新能源汽车电池PACK铜排连接理论分析

江阴市银隆新能源科技有限公司

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新能源PACK铜排的理论计算及仿真分析

在新能源电池pack中，我们经常会考虑利用铜排承载正负动力电流的输入或输出，而铜排的设计根本都是围绕着满足PACK的的能量输入及输出的前期下进行的。

在初中物理，我们就学习过欧姆定律，从这点来看，任何的导线在承载电流的时候，必然面临着导体本身的电阻与电流相互影响导致的温度问题，温度可能会很高，几百℃，但是在这样的高温环境中，整个系统的绝缘、耐温等设计都能满足需求吗？能够正常工作吗？答应肯定是不行的，因为系统的所有材料都选用高温材料，那是不现实的，即便设计出来了，也是高成本的，不符合市场的规律。

既然如此，那么我们的铜排的设计，首先要搞定清楚的第一个问题是，整个动力的载流大小。在PACK的充放电的参数中，有两个参数是我们必须考虑的，第一个是持续充放电的最大电流，第二个参数是充放电的峰值电流大小及持续时间。

这个问题显而易见，我们设计肯定是要满足上诉的功能参数进行设计计算的，但是不是满足了这两个参数我们就可以放心大胆的说搞定了，我们还需要进一步思考的是满足这个功能参数下，周围环境是怎么样的，相互之间有没有影响。

接下来，举个简单的例子，为大家进行概念性的介绍。

假设我们的电池包持续充放电的电流最大为200A，峰值电流为600A,15s。根据GB

7251.1表11中的推荐表格，截面积95mm2，额定载流为200-225A，参考这个标准，铜排的截面积需大于95mm2，故铜排设计为40*2.5，即100 mm2。由额定的电流情况选定的铜排规格，我们再去验证峰值电流的情况：

根据GB3906-1991，附录F中公式：S=（I/a）(t/△θ)1/2来确定母线的最小截面。S=I/a*√(t/△θ)=600/13* √（15/180）=13.3 mm2

I是额定短时耐受电流；a是材质系数，铜为 13，铝为8.5；

t是额定短路持续时间；△θ是温升（K）

上述的计算，我们可以得出结论，在额定电流满足的情况下，峰值电流是完全可以满足要求的。

到这一步，应该是可以结尾了，这些理论计算，看上去很充分，但是还是不踏实，因为不知道在实际的温度情况是怎么样？是否是我们想要的结果，不得而知。要想知道，一种是做试验，另外一种便是仿真。下面我们还是进行一个初步的仿真分析。

我们把铜排的规格长宽厚，分别定为250*40*2.5（mm）。

由公式R＝ρL/S ，我们计算铜排的电阻R= 1.75 ×10-8X0.25/（100X10-6）=0.00004375Ω；由额定电流200A，计算损耗功率P=I²R =1.75W。

利用流体仿真软件，我们将额定电流下的功率，输入到仿真软件中，其中流体为静止封闭的25℃的空气，我们得到铜排表面的温度约32.55℃，如下图一；此外周围的空气受到辐射，温度将升高，如下图二。通过铜排本身的温度及周围的辐射温度，我们可以进一

步分析周围器件的影响。假如在铜排附近安装有对温度敏感的器件，这个时候我们就得进一步分析其位置是否合适。

图一、铜排表面的问题

图二、铜排周围的空气温度

通过流体的三维仿真后，再进行一次系统参数仿真，我们得到下面曲线。

图三、铜排表面温度随时间的变化

从变化的曲线，和流体分析进行对比，一个温度是32.55℃，后一个是37.69℃。不同软件间的分析及边界，可能导致温度有一定的误差，这个误差我们是可以不考虑的，因为这个是仿真的结果，这个结果是需要与试验进行相互对比验证的，从而达到理论与实际结合，通过一次试验矫正仿真的模型，达到后续类似的案例的推广，从而降低试验成本及周期，当然其他的经济效益就不多说，不是本文主要的研究方向。

上文讲了额定电流下，铜排的表面的温度变化，还没说峰值电流仿真的事情。上诉峰值电流的边界条件为600A，15S，这个其实不完全，缺少一个间隔时间，这个间隔时间与PACK放电的控制参数有关，我们这里姑且定为1min。得到下面的输入边界曲线。

图四、峰值电流输入曲线

在系统参数仿真里面，我按照这个参数进行设置，得到如下的铜排表面的温度变化曲线。

图五、铜排表面的温度变化曲线

根据峰值电流冲击得到的铜排表面的温度曲线，我们知道表面温度变化的大概趋势，温度平衡的最大温度为59.1℃。这个结果与前面峰值电流计算的截面积看上去差距很大。那是因为边界输入不一致，我们实际上峰值电流是在工况里面出现的，我们更多应该是根据极限工况进行分析设计，满足峰值及额定电流的情况下，更多应该是考虑工况下的累积温度的影响。

关于铜排的设计分析，已经到尾端，该说总结了。貌似又没啥说的，还是简单说一下，铜排的设计关于搭接接触电阻已经被忽略，这个问题还是有点复杂，后续有机会再分享。还有，最重要的就是，PACK里面的温度设计分析是很重要的，长期的高温环境对部分器件及电芯的寿命影响较大，所以设计对温度的分析应该谨慎。