让我们先看一下下面两个曲线图。下图中左图的横坐标是电池循环充放电次数,纵坐标是电池可用容量。可以看出,随着电池的充放电次数的增加,电池的可用容量是减少的,但是温度越高,电池的可用容量衰减越快。下图中右图的横坐标是电池工作温度,纵坐标是电池放电功率,可以看出从-40℃到0℃的温度区间内电池的放电功率急速上升,0℃到40℃电池的放电功率趋于平稳。而超过45℃时,电池包的放电功率会有一个断崖式的下降。
电池包热管理系统
由此可见,电池的工作需要一个适宜的温度。这也就是电池热管理系统存在的意义。
按照冷却方式不同,可以将电池包热管理技术分为风冷、液冷和直冷
一、风冷技术
风冷技术是以低温空气为介质,利用热的对流,降低电池温度的一种散热方式,分为自然冷却和强制冷却(利用风机等)。目前主要在五菱宏光MINI EV等微型电动车上进行搭载。
风冷技术
优点:结简单、质量可将有害气体有效带走,成本较低。 缺点:换热系数比较低,速度慢,效率低,内部均温性不佳,对电池的寿命有着较大的影响。
二、液冷技术
液冷技术是通过液体对流换热,将电池产生的热量带走,从而降低电池温度的技术,是目前市场上最主流的冷却方案。
液冷技术
优点:
1. 与风冷相比,以冷却剂为介质的系统具有数十倍的比热容和更高的传热系数,带来更好的冷却效果;
2. 温度和温差明显降低后,电池组在工作效率、稳定性和耐用性上得到显著提升;
3. 在低温情况下,系统还可以给电池包加热;
4. 液冷系统的布置式比较灵活,可在电池单或池模块间设置冷却通道,可以在电池底部采用冷却板,也可以两种方式同时布置。
缺点:
1. 液冷电池缺点就是结构比较复杂,增加了电池组的重量;
2. 增加了电池组的体积,侵占车舱空间,相当于降低能量密度;
3. 液体冷却系统的成本也会更高。
三、直冷技术
直冷技术是利用冷媒蒸发潜热的原理,在整车或电池系统中建立空调系统,将空调系统的蒸发器安装在电池系统中,制冷剂在蒸发器中蒸发并快速高效地将电池系统的热量带走,从完成对电池系统冷却的作业。目前主要搭载在比亚迪DM-i,Jeep插混等车型。
直冷技术
优点:冷媒板设计更简单,可拆卸,冷却系统可以轻松更换甚至维。
缺点:是无法直接对电池包加热,需要一套新的加热系统。
四、目前使用最广泛的液冷技术
进一步聊聊目前市场应用最广泛的液冷方案。液冷方案的核心零部件是水冷板,推动水冷板不断迭代和发展的一个重要因素是:提高导热效率,提高导热效率通常有以下几种方案:
1)提高冷板自身(材料)的导热性能
冷板自身材料上,最常见的方案是铝合金和铜金属,其中铜的导热效果更好,但是材料的价格要贵的更多,因此目前在乘用车电池包中主要采用的是铝合金。
2)提高冷板与电芯之间界面的导热率
下图为CMP(Cell-Module to Pack)电池包的示意图。由图可以看到电芯-模组-冷板之间的连接关系,可以概括为电芯→蓝色结构导热胶→模组壳体→粉色导热胶→PACK下箱体→结构导热胶→水冷板的漫长路径。需要经过3层导热胶。因此,对于提高导热界面的导热效率,主要是在导热界面材料TIM(Thermal Interface Material)上做功夫。由最开始的空气介质,到后来的导热垫,再到目前的导热胶,TIM的导热效果在不断提高。
液冷水冷板
3)调整流道设计,提高冷板与电芯的接触面积和流体自身的换热效果
流道设计方案上,目前应用最多的是型材+焊接的方案。按照流道成型工艺,可以分为以下两种:
口琴管设计:利用挤出工艺将冷板流道直接成型,再通过机加工方式打通循环,最后采用摩擦焊接、钎焊焊接等焊接方式进行密封组装。这种工艺的优点是生产效率高,成本低。缺点结构灵活性差,还需要增加金属管路,空间利用性相对较差.
冲压道设计:与口琴管设计不同点就是冷却板直接通过冲压方式成型,再通过焊接方式密封组装。这种产品虽然成本相对较高,但是集成效率更高,一致性更好。
4)不同冷板布置方案
根据布置位置的不同,可以分为电芯侧面冷却和电芯底部(顶部)冷却。下面我们通过一系列实际案例进行说明。
电芯侧面冷却以特斯拉Model S,GM Volt和CATL的麒麟电池进行说明:
Model S的液冷采用串行流道,冷板安装于电池间隙,这个设计保证了每个圆柱电芯都能与水板直接接触,但是蛇形冷板较大程度上增加了液冷系统的压力损失。
液冷水冷板
与Model S相比,Volt采用了并联片状结构流道板,冷却水板为与两个软包电芯之间,更加紧凑,散热效果略胜一筹。
液冷水冷板
麒麟电池包的冷却是依靠一个叫做多功能弹性夹层的零件。该零件是口琴管与水管的组合,这种设计代替了CTP2.0(Cell To Pack)中的隔热垫、水冷板和横纵梁。结构上,多功能弹性夹层类似于瓦楞纸板,既可以配合电芯呼吸进行自由伸缩,又能够作为结构件,提高电池包强度。另外,口琴管设计的纵向水冷板直接将电芯隔离开,让每块电芯得到更大的冷却面积,相比底部冷却扩大了足足4倍。
液冷水冷板
电芯底部(顶部)冷却以Porsche Taycan进行说明:
Taycan的模组布置分上、下层,所以它的水冷系统也是分上下层,总共有13个冷却支路,如下图所示。整个水冷板通过结构导热胶与下箱体粘接在一起。每个冷却支路有2个水冷管并联,水冷管采用口琴管的方案。从冷管的横截面图可以看出,每根冷管共有10个并联流道,每个流道的尺寸为3mm*2mm;整个冷管的厚度约为4mm,宽度约为35mm。
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