直接影响热量的传导和存储，不同纯度和成分的铜材料属性可能存在差异，需依据实际选用的材料准确设置。  

• 电池模组与铜排连接建模

  ：电池模组与铜排的连接方式对散热影响很大，如焊接、螺栓连接等，需考虑接触电阻和接触热阻，在模型中合理设置接触参数来反映实际的热传递情况。  

边界条件设定

• 环境温度

  ：根据电池使用的实际环境来设定环境温度，如高温环境下的散热测试可能需要将环境温度设置为 40℃甚至更高，低温环境则可能设置为 - 20℃等。  

• 对流条件

  ：考虑电池包内的空气流动情况，确定对流换热系数。如果是自然对流，需根据周围空气的特性和空间大小等计算自然对流系数；若是强制风冷，要依据风扇的性能参数和风流路径确定强制对流系数。  

• 辐射条件

  ：在某些情况下，辐射散热可能不可忽略，需设定铜排表面的发射率以及周围环境的辐射特性，以准确模拟辐射散热过程。  

热源设置

• 焦耳热计算

  ：根据铜排中通过的电流大小、铜排的电阻来计算焦耳热。要考虑电流的有效值、峰值等因素，以及铜排在不同温度下电阻的变化，可通过实验测量或理论计算获取电阻随温度的变化关系。  

• 电池产热耦合

  ：电池本身是主要热源，需将电池的产热模型与铜排散热模型进行耦合。电池产热与电池的充放电状态、SOC（荷电状态）、倍率等因素有关，要采用合适的电池产热模型，如电化学热模型、热网络模型等，准确计算电池向铜排传递的热量。  

网格划分

• 网格质量

  ：保证网格的质量，避免出现畸形网格，以免导致计算结果不准确甚至计算不收敛。对于铜排的关键部位如连接点、拐角处等，要进行局部网格加密，以提高计算精度。  

• 网格类型选择

  ：根据铜排的几何形状和仿真需求选择合适的网格类型，如四面体网格、六面体网格等。六面体网格在计算精度和稳定性上通常有优势，但对于复杂形状的铜排，可能需要结合四面体网格进行混合划分。  

在电池热管理仿真中，铜牌的发热量和接触电阻是关键因素，以下是具体考虑方法：

1. 铜牌发热量的考虑

铜牌的发热主要来自焦耳热，计算公式为：

其中：

•     Q 为发热量（J）

•     I 为电流（A）

•     R 为电阻（Ω）

•     t 为时间（s）

具体步骤：

1. 确定电流：通过电池工作状态或实测数据获取铜牌电流。

2. 计算电阻：使用公式

    

   
   ，其中      ρ 为电阻率，     L 为长度，     A 为截面积。

3. 计算发热量：代入电流和电阻值计算焦耳热。

2. 接触电阻的考虑

接触电阻受表面粗糙度、接触压力、材料特性等影响，通常通过实验或经验公式估算。

具体步骤：

1. 实验测量：通过实验获取接触电阻值。

2. 经验公式：使用如 Holm 接触电阻公式估算：

    

其中：

•    Rc 为接触电阻（Ω）

•     ρ 为材料电阻率（Ω·m）

•    Ac 为实际接触面积（m²）

1. 仿真设置：在仿真中将接触电阻作为边界条件或材料属性输入。

3. 仿真中的处理

1. 热源设置：将铜牌发热量作为热源输入。

2. 接触电阻设置：将接触电阻作为边界条件或材料属性输入。

3. 耦合分析：进行电-热耦合仿真，分析温度分布和热管理效果。

总结

• 铜牌发热量：通过焦耳热公式计算。

• 接触电阻：通过实验或经验公式估算。

• 仿真处理：将发热量和接触电阻作为输入进行耦合分析。

这些步骤有助于准确模拟电池热管理系统中的铜牌发热和接触电阻效应。