动力电池热管理设计与导热系数测定实践

动力电池热管理设计与导热系数测定实践

文章分类：实验案例

摘要：热管理设计的起点是算准产热，落点是控制温差。本文梳理电芯产热的三类来源与工程化生热模型，对比风冷、液冷、浸没式与相变材料四条散热路线的适用边界，并重点讨论导热系数与接触热阻的测定方法。结合一个典型测试案例的开展流程，说明实测热物性参数如何修正仿真模型、指导散热结构选型。

SEO 标签：热管理技术、导热系数测定、接触热阻、液冷散热、相变材料

一、产热从哪里来：从机理到工程模型

锂离子电池在充放电过程中，电能并非全部以化学能形式可逆存储，一部分会转化为热量。从机理上看，产热可分为三类：与电化学反应熵变相关的反应热（可逆热，充电时可能吸热）、由材料内阻与接触电阻产生的焦耳热（始终放热）、以及由电极反应动力学迟缓引起的极化热（大倍率下更显著）。

工程上更常用的做法，是把上述微观过程统一为可测量参数表达的宏观模型，将欧姆内阻与极化内阻合并为等效内阻，用电流、内阻与熵热系数估算单位时间产热速率。该模型假设电芯内部产热均匀、物性恒定，适合系统级热仿真与散热方案初筛；但在脉冲工况、低温大倍率等动态场景下，需要引入电化学—热耦合模型进行修正。

值得注意的是，模型精度很大程度取决于内阻、导热系数、比热容与接触热阻这几个输入参数。参数测不准，仿真结果就失去参考价值，这也是实测环节不可省略的原因。

二、四条主流散热路线的适用边界

相变材料路线中，纯石蜡类材料的导热能力偏弱，工程上通常添加膨胀石墨、碳纤维或金属泡沫构建高导热网络。公开仿真对比表明，片状结构的膨胀石墨对导热系数提升幅度较大，但会增加熔融态黏度、削弱自然对流；金属泡沫骨架则在高倍率下表现出更好的温度均匀性。这类取舍需要结合实测导热系数与具体工况判断，而非单纯追求参数最高。

[图片：模组液冷板与导热垫装配结构及热流路径测试场景]

三、导热系数与接触热阻：热管理中最容易被低估的两个参数

[图片：电池壳体导热系数与界面接触热阻测定夹持结构示意图]

导热系数反映材料本身传导热量的能力，接触热阻则描述两层固体界面之间因实际接触不完整而产生的附加阻力。在电池模组中，电芯外壳与导热垫、导热垫与冷板之间存在多层界面，接触热阻往往占总热阻的相当比例，若被忽略，仿真算出的温升会明显偏离实测值。

针对电池类样品，常用测定方法各有侧重：

• 两状态法（无损）：适用于方壳、硬壳电池，在不破坏样品的前提下获取壳体导热系数；
• 储热—释放两状态法：可在同一套装置上同时获得导热系数与接触热阻参数；
• 差示绝热追踪法：用于宽温域变温比热容测试，覆盖实际使用温度范围；
• 三维热物性反演：适用于软包电芯等具有各向异性导热特征的层叠结构，可实现原位测量。

四、一个典型测试案例的开展流程

以某类方壳电芯的散热方案评估为例，完整流程通常分为四步。

• 第一步，明确边界条件。确认电芯规格、目标放电倍率、环境温度区间与允许的最大温差，据此确定测试工况矩阵，避免无效测试。
• 第二步，获取热物性参数。采用无损方式测定壳体导热系数，并同步测定导热垫的导热系数与界面接触热阻，为仿真模型提供输入。
• 第三步，产热与温升验证。在绝热环境下开展充放电产热测试，获得不同倍率下的产热速率曲线；随后在带散热结构的模组上进行温升测试，对比仿真与实测的温差分布。
• 第四步，方案迭代。根据偏差来源调整导热垫厚度与压缩量、冷板流道布置或冷却液流量，重复验证直至温差满足设计目标。实验数据表明，仅优化界面接触状态，即可使模组内部最大温差出现可观测的下降。

五、结论与建议

热管理设计不是单一部件的选型问题，而是'产热—传热—散热'链条的系统匹配。建议在方案早期就同步开展热物性参数测定，用实测值代替手册估值；在样件阶段完成产热与温升的双重验证；在批量阶段以抽检方式监控界面材料一致性。热安全团队（thermsafe.cn）在导热系数、接触热阻、比热容与充放电产热等参数测定方面积累了较完整的测试方法，可供相关项目参考。

测试项目

热安全团队（thermsafe.cn）可提供的测试项目包括：

• 锂电池 HWS 热失控测试（ARC）
• 宽温域变温比热容测试（差示绝热追踪法）
• 绝热环境充放电产热测试
• 失控产气测试
• 方壳／硬壳电池导热系数测定（两状态法无损）
• ARC 过充热失控测试
• 导热系数及接触热阻参数测定（储热—释放两状态法）
• GB/T 36276 绝热温升测试
• ARC 针刺热失控

更多项目详情请访问：https://thermsafe.cn/services.html

参考来源

参考自公开技术文献与行业测试资料整理，涉及具体企业名称、内部实验数据与客户信息的内容均已脱敏，数值以泛化表述呈现。