鉅大LARGE | 點擊量：720次 | 2023年02月28日
軟包動力電池組熱管理方法探討
新能源汽車管理系統(tǒng)通常包含這些部分，空調(diào)系統(tǒng)，假如它是一輛混合動力車的話，可能還要對發(fā)動機冷卻和傳統(tǒng)冷卻進行考慮，熱管理在汽車節(jié)能、環(huán)保、安全、舒適性方面都有重要的用途，尤其是電動汽車的電池?zé)峁芾矸浅Ｖ匾?，直接關(guān)乎到我們動力鋰電池的安全性、性能和使用壽命等等。
眾所周知，在電池工作的過程當(dāng)中，無論是充電、放電過程當(dāng)中都會出現(xiàn)熱量的累計，造成各處溫度的不均勻，從而影響到工作狀態(tài)一致性的問題。所以我們就希望通過電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)能夠讓我們的動力鋰電池發(fā)揮最佳的性能和壽命周期，并且將整個電池包的溫度控制在一個合理的范圍之內(nèi)，通常在高溫的時候進行散熱、在低溫的時候進行預(yù)熱，遇到電池差異的時候進行預(yù)熱這樣的功能。之前的專家報告中提到，我們能量密度做的越來越高，這樣有機會讓我們生產(chǎn)出更多長續(xù)駛里程的新能源汽車，并且進入更廣泛的消費系統(tǒng)當(dāng)中，這是行業(yè)的機遇。這個過程當(dāng)中我們也遇到了產(chǎn)熱量增高、散熱要求提高以及維護場景復(fù)雜化的一系列挑戰(zhàn)，因此我想說的是，建立一個完善的熱管理解決方法是對新能源汽車安全問題一個非常重要的組成部分。
事實上從這個層面上已經(jīng)對熱度問題當(dāng)然有一定的考量了，在我們現(xiàn)行的強制性國家標準當(dāng)中也納入了熱失控和熱擴散的一些內(nèi)容，當(dāng)然這個還不是很完善，要對更多的常規(guī)使用的過程有更多的細則，大家認為熱管理系統(tǒng)的市場規(guī)模在國內(nèi)、國際都有很大的提升，也代表大家對熱的問題越來越重視。
這樣一張圖，我們自己總結(jié)，一個系統(tǒng)熱管理的流程，首先我們肯定是要根據(jù)整車的工況，EV也好、HEV也好，對我們電池組的充放電工況，電池的選擇方式、空間質(zhì)量進行綜合考量，確認在整個熱管理系統(tǒng)當(dāng)中我們要考察哪幾個子系統(tǒng)，具體的設(shè)計當(dāng)中，從概念設(shè)計、實際設(shè)計和優(yōu)化驗證整個過程當(dāng)中，我們也充分接近一些熱分析的技術(shù)方式，這樣保證我們整個設(shè)計形成一個合理的閉環(huán)。
熱管理工程師，他要建立的模型就是我們動力鋰電池的發(fā)熱模型，事實上這類模型很多，大家隨便去搜索一下各類文獻、文檔，會有很多表述，比如說電化學(xué)和熱模型，在高校和科研機構(gòu)當(dāng)中也做了很多的工作，但是事實上關(guān)于供電公司來說，因為電化學(xué)的模型有很多的函數(shù)是要去標定的，我們認為這個是比較困難的，尤其是現(xiàn)在大家越來越強調(diào)BOL和EOL全生命周期對電池性能的評估，這樣我覺得電熱模型可能會更合適一些，這邊舉例比如電熱模型，基本上依據(jù)我們在電池公司中大量擁有的一些標準測試的充放電試驗，就可以對整個過程進行勾勒，我們只要把電池拿出來檢測一下就可以了解變化過程。這個模型過程挺簡單的，六個方程對應(yīng)六個未知數(shù)，解出來以后我們可以了解電池在正負極的交接面上的放電深度、開路電壓、極化導(dǎo)電率、電流密度、正負極電池的分布情況，得到這些數(shù)據(jù)以后我們的電芯工程師就可以對放電均勻程度進行評估，來幫助我們?nèi)プ鲭娦镜膬?yōu)化設(shè)計，熱管理工程師就可以求出它發(fā)熱率的情況，并且考察整個電池的集成體電池包溫度的變化過程。
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%
優(yōu)化電芯尺寸，平衡電量和溫度的關(guān)系，最終我們結(jié)構(gòu)部門的同事和電芯部門的同事，他們通過這樣一個模型實現(xiàn)共通化。
前面提到的一系列模型，我們可以把它去做一些曲線，對整個電池進行總結(jié)，比如開路電壓，這是一個標準測試，就是恒溫情況下的結(jié)果，從實測都可以得到，通過比對，提高我們模型的準確性，最終我們得到這是一個持續(xù)放電過程中熱功率變化的情況。
這是準確性的比較，我們認為基本上比較準確的抓取了電池放電動態(tài)過程中的熱力值，這樣我們也就有機會對模組或者整包或者不同的備件條件進行分析，這部分就是電池常規(guī)過程當(dāng)中的分析，也是熱管理工程師起始的工作狀態(tài)。事實上發(fā)熱模型還應(yīng)該包括對熱安全的考察，我們推薦用這種絕熱的方式去考察電池在瀕臨失控或者失控過程當(dāng)中的情況，我個人比較幸運，因為在天津我們購置了這么一臺EVARC，所以在家里我就可以去將溫度、溫升速率、在失控過程當(dāng)中的發(fā)熱功率進行測試，最終可以回答我們電池到底安不安全，包括鋰離子電池施工的特性，和一旦出現(xiàn)一些災(zāi)難性的情況我們應(yīng)當(dāng)如何去應(yīng)對。
這個圖是來自清華實驗室，我們通過得到一些實驗數(shù)據(jù)，可以建立一些線下模型，對整個施工過程當(dāng)中的溫度和熱功率的變化進行一些勾勒，這樣有助于我們設(shè)計對應(yīng)的應(yīng)對措施，比如我們了解熱功率要設(shè)計相應(yīng)的隔熱層，盡量減少熱擴散的可能性，包括對時間進程的預(yù)估，可以幫助我們設(shè)計整個電池動力系統(tǒng)在危險情況下的控制策略以及對逃逸時間的評估。
關(guān)于熱設(shè)計工程師可能會接觸到各種各樣的導(dǎo)熱材料，我想這個過程當(dāng)中還是要根據(jù)實際應(yīng)用的情況，這兩個爆炸圖是天津?qū)ξ锪鬈図椖康膬煞N標準的爆炸圖，因為我們是重要做軟包動力鋰電池，所以在熱方面，這種薄形片層狀的電池，我們應(yīng)該充分利用它的表面導(dǎo)熱率相對較高的特點，充分利用它的側(cè)邊導(dǎo)熱的優(yōu)勢。
我們先看右邊這個圖，右邊那個圖就是我們所謂側(cè)邊導(dǎo)熱，又是一個設(shè)計概念，因為通過涂覆這樣的導(dǎo)熱材料，我們希望建立電芯向模組外殼的導(dǎo)熱路徑，為了實現(xiàn)這樣一個設(shè)計概念，我們也嘗試了不同體系的導(dǎo)熱材料，國內(nèi)、國外不同品牌的都有，給我的感覺是，我覺得國內(nèi)的這些材料在一些理化特性上、性能指標上做的已經(jīng)很不錯了，但是形態(tài)和流變學(xué)的考量上還差很遠，比如說國外的這些公司通常都會設(shè)有流變工程師或者流變科學(xué)家，他們對整個材料的形態(tài)會有更好的把握，這樣有助于我們把材料有效并且平穩(wěn)鋪覆在導(dǎo)熱交界面上，這樣的過程直接關(guān)乎到工藝設(shè)計和工藝實現(xiàn)的過程，最終對整個電池工作的一致性出現(xiàn)影響。為了驗證這樣一個想法，我們做了一個挺笨的試驗，我們把這個導(dǎo)熱材料直接生成在絕緣膜上，用它把電池包起來放在模組里面做一些充放電試驗，事實證明通過這樣一個簡單的辦法可以把內(nèi)外的溫差進行減小，也通過這樣一個簡單的事例介紹一下傳熱路徑建立的基本概念。
PCM，這個相變材料也是大家討論比較熱烈的材料，有些人甚至?xí)f它會自立門戶成為新的散熱方式，我倒不這么認為，但是它是很有趣的材料，所以我們也做了一個模組試驗。同樣量的相變材料，我們把它以不同的方式排布在電池疊片的中間，事實上我們也做了一系列的試驗，我這邊給出的是一個循環(huán)試驗，測試它的持續(xù)工作的能力，我們看一看，在多少周的循環(huán)之后整個模組會趨近于一個報警溫度，通過這樣一個圖表可以看出，在PCM的潛熱消能區(qū)溫升有一定平緩的用途，事實上這個時間并不是很長，并不像我們在概念介紹的時候的平臺，但是其實這并不是很明顯的，這個也跟我們使用材料的量有直接關(guān)系。但是即便如此，這種材料作為一個比熱比較大的材料，在后續(xù)的過程中確實起到比較好的功能，我們可以看到這個試驗，在多周循環(huán)之后逐漸在一個比較平穩(wěn)的過渡段，逐步達到一個穩(wěn)態(tài)的情況，它還是能起到一定的均溫和控溫的效果。有趣的是，我們看這兩個圖案，雖然它們使用材料的量是差不多的，但是數(shù)據(jù)上還是會有一些偏差，事實上也就是證明了我們在模組設(shè)計熱組的過程當(dāng)中也應(yīng)當(dāng)積極做一些優(yōu)化的設(shè)計，提高我們導(dǎo)熱材料的使用效率。
液冷系統(tǒng)，隨著我們前面也提到了，新能源車型能量密度越來越高，電池冷卻，不止是冷卻，包括加熱，我們希望賦予電池包更多的全天候工作的能力，液冷包括液熱方式已經(jīng)成為標配，常規(guī)的一個液冷系統(tǒng)要由水泵、冷板等等一系列組成，這樣一張圖基本上表征了液冷系統(tǒng)所包含的各個部件。
在整體設(shè)計過程當(dāng)中，我覺得有一些問題是要去照顧到的。首先是設(shè)計目標的確認，重要包括電芯溫度、溫差、系統(tǒng)壓降空間體系的要求，比如5度以內(nèi)的溫差，2030千帕的壓降控制，基于這樣的設(shè)計目標，我們就可以把整個系統(tǒng)細分為好幾個不同的子系統(tǒng)，比如說傳熱路徑、液冷回路、冷板策略設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、目標設(shè)計，傳熱路徑設(shè)計重要是在不同的結(jié)點上把電量從核心的發(fā)熱區(qū)域傳遞到可操作的區(qū)域，回路設(shè)計重要就是流量的穩(wěn)定性，我們不希望在整個流程當(dāng)中出現(xiàn)流量過大的偏差，還有冷卻策略，什么時候開、什么時候關(guān)，牽扯到整個電池包能量效率的問題，我們最終還是希望更多的能量用于驅(qū)動上面，而不是輔助功能上面，這也是優(yōu)化設(shè)計方法的過程。
另外結(jié)構(gòu)設(shè)計，進行檢查的時候他也要通過一系列的檢測措施，所以包括漏液方面的評估也是要工程師去反復(fù)驗證，最后實現(xiàn)驗證就有比如理化指標、性能的保證。
這里重要提取三個比較重要的問題，去引起大家更多的重視，我們了解電池是一個活躍的化學(xué)體系，它工作的時候它的熱功率是一個變化的曲線，即便持續(xù)放熱過程中熱功率是不斷變化的，更不用說我們平常開發(fā)過程中討論比如NEDC工況等等。第二點，冷卻策略的設(shè)計，直接關(guān)乎到整個系統(tǒng)的能量效率和優(yōu)化的情況。
第三個問題是第二個問題的延伸，比如北京冬天零下5度要什么樣的新能源車，我可能要去熱車，但是問題是，包括我的熱車策略是希望有15度流到水冷系統(tǒng)當(dāng)中去，但是問題是大部分情況下在這個使用場景下可能沒有辦法很快把溫度從零下加熱到15度的狀態(tài)，就是說在實際使用場景當(dāng)中，尤其是偏極限一些的使用場景當(dāng)中我們一定會出現(xiàn)液冷或者液流功率不足的情況，這種使用過程要大家細化分析的。我假如可以把事情做得更細致一點，這樣會更好，包括比如說深圳35度的夏天道理是相同的，都會有一個功率不足的時間段，這涉及到我們整個液冷設(shè)計過程當(dāng)中能量收斂的問題。
這個圖就是一個簡單的液冷系統(tǒng)加熱或者冷卻溫度和流速分布的情況，通過剛才那個圖也是想說明一下我們CFD技術(shù)也在應(yīng)用到我們的實際工作當(dāng)中。
最后小結(jié)一下，熱管理工作越來越受關(guān)注，這個當(dāng)然是一件好事。建立合理的熱模型是我們工作的起點。新材料的導(dǎo)入和導(dǎo)熱材料的使用是在我們建立整個熱設(shè)計方法過程當(dāng)中很有意義的。最終，液冷系統(tǒng)有很多內(nèi)容要去考察，并且積極用CFD模型能夠輔助我們設(shè)計。
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