從電池冷卻新模式探索，看電池集成性能需求新標(biāo)桿

對(duì)于車(chē)用鋰離子電池產(chǎn)能快速增長(zhǎng)的十年，換言之，也是作為車(chē)輛配套零件、大規(guī)模應(yīng)用，摸索中艱難前行的十年。從設(shè)計(jì)、選型、工藝、生產(chǎn)、測(cè)試、實(shí)驗(yàn)、工況場(chǎng)景、性能等等，方方面面的經(jīng)驗(yàn)收獲背后，無(wú)不蘊(yùn)藏著失敗和教訓(xùn)。時(shí)至今日，電池集成技術(shù)從朦朧認(rèn)識(shí)，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(zhǔn)、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(guān)系。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(biāo)桿。

附圖1：鋰離子電池溫度性能關(guān)系

從專(zhuān)利技術(shù)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(shù)據(jù)信息稱(chēng)：在贛州落戶(hù)的***昶洧新能源汽車(chē)開(kāi)發(fā)公司的產(chǎn)品，電池系統(tǒng)的控溫能力在2℃，詳細(xì)工況、測(cè)試方法不詳。但這足以超越了目前Tesla 的5℃（另一種說(shuō)法是10℃）電池均溫能力。出于好奇，我查看了其在美國(guó)申請(qǐng)的電池冷卻專(zhuān)利，看看是否有直接的關(guān)聯(lián)：

（Patent number:10059165

Abstract:A battery pack is provided including: aplurality of battery cells arranged in multiple battery cell rows; one or moreheat exchange spaces; and a device for providing heat exchange to the batterypack. Further, the device includes a heat conduction medium passage arranged inthe heat exchange spaces, such that the heat conduction medium passagesurrounds multiple battery cells each battery cell row. The heat conductionmedium passage is provided with at least a first group of channels and a secondgroup 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 thesecond of channels. The heat conduction medium flows in the first group ofchannels in a direction opposite from the flow of the heat conduction medium inthe second group of channels.

Type:Grant

Filed:November 10, 2016

Date of Patent:August 28, 2018

Assignee:THUNDER POWER NEW ENERGY VEHICLEDEVELOPMENT COMPANY LIMITED）

（以上信息僅供學(xué)習(xí)交流，不得轉(zhuǎn)發(fā)和它用 ）

采用這種浸液電池冷卻模式，其實(shí)，早在幾年前，國(guó)內(nèi)某廠(chǎng)家已在嘗試和做實(shí)驗(yàn)。從另一個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景，變壓器的油浸冷卻也是這個(gè)原理?？磥?lái)，不同領(lǐng)域嫁接技術(shù)應(yīng)用，不失為一個(gè)好的方法，把這項(xiàng)技術(shù)付諸汽車(chē)工程應(yīng)用，也是一項(xiàng)有價(jià)值的創(chuàng)新。當(dāng)然了，這中間肯定還有很多技術(shù)細(xì)節(jié)需要攻克。再結(jié)合前期該公司公布的產(chǎn)品信息，電池選型采用21700圓柱電芯?？磥?lái)，他們是采用了21700電池結(jié)合浸液式冷卻。當(dāng)然了，更詳細(xì)信息，有待后期跟蹤和學(xué)習(xí)。

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

附圖2：電池殼體下底板微陣列熱管應(yīng)用

附圖3：各種傳熱模式和換熱能力對(duì)比

附圖4：高溫散熱特性

該項(xiàng)技術(shù)是中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所開(kāi)發(fā)的原創(chuàng)技術(shù)，深圳市邁安熱控科技有限公司將該技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化。目前已在電池系統(tǒng)中有應(yīng)用案例。

上述兩個(gè)案例，都是從物理量，導(dǎo)熱的響應(yīng)速度、均溫的精準(zhǔn)、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(duì)應(yīng)的產(chǎn)品嗎？

配套企業(yè)迅速跟進(jìn)，促進(jìn)和加快了新冷卻模式工程化

3M在浸入式冷卻液的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用案例

ImmersionCooling 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(lái)自?xún)蓚€(gè)方面，一方面是良好的絕緣特性、另一方面，溶液對(duì)熱失控產(chǎn)生的高溫、燃燒的抑制、阻隔作用。滿(mǎn)足導(dǎo)熱功能的同時(shí)，也擔(dān)負(fù)起了功能安全的重責(zé)。

基于上述兩個(gè)案例，看看熱管理技術(shù)的發(fā)展短板和電池性能新標(biāo)桿是什么。

熱管理技術(shù)短板：滯后于電池集成需求，“控溫性”、“均溫性”有待提高

從某種意義上說(shuō)，電池?zé)峁芾砑夹g(shù)是嚴(yán)重滯后于電池集成需求的。在電池集成發(fā)展之初，就沒(méi)有作為關(guān)鍵技術(shù)加以重視。記得很早的時(shí)候，測(cè)過(guò)leaf第一代產(chǎn)品常規(guī)工況的溫差狀態(tài)可達(dá)11℃，果不其然，用戶(hù)對(duì)第一代leaf電池容量衰減的抱怨從來(lái)沒(méi)有停止過(guò)，更甚的是，爆出三年的電池容量衰減已經(jīng)非常嚴(yán)重。Leaf的產(chǎn)品,更傾向于被動(dòng)空冷模式,也是成本最低的方案。我相信日產(chǎn)設(shè)計(jì)之初，一定有過(guò)這方面的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，只是沒(méi)有想到有如此嚴(yán)重。

看看我們國(guó)內(nèi)產(chǎn)品冷卻技術(shù)發(fā)展，一直是跟隨的角色。同樣，沒(méi)有引起足夠的認(rèn)識(shí)。從豐田prius的主動(dòng)風(fēng)冷、到通用Volt的主動(dòng)水冷發(fā)展的同時(shí)，國(guó)內(nèi)產(chǎn)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(shuō)，國(guó)內(nèi)的某些電池產(chǎn)品，三年就出現(xiàn)衰減的“美麗傳說(shuō)”也就不足為奇了。看來(lái)，讓熱管理真正的管理起來(lái)，主要來(lái)自認(rèn)知的問(wèn)題。粗放設(shè)計(jì)產(chǎn)品的作法已到了淘汰的邊緣。

電池性能需求新標(biāo)桿： 電池溫度需要精準(zhǔn)可控

其實(shí)，我們?cè)谄鸩莓a(chǎn)品技術(shù)條件(SOR)的時(shí)候，對(duì)均溫性（溫差）的一個(gè)劃一性、模糊要求：5℃，是不完整的，也是一個(gè)非?？量痰囊蟆？梢岳斫鉃?，全工況、全SOC、全工作溫度范圍內(nèi)的上限溫差值。我想Tesla的電池是控溫、均溫能力很強(qiáng)的系統(tǒng)，也很難覆蓋這一個(gè)需求。所以說(shuō)，區(qū)段要求，對(duì)于不同工況，更合理一些。

在第一版的SOR中，首先確定典型值溫差要求。設(shè)計(jì)后期可根據(jù)實(shí)驗(yàn)工況，再補(bǔ)充更多的點(diǎn)或數(shù)值進(jìn)來(lái)。如下圖約束條件，僅供參考：

（上表僅供參考思路，具體數(shù)值、條件要根據(jù)具體電池或系統(tǒng)確定）

電池性能需求新標(biāo)桿：控溫的高效性，低耗能

其實(shí)，熱管理的降溫和升溫，都是需要消耗能量的。對(duì)于動(dòng)力電池的寶貴的總能量，是不可忽略的負(fù)載，所以，低耗能技術(shù)，顯得格外重要。

目前采用的電池系統(tǒng)保溫措施，就是最早的一種控溫措施原形。還有儲(chǔ)熱技術(shù)應(yīng)用等等，其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，確實(shí)也影響其在車(chē)輛上的應(yīng)用進(jìn)程。不過(guò)，工程技術(shù)人員探索的腳步從來(lái)都沒(méi)有停止過(guò)。

總結(jié)

前面所述冷卻模式，并不一定能代表冷卻趨勢(shì)，只是個(gè)例，但是尋求滿(mǎn)足電池性能最大化的目標(biāo)是正確的。

電池系統(tǒng)隨著整車(chē)出廠(chǎng)時(shí)，作為關(guān)鍵零件和指標(biāo)，在提到電池質(zhì)保的時(shí)候，表達(dá)方式多種多樣：5年、8年、10萬(wàn)公里、16萬(wàn)公里、20萬(wàn)公里等等，有一點(diǎn)各個(gè)廠(chǎng)家是有區(qū)別的，就是容量衰減的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)承諾不同。容量的衰減，很大程度取決于后段的熱管理水平。通過(guò)這些年的實(shí)踐摸索，熱管理的需求逐漸的清晰起來(lái)，毋庸置疑，把它放到關(guān)鍵的位置，緊跟電池集成的腳步，做到“知冷知熱”，就是產(chǎn)品最終目標(biāo)或標(biāo)桿。