新闻资讯

通过科学和创新,我们帮助各行各业的客户满足当今和未来社会发展的需求。

动力电池热管理技术与方案现状及展望

   次浏览   连线新能源   2019-11-18

316日,中国新能源汽车动力电池系统(PACK)先进集成技术论坛在深圳中南海滨大酒店举行,吸引了来自各领域数百位专业技术人员参与,来自动力电池、PACK企业及相关产业链的技术专家为为大家分享了宝贵的技术经验。


新恒业技术专家为大家分享了动力电池热管理技术与方案现状及展望,首先为大家分享了风冷、水冷和直冷等几种目前比较常见的散热方式的优缺点,最后为大家分享了热管理系统的设计要点。


以下为速记内容:


 简单聊一下热管理的背景,第二部分是一些常用的一个热管理的方式。

    第三,分享一下热管理现在国内外的现状。

    第四,简单聊一下包括以前比较典型的热管理的案例。

    第五,聊一聊热管理技术的一个发展。


    首先,我们进行第一个是电池为什么要进行热管理?一般来说电池的系统在15度到35度的区间可以实现最佳功率输出和输入的,最大的可比能量和最长的循环寿命,这里面15-35并不是一个固定的值,因为之前我在刚接触的时候,也听了很多讲课,对于这个数据包括这个温度的一个范围出现都有不一致的,有0-6020-40的,之前我还是很迷糊的,后面看了了解了一下,也请教了一些电池方面的专家,他们给我提供了一个因为体系不一样,所以里面的化学反映包括材料对温度的一个催化的阶段不一致的,所以这个区间并不是固定的区间,并不适用于每一个电池。但是基本上可以说在30度左右,基本上都是一个比较合适的,这是电池在不同温度范围的一个情况,我们正常来做论文策略的时候,就是根据下面这一张图来做的,正常15-35上面说的温度区间是比较适合适宜的工作范围,一旦在这个范围之外,也就是绿色和黄色中间斜线中间要进行限功率。


    如果是超出了这个外圈基本上不允许整个电池再进行允许了,因为如果在这一个区间,比如温度比15度低,比如在零度以下,就会影响电池的一个充放电的容量,如果是高温温度超过,在这种情况储存和使用就会影响电芯的循环寿命,在温度直接影响电芯的性能,如果说我们非得在禁止或者是策略或者控制没有做好,使得超出了范围,就会导致热失控,主要的原因是里面的一些电化学的负反映不断叠加催化,导致温度急剧上升包括里面的压力和温度,能量的急剧因为我们现在的封装基本上像圆柱和方壳基本上是金属的,力比较足的,一旦这股力爆出来是比较恐怖的,为什么说软包的安全性能比较好。


    电池包刚才讲的单体电芯对温度的情况,现在做动力电池一般有多个单体电芯串并连组成的,电芯对温度比较敏感的,如果就内部电芯温度温差过大,就会导致电池不受控,影响到PACK的性能,有一句话:电芯的高温直接决定的寿命,温度低绝对了性能,对PACK也适用温度和温差的影响,就需要我们进行一个热管理,特别是现在随着能量密度的提升,高镍体系的运用,高镍体系大家也知道,镍的成分越高,负反映门槛越低,散热的要求更高。


    新能源汽车和传统汽车一直出现一个问题,充电时间比较长,没有办法那么便利的使用,所以现在对快充的要求,要求你的充电倍率大,导致发热量增大,也对散热有一个更高的要求。


    单体电芯大型化,像特斯拉那么多电芯的,对管理系统要求比较大,而且也没有办法监控这么多个,现在慢慢对单体电芯容量要求,数量增大便于管理,就会导致体表面积减少,相同体积放的电芯,大的电芯只要一个空间,散热面有限的,如果数量多散热面可以增多,这样会出现电芯内部的一个局部高温,对于现在电芯是叠片,如果厚度越大,电芯中心点到电芯外壳表面,这段路程越大,温差就会越大,因为电芯通过一层隔膜一层负极叠出来的,经过整个导热路径,导热路径有金属还有一些其他的一些化学材料,导热系数是不一样的。这也是我们说做电池的一个情况下,性能一个整体的导热系数和纵向和横向竖直方向不一致。


    热管理主要的目标是,使电芯控制在适宜的温度范围,控制PACK里面的温差,现在正常了解到的应该是控制在5度以下,另外热失控的处理,出来都是高温和高压的情形,怎么把这些高温高压的气体排掉,不要让它影响到其他的电芯,这也应该是热管理的一个任务。


    目前,热管理的手段,其实热管理就是对热量的一个处理,对热量处理要么散热要么加热要么保温,排气设计主要是针对于热失控时候的一个高压气流的分流或者是一个限压。


    因为整个新能源我了解到国标要防止有毒气体进入乘客舱,怎么设计防爆阀,怎么把有毒气体导入到外面。热管理要知道,既然是对热处理,那么热怎么来的,一部分是电芯的产热,按照它的产生原因的不同,分几方面,一个是电化学反映热这是可逆的,还有电化学副反映热,这个情况比较少,还有焦耳热,是存在的,另外是极化热由于熔度产生的一个热,通常情况下,我们在电芯的规格的使用的标准情况下这是主导的,如果热失控的过程当中,主导的是电化学的副反应,为什么把电芯的温度控制在一个,上限的高温,这个高温其实不应该是由热提出,应该是电芯这方面提出,因为做电芯电化学的过程当中,到某一个程度这里面的材质会发生什么变化,我变化到底是吸热还是放热造成什么热量的变化,导致下一个阶段的发生,这是电芯更有话语权。


    焦耳热是大倍率,为什么做电芯做不同的倍率,发热量不是我们想象一致的上升。另外是电气产热,基本上是汇流排方面,其他的电子元器件,一般都有高压和这一方面,如果集成在里面,要看布置的是什么电子元器件,可能导致你产生整个PACK包有局部的高温。


    这一个要考虑的是仿真过程当中,因为刚接触这方面的时候,我通过电芯的发热量做一个仿真的,到之处我的仿真结果跟实际的测试结果有差异,后面请教了经验比较足的人他们跟我解释,可能缺失了电气产能方面没有考虑进去。


    所以,整个热管理做的一些工作是刚才说的解决任务,需要什么知识?这些知识我个人认为,既然是热管理工程师,工程师是一个比较泛的,可能要接触很多东西,不仅是你专业还有相邻专业的,最核心的一点,产热学肯定要的,热跟流体力学也是需要的,随着计算机的发展,包括开发周期的缩短,热仿真计算流体力学也需要,这几个是基本的,在这个基础上给我们做的是电芯,电芯不是一个物理的东西,是电换学方面的知识。


    第二部分是冷却和加热的技术,冷却这些大家网上都可以搜到,其实都是很简单的东西,常见的按照结构分自然冷却,对动力电池包自然冷却这个概念可能不对,还有一个风冷、直冷、液冷等,比较常见的是风冷、液冷、直冷,用冷媒换热气跟电芯直接接触的。

    自然冷却其实叫被动冷却比较合适,既然是风冷都是低温空气为介质的,这么说的意思是不另外施加辅助动力进行冷却,仅利用车速形成的风对电池形成冷却,我没有做过自然风冷的测试,这是我的理解,主要是把热量导到其他的一个组件上,还有外壳的散热,如果电池包下面封装,相当于电池的热量导到外壳,封装完的风没有经过电池包外壳叫自然冷却了,就靠单纯的空气导热了,这种情况下,存热系数基本很低,正常的对流系数5-25V之间,这个时候散热量很少,热量只能靠其他组件的吸收。


    特点是结构简单,控制简单,按我的想法是布个点,成本也是比较低的,很好做密封。


    缺点是不受控,温度一上来不干就不干,散热量比较少,这个设计点这种方案设计点,我认为一个是我电芯要把热量散到外面,散到其他的组件,导热路径怎么打通。


    如果我说这个包的外壳跟气体的接触怎么进行形貌设计,怎么使得在使用的过程当中热量散的更快,这边漏了一点,有一个重要的一点,我的电芯发热量不能太高,一旦发热量太高很难处理这个问题。


    另外风冷又叫主动风冷或者强制冷却,是利用风机配合一个汽车自带的蒸发器,我们正常的汽车,汽车空调蒸发器就是将乘客舱的空气降下来,这边把乘客舱就像这边把乘客舱的一个低温气体引到包里面,这种情况肯定是没有办法做我们要求的密封等级了,而且因为跟外界的空气也是直接接触,很难控制进来的一些粉尘或者是一些对电池元器件有污染的东西。


    而且强制风冷对流产热系数在几十,冷却效果也不是很好。这种来说相对比较简单,我只需要设定固定的管路加一个风机,可能加一个也可能加几个只要把气体导进来再排掉就可以了,成本比较低,好处是温度可以控制,因为是乘客舱的一个气体。


    在风冷的设计过程当中,设计的组件其实不多,就是一个风机一个风道,风机基本上就是一个关键点,还有风道的设计,因为电池包里面电池很多,怎么把这些电池的温度控制在允许的范围内。


    风机的选型,第一个肯定要知道我需要多大的一个风量,以前可能用最原始的经验公司算风道的压架多少,现在把模型做出来,调进口的边界,不同对应的不同的压架,直接把它往这里面做。仿真是拿到了一个系统压损的曲线配合拿到的风机性能曲线,风机通常都是低压电,一个进压跟风量其实还是比较不好选的。前面漏了一点,正常我们用的过程当中,风机的类型主要是贯流和离心,基本上没有见过在这方面用了,基本上用的要么是浊流。因为空气比热溶少,如果整个的风,控制的一个路程比较长,前后的温差会拉很大,前面说过温差对一个包来说很重要,所以要怎么做一个均流,怎么让每个电芯引流过的风量差不多,甚至怎么缩短一个空气的一个前进的路程长度。


    另外液冷,就是我们现在用的比较多的,按照它的结构可以分几种,一个是低温散热器冷却系统,一个是直接冷却系统,还有混合液冷。


    第一种,电池里面的冷却水,是直接跟环境里面进行散热的。

    第二种,用的比较多的是直接冷却水冷却系统,因为这个相当于我电池的热量传到电池的冷却水里,通过冷却水把热量传到冷媒里,再通过冷媒把热量传递到空气当中。

    第三,结合前面两者的优点。

第一低温散热器在高温情况下不好做,外界环境温度高的情况下,冷却水的温度不受控。

第二,直接冷却水因为可以通过冷媒系统,可以保证冷却水,比如环境35度,冷却水15度,环境45度还可以做到冷却水15度的。这个相当于更好做系统的管理。


    混合在外面温度比较低的情况下,用第一个低温散热器的散热系统,不进入冷媒系统的交叉,这个是综合了一个环境适应性有一个能耗方面,成本很明显比前面两者高。

    第一种,成本比较低,只需要一个泵其他的不需要考虑了。

    第二种,需要电池的冷却器。在水冷过程当中可以涉及到一些东西,一个是水泵还有换热板,一个泵的选型比较好做,最重要的电池包里面的冷却器。这个跟电芯接触而且怎么控制均流也跟风能遇到一样的问题,怎么做电芯通过水的流量,或者说我跟流量跟发热量的关系,怎么做这是比较麻烦的一件事。因为可以做很多,我动量越大均流越小,因为我的水泵涉及能量的问题。所以怎么综合评估这个问题,我觉得还是只能靠仿真跑,先把方案提出来,先把大概的思路做出来,感觉怎么样再做。


    另外一个下面冷却,我没有接触过动力电池,我原来做空调之前工作做空调的,后面算半转行到这一方面,对这方面很感兴趣。


    直冷系统刚才说的,直接冷媒冷却电池的,整个系统就包含压缩机还有冷媒器还有一个电磁膨胀法。这个特点跟液冷相比,至少省掉了水冷系统的一个组件包括一个能耗损失,相对来说结构比较紧凑,重量比较轻,这个数据之前有人做过,效率也比较高,水泵能耗比较低,因为冷媒做的一个压力还是比较大的,而且我们没有办法做到像原来汽车空调做的这么厚,我的一个高压的冲刷对管路的损耗元器件的损耗比较麻烦。


    另外,因为我们做的是一个相变,很难控制一个冷媒的状态,可以形成一些气液或者是完全液态的,甚至是过冷度,比如像水一样,已经比零度还低,所以我把温度升到零度才有相变的过程,这个我们会涉及到什么东西,一个是我们知道过冷度过高,冷媒先经过的电池,相当于用显热过热,这种情况下吸收的热量是比较多的,而且热量比较低,对整个包的温差比较难控制,如果过冷度不好造成流到管路后面进行线路的交换还会造成一个温差。


    另外,加热比较难,因为本来我一直觉得把这个颠倒一下,把蒸化器变成冷媒器,因为两者的交换热量不一样,对换热器的面积不一样,如果我适合一个蒸发器走的一个面积,可能冷媒器不行所以比较难。


    设计关键点是涉及到的组件,一个是压缩机还有膨胀管还有管路设计,跟低温设计都一样,怎么分配流量包括怎么控制,因为是一个相变的,压力不好控,流量可能不好说了。


    根据电池包蒸发器和整车蒸发器主要是独立、并联和串联,独立的系统和汽车空调的系统不但成本高,能耗相对比较大,前提是你是制冷量超过的情况下,因为不仅要多一个压缩机还要多一个冷凝剂。


    另外是串联,也有一个问题,汽车空调基本上温度比较低,应该跟家用空调在10度左右,这种情况下出来的气体经过冷板可能造成一个后面的一个冷量的需求不一样。


    并联通过同一个压缩机,车载出来冷媒的状态,跟电池出来的状态一致的。这一个也是比较难控制的。


    另外,设计的一个选型,因为时间关系不每个讲了,压缩机在这里面会涉及到一个润滑油的问题,通常情况下,你的管壁越小,回油能力带回来的油越好,造成压损的增加。


    加热和保温技术,其实我真的没有发现有什么新的技术,基本上就加热膜、PTC、水加热,水暖加热器、加热铝板。


    保温方法:有一些材料隔绝,用低导热技术材料,另外通过空气,现在材料像气凝胶导致系数和空气差别不大,电芯结构方面的问题。


    国内外的现状,现在液冷是主流,除了日本,我想不明白,他们为什么对风冷这么情有独钟,还有欧洲一些会对直冷有一个需求,现在很多西方做高电压平台,一旦做上去相当于对电流快充的一个倍率需求比较低,是不是做风冷和自然风冷。


    这是中银证券对国内外主流新能源车型的梳理,确实是液冷比较多,像国内10款车6款是液冷的,国外是6款只有两款是风冷的,其他的也是液冷的,有一个时间差,在做设计整车出来,上车和现在做的方案可能是有一个时间有一些还是做风冷的。


    热管理的市场现在他们有的叫做“蓝海”他们有一个预测,热管理这个市场规模还是增大,无论是国内还是国外。供应商像在整个汽车热管理行业四巨头,包含55%。在新能源汽车的热管理细分领域主要有三类企业,一个是传统热管理车国际巨头还有国内的一些热管理的一些龙头企业,还有一些新兴的企业,比较早接触到的。


    日产的Leaf其实这边有很多论文讲了,我不细讲了,我一直想不明白,这方面我看过拆解视频,按照我的想法应该把导热打通的,模组之间的接触是没有做界边的处理的,底下的金属两个螺栓拧紧,下面有一个一体的模组的托盘可以有一个导热,电芯里面拆开的时候,我只看到上下两个端面,导热硅胶还有硅胶电,中间怎么导热的有点不是很清楚。我看到应该是通过铝箔和铝箔进行接触导热的,这个导热硅胶垫,包括金属外壳有一个内凹的设计,主要是针对于会鼓包的设计。


    这个电芯做的比较薄做了8毫米,软包有三个方向的导入技术,像垂直的方向一个导热系数很低的,因为之前说过不同的正负极。


    还有雪佛兰Bolt,小板的管路设计,我上网搜了一下,有点像直冷的系统,一个模组要经过一个高温和一个低温,这样是温度的一致性。


    比较好奇特斯拉的一个管理策略的问题,我找不到相关的材料,之前孙总讲了,就不讲了。


    还有捷豹也是,你们有没有发现这两份都是他们提供的材料,不重复了,他们掌握的信息资料比较多。


    宝马i3的直冷,低温高温两个一平均对温度的均热。i3下面有一个人字型的橡胶让他跟电池维持一个紧密的接触。


    最后热管理技术的展望,相变材料的应用现在比较常用的,包括国外也有做相变材料,他们用的是石墨和蜡,这方面用的领域一个是48这种电池,因为倍率高发热量大,没有办法做很大的散热也没有办法做一套冷却系统,相变材料到了一个相变点,将热量吸收。


    另外,外相变材料作为一个圆柱的热失控还是有好处的,因为我不知道热失控主要是热量如果我把热量截止了,在开始觉得把热量消耗,但是没有办法影响其他的,要么两种,一种隔了风险让你自己承受,另外均冷,这个热失控,吸收热量传递到其他的相变材料,整体来说还是把温度维持住。另外一个半导体制冷,用在车载的冰箱,这方面在动力电池我也不知道怎么用,有人在做研究。


    还有热泵技术,用在3C数码的比较多。因为热管理利用也是一个相变,利用管内媒介的相变进行热量的传递,导热系数达到万瓦级以上。

版权与免责声明 广州市绿原环保材料有限公司声明:本站内容及图片均由系统采集于网络,涉及的言论、版权与本站无关。如发现内容或图片存在版权问题,烦请提供相关信息发邮件至yeah_w@qq.com,我们将及时沟通与处理。
Top