鉅大LARGE | 點擊量：1964次 | 2021年04月21日
詳解動力鋰電池熱管理技術與方法現狀及展望
首先，我們進行第一個是電池為何要進行熱管理？一般來說電池的系統在15度到35度的區間可以實現最佳功率輸出和輸入的，最大的可比能量和最長的循環壽命，這里面15-35并不是一個固定的值，因為之前我在剛接觸的時候，也聽了很多講課，關于這個數據包括這個溫度的一個范圍出現都有不一致的，有0-60，20-40的，之前我還是很迷糊的，后面看了了解了一下，也請教了一些電池方面的專家，他們給我供應了一個因為體系不相同，所以里面的化學反映包括材料對溫度的一個催化的階段不一致的，所以這個區間并不是固定的區間，并不適用于每一個電池。但是基本上可以說在30度左右，基本上都是一個比較合適的，這是電池在不同溫度范圍的一個情況，我們正常來做論文策略的時候，就是根據下面這一張圖來做的，正常15-35上面說的溫度區間是比較適合適宜的工作范圍，一旦在這個范圍之外，也就是綠色和黃色中間斜線中間要進行限功率。
假如是超出了這個外圈基本上不允許整個電池再進行允許了，因為假如在這一個區間，比如溫度比15度低，比如在零度以下，就會影響電池的一個充放電的容量，假如是高溫溫度超過，在這種情況儲存和使用就會影響電芯的循環壽命，在溫度直接影響電芯的性能，假如說我們非得在禁止或者是策略或者控制沒有做好，使得超出了范圍，就會導致熱失控，重要的原因是里面的一些電化學的負反映不斷疊加催化，導致溫度急劇上升包括里面的壓力和溫度，能量的急劇因為我們現在的封裝基本上像圓柱和方殼基本上是金屬的，力比較足的，一旦這股力爆出來是比較恐怖的，為何說軟包的安全性能比較好。
電池包剛才講的單體電芯對溫度的情況，現在做動力鋰電池一般有多個單體電芯串并連組成的，電芯對溫度比較敏感的，假如就內部電芯溫度溫差過大，就會導致電池不受控，影響到PACK的性能，有一句話：電芯的高溫直接決定的壽命，溫度低絕對了性能，對PACK也適用溫度和溫差的影響，就要我們進行一個熱管理，特別是現在隨著能量密度的提升，高鎳體系的運用，高鎳體系大家也了解，鎳的成分越高，負反映門檻越低，散熱的要求更高。
新能源汽車和傳統汽車一直出現一個問題，充電時間比較長，沒有辦法那么便利的使用，所以現在對快充的要求，要求你的充電倍率大，導致發熱量增大，也對散熱有一個更高的要求。
單體電芯大型化，像特斯拉那么多電芯的，對管理系統要求比較大，而且也沒有辦法監控這么多個，現在慢慢對單體電芯容量要求，數量增大便于管理，就會導致體表面積減少，相同體積放的電芯，大的電芯只要一個空間，散熱面有限的，假如數量多散熱面可以增多，這樣會出現電芯內部的一個局部高溫，關于現在電芯是疊片，假如厚度越大，電芯中心點到電芯外殼表面，這段路程越大，溫差就會越大，因為電芯通過一層隔膜一層負極疊出來的，經過整個導熱路徑，導熱路徑有金屬還有一些其他的一些化學材料，導熱系數是不相同的。這也是我們說做電池的一個情況下，性能一個整體的導熱系數和縱向和橫向豎直方向不一致。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
熱管理重要的目標是，使電芯控制在適宜的溫度范圍，控制PACK里面的溫差，現在正常了解到的應該是控制在5度以下，另外熱失控的處理，出來都是高溫和高壓的情形，怎么把這些高溫高壓的氣體排掉，不要讓它影響到其他的電芯，這也應該是熱管理的一個任務。
目前，熱管理的手段，其實熱管理就是對熱量的一個處理，對熱量處理要么散熱要么加熱要么保溫，排氣設計重要是針關于熱失控時候的一個高壓氣流的分流或者是一個限壓。
因為整個新能源我了解到國標要防止有毒氣體進入乘客艙，怎么設計防爆閥，怎么把有毒氣體導入到外面。熱管理要了解，既然是對熱處理，那么熱怎么來的，一部分是電芯的產熱，按照它的出現原因的不同，分幾方面，一個是電化學反映熱這是可逆的，還有電化學副反映熱，這個情況比較少，還有焦耳熱，是存在的，另外是極化熱由于熔度出現的一個熱，通常情況下，我們在電芯的規格的使用的標準情況下這是主導的，假如熱失控的過程當中，主導的是電化學的副反應，為何把電芯的溫度控制在一個，上限的高溫，這個高溫其實不應該是由熱提出，應該是電芯這方面提出，因為做電芯電化學的過程當中，到某一個程度這里面的材質會發生什么變化，我變化到底是吸熱還是放熱造成什么熱量的變化，導致下一個階段的發生，這是電芯更加有話語權。
焦耳熱是大倍率，為何做電芯做不同的倍率，發熱量不是我們想象一致的上升。另外是電氣產熱，基本上是匯流排方面，其他的電子元器件，一般都有高壓和這一方面，假如集成在里面，要看布置的是什么電子元器件，可能導致你出現整個PACK包有局部的高溫。
這一個要考慮的是仿真過程當中，因為剛接觸這方面的時候，我通過電芯的發熱量做一個仿真的，到之處我的仿真結果跟實際的測試結果有差異，后面請教了相關經驗比較足的人他們跟我解釋，可能缺失了電氣產量方面沒有考慮進去。
所以，整個熱管理做的一些工作是剛才說的解決任務，要什么知識？這些知識我個人認為，既然是熱管理工程師，工程師是一個比較泛的，可能要接觸很多東西，不僅是你專業還有相鄰專業的，最核心的一點，產熱學肯定要的，熱跟流體力學也是要的，隨著計算機的發展，包括開發周期的縮短，熱仿真計算流體力學也要，這幾個是基本的，在這個基礎上給我們做的是電芯，電芯不是一個物理的東西，是電換學方面的知識。
第二部分是冷卻和加熱的技術，冷卻這些大家網上都可以搜到，其實都是很簡單的東西，常見的按照結構分自然冷卻，對動力鋰電池包自然冷卻這個概念可能不對，還有一個風冷、直冷、液冷等，比較常見的是風冷、液冷、直冷，用冷媒換熱氣跟電芯直接接觸的。
自然冷卻其實叫被動冷卻比較合適，既然是風冷都是低溫空氣為介質的，這么說的意思是不另外施加輔助動力進行冷卻，僅利用車速形成的風對電池形成冷卻，我沒有做過自然風冷的測試，這是我的理解，重要是把熱量導到其他的一個組件上，還有外殼的散熱，假如電池包下面封裝，相當于電池的熱量導到外殼，封裝完的風沒有經過電池包外殼叫自然冷卻了，就靠單純的空氣導熱了，這種情況下，存熱系數基本很低，正常的對流系數5-25V之間，這個時候散熱量很少，熱量只能靠其他組件的吸收。
特點是結構簡單，控制簡單，按我的想法是布個點，成本也是比較低的，很好做密封。
缺點是不受控，溫度一上來不干就不干，散熱量比較少，這個設計點這種方法設計點，我認為一個是我電芯要把熱量散到外面，散到其他的組件，導熱路徑怎么打通。
假如我說這個包的外殼跟氣體的接觸怎么進行形貌設計，怎么使得在使用的過程當中熱量散的更快，這邊漏了一點，有一個重要的一點，我的電芯發熱量不能太高，一旦發熱量太高很難處理這個問題。
另外風冷又叫主動風冷或者強制冷卻，是利用風機配合一個汽車自帶的蒸發器，我們正常的汽車，汽車空調蒸發器就是將乘客艙的空氣降下來，這邊把乘客艙就像這邊把乘客艙的一個低溫氣體引到包里面，這種情況肯定是沒有辦法做我們要求的密封等級了，而且因為跟外界的空氣也是直接接觸，很難控制進來的一些粉塵或者是一些對電池元器件有污染的東西。
而且強制風冷對流產熱系數在幾十，冷卻效果也不是很好。這種來說相比較較簡單，我只要設定固定的管路加一個風機，可能加一個也可能加幾個只要把氣體導進來再排掉就可以了，成本比較低，好處是溫度可以控制，因為是乘客艙的一個氣體。
在風冷的設計過程當中，設計的組件其實不多，就是一個風機一個風道，風機基本上就是一個關鍵點，還有風道的設計，因為電池包里面電池很多，怎么把這些電池的溫度控制在允許的范圍內。
風機的選型，第一個肯定要了解我要多大的一個風量，以前可能用最原始的相關經驗公司算風道的壓架多少，現在把模型做出來，調進口的邊界，不同對應的不同的壓架，直接把它往這里面做。仿真是拿到了一個系統壓損的曲線配合拿到的風機性能曲線，風機通常都是低壓電，一個進壓跟風量其實還是比較不好選的。前面漏了一點，正常我們用的過程當中，風機的類型重要是貫流和離心，基本上沒有見過在這方面用了，基本上用的要么是濁流。因為空氣比熱溶少，假如整個的風，控制的一個路程比較長，前后的溫差會拉很大，前面說過溫差對一個包來說很重要，所以要怎么做一個均流，怎么讓每個電芯引流過的風量差不多，甚至怎么縮短一個空氣的一個前進的路程長度。
另外液冷，就是我們現在用的比較多的，按照它的結構可以分幾種，一個是低溫散熱器冷卻系統，一個是直接冷卻系統，還有混合液冷。
第一種，電池里面的冷卻水，是直接跟環境里面進行散熱的。
第二種，用的比較多的是直接冷卻水冷卻系統，因為這個相當于我電池的熱量傳到電池的冷卻水里，通過冷卻水把熱量傳到冷媒里，再通過冷媒把熱量傳遞到空氣當中。
第三，結合前面兩者的優點。
第一低溫散熱器在高溫情況下不好做，外界環境溫度高的情況下，冷卻水的溫度不受控。
第二，直接冷卻水因為可以通過冷媒系統，可以保證冷卻水，比如環境35度，冷卻水15度，環境45度還可以做到冷卻水15度的。這個相當于更好做系統的管理。
混合在外面溫度比較低的情況下，用第一個低溫散熱器的散熱系統，不進入冷媒系統的交叉，這個是綜合了一個環境適應性有一個能耗方面，成本很明顯比前面兩者高。
第一種，成本比較低，只要一個泵其他的不要考慮了。
第二種，要電池的冷卻器。在水冷過程當中可以涉及到一些東西，一個是水泵還有換熱板，一個泵的選型比較好做，最重要的電池包里面的冷卻器。這個跟電芯接觸而且怎么控制均流也跟風能遇到相同的問題，怎么做電芯通過水的流量，或者說我跟流量跟發熱量的關系，怎么做這是比較麻煩的一件事。因為可以做很多，我動量越大均流越小，因為我的水泵涉及能量的問題。所以怎么綜合評估這個問題，我覺得還是只能靠仿真跑，先把方法提出來，先把大概的思路做出來，感覺怎么樣再做。
另外一個下面冷卻，我沒有接觸過動力鋰電池，我原來做空調之前工作做空調的，后面算半轉行到這一方面，對這方面很感興趣。
直冷系統剛才說的，直接冷媒冷卻電池的，整個系統就包含壓縮機還有冷媒器還有一個電磁膨脹法。這個特點跟液冷相比，至少省掉了水冷系統的一個組件包括一個能耗損失，相對來說結構比較緊湊，重量比較輕，這個數據之前有人做過，效率也比較高，水泵能耗比較低，因為冷媒做的一個壓力還是比較大的，而且我們沒有辦法做到像原來汽車空調做的這么厚，我的一個高壓的沖刷對管路的損耗元器件的損耗比較麻煩。
另外，因為我們做的是一個相變，很難控制一個冷媒的狀態，可以形成一些氣液或者是完全液態的，甚至是過冷度，比如像水相同，已經比零度還低，所以我把溫度升到零度才有相變的過程，這個我們會涉及到什么東西，一個是我們了解過冷度過高，冷媒先經過的電池，相當于用顯熱過熱，這種情況下吸收的熱量是比較多的，而且熱量比較低，對整個包的溫差比較難控制，假如過冷度不好造成流到管路后面進行線路的交換還會造成一個溫差。
另外，加熱比較難，因為本來我一直覺得把這個顛倒一下，把蒸化器變成冷媒器，因為兩者的交換熱量不相同，對換熱器的面積不相同，假如我適合一個蒸發器走的一個面積，可能冷媒器不行所以比較難。
設計關鍵點是涉及到的組件，一個是壓縮機還有膨脹管還有管路設計，跟低溫設計都相同，怎么分配流量包括怎么控制，因為是一個相變的，壓力不好控，流量可能不好說了。
根據電池包蒸發器和整車蒸發器重要是獨立、并聯和串聯，獨立的系統和汽車空調的系統不但成本高，能耗相比較較大，前提是你是制冷量超過的情況下，因為不僅要多一個壓縮機還要多一個冷凝劑。
另外是串聯，也有一個問題，汽車空調基本上溫度比較低，應該跟家用空調在10度左右，這種情況下出來的氣體經過冷板可能造成一個后面的一個冷量的需求不相同。
并聯通過同一個壓縮機，車載出來冷媒的狀態，跟電池出來的狀態一致的。這一個也是比較難控制的。
另外，設計的一個選型，因為時間關系不每個講了，壓縮機在這里面會涉及到一個潤滑油的問題，通常情況下，你的管壁越小，回油能力帶回來的油越好，造成壓損的新增。
加熱和保溫技術，其實我真的沒有發現有什么新的技術，基本上就加熱膜、PTC、水加熱，水暖加熱器、加熱鋁板。
保溫方法：有一些材料隔絕，用低導熱技術材料，另外通過空氣，現在材料像氣凝膠導致系數和空氣差別不大，電芯結構方面的問題。
國內外的現狀，現在液冷是主流，除了日本，我想不明白，他們為何對風冷這么情有獨鐘，還有歐洲一些會對直冷有一個需求，現在很多西方做高電壓平臺，一旦做上去相當于對電流快充的一個倍率需求比較低，是不是做風冷和自然風冷。
這是中銀證券對國內外主流新能源車型的梳理，確實是液冷比較多，像國內10款車6款是液冷的，國外是6款只有兩款是風冷的，其他的也是液冷的，有一個時間差，在做設計整車出來，上車和現在做的方法可能是有一個時間有一些還是做風冷的。
熱管理的市場現在他們有的叫做藍海他們有一個預測，熱管理這個市場規模還是增大，無論是國內還是國外。供應商像在整個汽車熱管理行業四巨頭，包含55%。在新能源汽車的熱管理細分領域重要有三類公司，一個是傳統熱管理車國際巨頭還有國內的一些熱管理的一些龍頭公司，還有一些新興的公司，比較早接觸到的。
日產的Leaf其實這邊有很多論文講了，我不細講了，我一直想不明白，這方面我看過拆解視頻，按照我的想法應該把導熱打通的，模組之間的接觸是沒有做界邊的處理的，底下的金屬兩個螺栓擰緊，下面有一個一體的模組的托盤可以有一個導熱，電芯里面拆開的時候，我只看到上下兩個端面，導熱硅膠還有硅膠電，中間怎么導熱的有點不是很清楚。我看到應該是通過鋁箔和鋁箔進行接觸導熱的，這個導熱硅膠墊，包括金屬外殼有一個內凹的設計，重要是針關于會鼓包的設計。
這個電芯做的比較薄做了8毫米，軟包有三個方向的導入技術，像垂直的方向一個導熱系數很低的，因為之前說過不同的正負極。
還有雪佛蘭Bolt，小板的管路設計，我上網搜了一下，有點像直冷的系統，一個模組要經過一個高溫和一個低溫，這樣是溫度的一致性。
比較好奇特斯拉的一個管理策略的問題，我找不到相關的材料，之前孫總講了，就不講了。
還有捷豹也是，你們有沒有發現這兩份都是他們供應的材料，不重復了，他們掌握的信息資料比較多。
寶馬i3的直冷，低溫高溫兩個一平均對溫度的均熱。i3下面有一個人字型的橡膠讓他跟電池維持一個緊密的接觸。
最后熱管理技術的展望，相變材料的應用現在比較常用的，包括國外也有做相變材料，他們用的是石墨和蠟，這方面用的領域一個是48這種電池，因為倍率高發熱量大，沒有辦法做很大的散熱也沒有辦法做一套冷卻系統，相變材料到了一個相變點，將熱量吸收。
另外，外相變材料作為一個圓柱的熱失控還是有好處的，因為我不了解熱失控重要是熱量假如我把熱量截止了，在開始覺得把熱量消耗，但是沒有辦法影響其他的，要么兩種，一種隔了風險讓你自己承受，另外均冷，這個熱失控，吸收熱量傳遞到其他的相變材料，整體來說還是把溫度維持住。另外一個半導體制冷，用在車載的冰箱，這方面在動力鋰電池我也不了解怎么用，有人在做研究。
