從電池冷卻新模式探索,看電池集成性能需求新標杆

2020-11-30 蓋世汽車網

對於車用鋰離子電池產能快速增長的十年，換言之，也是作為車輛配套零件、大規模應用，摸索中艱難前行的十年。從設計、選型、工藝、生產、測試、實驗、工況場景、性能等等，方方面面的經驗收穫背後，無不蘊藏著失敗和教訓。時至今日，電池集成技術從朦朧認識，到有的放矢，正逐步走向成熟。但是，更高的要求和期待，正等著我們，擺在我們面前：控制更精準、功能更安全、成本更低廉。

所有這些性能需求，都和電池的「溫度」控制，有最直接的關係。所以，從電池冷卻新模式入手分析，看看電池集成有哪些新的需求和新的標杆。

圖1：鋰離子電池溫度性能關係

 從專利技術看電池冷卻要求的不斷提升

1、電池浸入式液冷模式：

最近看到一則數據信息稱：在贛州落戶的臺灣昶洧新能源汽車開發公司的產品，電池系統的控溫能力在2℃，詳細工況、測試方法不詳。但這足以超越了目前Tesla 的5℃（另一種說法是10℃）電池均溫能力。出於好奇，我查看了其在美國申請的電池冷卻專利，看看是否有直接的關聯：

（Patent number: 10059165 

Abstract: A battery pack is provided including: a plurality of battery cells arranged in multiple battery cell rows; one or more heat exchange spaces; and a device for providing heat exchange to the battery pack. Further, the device includes a heat conduction medium passage arranged in the heat exchange spaces, such that the heat conduction medium passage surrounds multiple battery cells each battery cell row. The heat conduction medium passage is provided with at least a first group of channels and a second group of channels, which are in contact with the surface of each battery cell, and a heat conduction medium is provided in the first group of channels and the second of channels. The heat conduction medium flows in the first group of channels in a direction opposite from the flow of the heat conduction medium in the second group of channels.

Type: Grant

Filed: November 10, 2016

Date of Patent: August 28, 2018

Assignee: THUNDER POWER NEW ENERGY VEHICLE DEVELOPMENT COMPANY LIMITED）

（以上信息僅供學習交流，不得轉發和它用 ）

採用這種浸液電池冷卻模式，其實，早在幾年前，國內某廠家已在嘗試和做實驗。從另一個應用場景，變壓器的油浸冷卻也是這個原理。看來，不同領域嫁接技術應用，不失為一個好的方法，把這項技術付諸汽車工程應用，也是一項有價值的創新。當然了，這中間肯定還有很多技術細節需要攻克。再結合前期該公司公布的產品信息，電池選型採用21700圓柱電芯。看來，他們是採用了21700電池結合浸液式冷卻。當然了，更詳細信息，有待後期跟蹤和學習。

2、微陣列熱管技術，熱流密度0.07~0.3W/cm2,控溫＜35℃，均溫＜3℃

 

圖2：電池殼體下底板微陣列熱管應用

 

圖3：各種傳熱模式和換熱能力對比 

圖4：高溫散熱特性

該項技術是中國科學院工程熱物理研究所開發的原創技術，深圳市邁安熱控科技有限公司將該技術進行產業化。目前已在電池系統中有應用案例。

上述兩個案例，都是從物理量，導熱的響應速度、均溫的精準、控溫的能力方面探索和分析的，如果是電池浸液模式，冷卻液有配套對應的產品嗎？

配套企業迅速跟進，促進和加快了新冷卻模式工程化

3M 在浸入式冷卻液的開發和應用案例

Immersion Cooling Application In Battery Thermal Management

 

電池浸入式冷卻液不僅僅讓電池模組具有很好的冷卻性、傳熱性、均溫性，而且還具備很好的安全性。安全性來自兩個方面，一方面是良好的絕緣特性、另一方面，溶液對熱失控產生的高溫、燃燒的抑制、阻隔作用。滿足導熱功能的同時，也擔負起了功能安全的重責。

基於上述兩個案例，看看熱管理技術的發展短板和電池性能新標杆是什麼？

熱管理技術短板：滯後於電池集成需求，「控溫性」、「均溫性」有待提高

從某種意義上說，電池熱管理技術是嚴重滯後於電池集成需求的。在電池集成發展之初，就沒有作為關鍵技術加以重視。記得很早的時候，測過leaf第一代產品常規工況的溫差狀態可達11℃，果不其然，用戶對第一代leaf電池容量衰減的抱怨從來沒有停止過，更甚的是，爆出三年的電池容量衰減已經非常嚴重。Leaf的產品,更傾向於被動空冷模式,也是成本最低的方案。我相信日產設計之初，一定有過這方面的風險評估，只是沒有想到有如此嚴重。

看看我們國內產品冷卻技術發展，一直是跟隨的角色。同樣，沒有引起足夠的認識。從豐田prius的主動風冷、到通用Volt的主動水冷發展的同時，國內產品還一直遵循著EV不需要冷卻或靠殼體散熱的理念。所以說，國內的某些電池產品，三年就出現衰減的「美麗傳說」也就不足為奇了。看來，讓熱管理真正的管理起來，主要來自認知的問題。粗放設計產品的作法已到了淘汰的邊緣。

電池性能需求新標杆： 電池溫度需要精準可控

其實，我們在起草產品技術條件(SOR)的時候，對均溫性（溫差）的一個劃一性、模糊要求：5℃，是不完整的，也是一個非常苛刻的要求。可以理解為，全工況、全SOC、全工作溫度範圍內的上限溫差值。我想Tesla的電池是控溫、均溫能力很強的系統，也很難覆蓋這一個需求。所以說，區段要求，對於不同工況，更合理一些。

在第一版的SOR中，首先確定典型值溫差要求。設計後期可根據實驗工況，再補充更多的點或數值進來。如下圖約束條件，僅供參考： 

SOC（可用範圍）

20%

45%

80%

95%

T   ℃=-10、0、10、25、45





1、充/放最大可持續功率；2、充/放電具體脈衝功率@時長

（上表僅供參考思路，具體數值、條件要根據具體電池或系統確定）

電池性能需求新標杆：控溫的高效性，低耗能

其實，熱管理的降溫和升溫，都是需要消耗能量的。對於動力電池的寶貴的總能量，是不可忽略的負載，所以，低耗能技術，顯得格外重要。

目前採用的電池系統保溫措施，就是最早的一種控溫措施原形。還有儲熱技術應用等等，其結構的複雜性，確實也影響其在車輛上的應用進程。不過，工程技術人員探索的腳步從來都沒有停止過。

總結

前面所述冷卻模式，並不一定能代表冷卻趨勢，只是個例，但是尋求滿足電池性能最大化的目標是正確的。

電池系統隨著整車出廠時，作為關鍵零件和指標，在提到電池質保的時候，表達方式多種多樣：5年、8年、10萬公裡、16萬公裡、20萬公裡等等，有一點各個廠家是有區別的，就是容量衰減的準確數據承諾不同。容量的衰減，很大程度取決於後段的熱管理水平。通過這些年的實踐摸索，熱管理的需求逐漸的清晰起來，毋庸置疑，把它放到關鍵的位置，緊跟電池集成的腳步，做到 「知冷知熱」，就是產品最終目標或標杆。 

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