電池熱管理

新能源汽車的核心——動力電池系統(tǒng)，一般主要由電池模組、電池管理系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)、電氣及機械系統(tǒng)等構(gòu)成。影響新能源汽車推廣應用的重要原因一個是動力電池的安全性，另外一個就是使用成本。

因此隨著新能源汽車大規(guī)模的推廣，安全性需要得到進一步提高，所以熱管理的重要性凸現(xiàn)出來。熱管理的作用簡要來說就是讓電池工作在一定的溫度范圍內(nèi)維持最佳的使用狀態(tài)，用以保證電池系統(tǒng)的性能和壽命。

熱管理系統(tǒng)的構(gòu)成

電池組熱管理系統(tǒng)主要由導熱介質(zhì)、測控單元以及溫控設備構(gòu)成。導熱介質(zhì)與電池組相接觸后通過介質(zhì)的流動將電池系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的熱量散至外界環(huán)境中，導熱介質(zhì)主要有空氣、液體與相變材料這三大類。測控單元則是通過測量電池系統(tǒng)以及電池模組甚至單體不同位置上的實時溫度來控制溫控設備進行對應的熱處理。常見的溫控設備有風扇與泵機等。

根據(jù)參考資料總結(jié)幾款電動汽車產(chǎn)品電池組熱管理系統(tǒng)如下表所示。可以看到熱管理的作用主要體現(xiàn)在防止過熱和過冷保溫兩個方面。

熱管理的作用

車輛在不同的行駛狀況下，電池系統(tǒng)由于其自身有一定的內(nèi)阻, 在輸出功率、電能的同時產(chǎn)生一定的熱量，使電池溫度升高，當電池溫度超出其正常工作溫度區(qū)間時會影響電池的壽命。目前國內(nèi)的熱管理研究較多在防止過熱上，更準確地說是集中在電池系統(tǒng)和模組級別上，在電芯層面上的隔熱并沒有過多關注。

據(jù)筆者了解的情況，國內(nèi)很多企業(yè)在電芯層面上，無論是軟包還是方形都沒有進行相應的隔熱處理。比如軟包電芯，基本是直接堆疊后靠金屬外殼固定一起，且不論電芯之間熱量的積累，光軟包充放電時的臌脹效應就有可能導致電芯出現(xiàn)破損可能。方形之間靠結(jié)構(gòu)膠直接粘接，并且還在沒有采用任何冷卻處理的環(huán)境下，完全靠自然冷卻不能保證熱量及時擴散。

這里有必要提及在國外以及國內(nèi)若干采用軟包的企業(yè)得到大規(guī)模應用的泡棉材料，一方面能夠吸收電池鼓脹應力起到緩沖作用，另一方面能夠起到隔熱作用，在電芯出現(xiàn)熱失控的情況下抑制熱擴散，延緩事故發(fā)生。在方形電芯之間的隔熱處理，已經(jīng)有企業(yè)在采用氣凝膠，安全性相當高，但存在一個很實現(xiàn)的成本問題。

當溫度降低到零度以下時，電池系統(tǒng)的充放電功能會由于電池性能的降低變得十分困難, 無論是放電的倍率還是放電的容量都會大幅度地降低。因此在寒冷地區(qū)，研究電動汽車如何才能更高效地使用變得十分迫切。針對上述情況，一般從兩個方面出發(fā)進行設計，分別是電芯加熱和箱體保溫方案。

加熱方案

最簡單的加熱方案一般是在電池模組上下附著加熱板進行加熱或者采用加熱膜包裹在電芯四周進行加熱。由于PTC加熱片通常采用鋁制，存在與電池貼合不夠緊密情況導致熱量損失。而加熱膜能夠貼合更加緊密，傳熱效率更高使得加熱效果相對更好。

相對于常用的PTC加熱片和金屬絲加熱膜，石墨烯加熱膜也開始進入人們的視野，這三種材料的比較如下表所示。一般根據(jù)電池系統(tǒng)在進行具體設計時的結(jié)構(gòu)、工藝以及成本進行加熱方案的選擇。

箱體隔熱

箱體隔熱的意義在于：一、保持系統(tǒng)內(nèi)部溫度，有利于低溫充放電，延長使用壽命；二、保持系統(tǒng)內(nèi)部溫度，降低高溫路面熱輻射對系統(tǒng)內(nèi)部溫度的影響；三、外部出現(xiàn)火燒或者高溫時時，保持電池包內(nèi)正常溫度，延緩電池熱失控，提高安全性。從目前電池系統(tǒng)的發(fā)展趨勢來看，采用會液冷系統(tǒng)越來多，因此箱體隔熱設計越發(fā)重要。

根據(jù)現(xiàn)有國家標準的規(guī)定，導熱系數(shù)大不于0.12W/(m?K)的材料可以認為是保溫材料，小于0.05 W/(m?K)的材料則可以稱作高效保溫材料。常用的保溫材料有絨毛毯、聚氨酯泡棉、二氧化硅氣凝膠等，導熱系數(shù)分別為0.05、0.03、0.02 W/(m?K)左右。氣凝膠的隔熱效果可以說是相對于其他材料是最好的，但是成本比較高，并不適合大規(guī)模應用。另外采用泡棉以及氣凝膠在對箱體進行保溫時會不可避免進行拼接，并不能一次成型貼合于是產(chǎn)生縫隙導致隔熱效果差。新能源汽車發(fā)展會帶來新技術的出現(xiàn)，比如能夠直接在箱體上發(fā)泡成型，與箱體結(jié)構(gòu)完整貼合實現(xiàn)最佳的隔熱效果。

UIR0316材料技術

結(jié)語

隨著新能源汽車開始大規(guī)模的使用，電池系統(tǒng)的性能會接受更多的考驗，比如南北溫差導致電池能耗的不同。從目前情況來看，解決上述問題需要結(jié)合新材料進行電池設計系統(tǒng)優(yōu)化。比如利用先進的散熱、隔熱保溫材料等，針對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置以及控制策略的優(yōu)化都是可以采用的方式。高效智能的熱管理系統(tǒng)會是未來發(fā)展的目標，對新能源汽車的安全性有重要意義。

文章來源：《第一電動》

隨著電動汽車行業(yè)的發(fā)展，人們見到的電動新能源汽車是越來越多，如果你們有自己的一輛電動汽車也可以，那你總有自己的一輛電動自行車吧，如果要是沒有屬于自己的電動自行車的話，也沒關系，那你總見過電動自行車吧？

既然是電動車，那就離開不了電池，這個大家心中就有概念了，畢竟，現(xiàn)在人手一部的手機還是有一塊電池的，而電動車的電池其實是一個電池包，不知道大家有沒有聽說過電池包這個概念，因為電動汽車可是一塊電池，而是將眾多的電池組合到一起的一個甚至是多個電池組，而這些電池組又需要多種設備將他們集中到一起，必須電線、控制器等等，而使用一個外殼將這些東西都包在一起，這就成為了一個電池包！

一個電池管理起來比較簡單，但是要管理起來一個電池包就比較復雜了，畢竟里面線路多，而且因為電池是非常容易起熱的，那就需要做好散熱處理，因為不是一個電池組，那電池組與電池組之間，電池與電池之間，這些都是存在一定的溫度差異的，而這些不均溫度的條件，可是非常影響電池的使用的，而現(xiàn)在我們的科研人員在解決這個問題上有了一個非常大的突破。

科研人員采用微槽群復合相變散熱技術制成，設計出來了一套非常先進的3mm超薄型一體式熱管理單元，而又利用該單元構(gòu)建了一種電池包樣機。經(jīng)過測試，該樣機可將電池成組維持在25-40℃之間的電池最佳工作溫度范圍內(nèi)，而電池能量密度則是≥80Wh/kg、循環(huán)壽命超過1500次，更關鍵的是，電池單體間的溫差≤3℃，這就很好的解決了電池間的一直存在的不均溫問題。

而使用了該電池包熱管理系統(tǒng)的電池包，可以使電池組發(fā)揮最佳性能和壽命，為提高整車性能奠定了動力基礎，所以說，電動汽車電池包熱管理難題被中國科研人員成功破解！

現(xiàn)在科技就是那么復雜，我們大眾很難知道一個如此好用的東西里面竟然有如此復雜的結(jié)構(gòu)，而每一個細節(jié)技術又是整體能否成功的關鍵，所以說，科技是值得我們敬畏的，而科研人員是值得我們點贊的！

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據(jù)外媒報道，寶馬與美國的EC Power公司就低溫鋰離子電池技術——全氣候電池技術（All-Climate-Battery，ACB）簽訂了知識產(chǎn)權協(xié)議（intellectual property agreement）。

當環(huán)境溫度低于冰點（freezing point）以下，大多數(shù)鋰離子電池的運行會受到影響，對電動車及混動車而言，這無疑是一個問題。為此，車企需要為上述車輛配置額外的加熱器，提升其車載電池的溫度。

EC Power旗下的一項專利技術可創(chuàng)建自動加熱功能，在低溫環(huán)境下為電池加熱，使其能夠在冰點以下的環(huán)境中保持正常運行。此外，從加熱到達到最佳工況（optimal operating condition）僅需數(shù)秒，既可以提前加熱電池，也可能在駕駛中啟用該功能。

該款快速自動加熱功能還能實現(xiàn)電動車在低溫環(huán)境下的快速充電，因為該款電池的電芯采用了定制材料，且無需使用外部電源。

該自動加熱機制可創(chuàng)建一個電化學接口，只需20秒就能使電池內(nèi)部溫度從零下20℃加熱至0℃，只需30秒就能使電池內(nèi)部溫度從零下30℃加熱至0℃，分別消耗3.8%與5.5%的電池容量。

該公司利用AutoLion軟件及計算機輔助設計，將其研究發(fā)現(xiàn)用于研發(fā)全新電池及儲能裝置，該公司在賓夕法尼亞州還擁有一家電池工廠。該工廠當前可生產(chǎn)數(shù)千個柱狀電池及軟包電池（prismatic and pouch cell），可用于驗證量產(chǎn)的可行性及車內(nèi)測試。

話題“電池熱管理”

汽車人 新啟點

“難道你也怕冷？”

毫無疑問溫度因素對動力電池性能、壽命、安全性有著至關重要的影響。一般來說我們期望電池系統(tǒng)能在15~35℃的區(qū)間內(nèi)運行，從而實現(xiàn)最佳的功率輸出和輸入、最大的可用能量，以及最長的循環(huán)壽命（雖然低溫存儲更能延長電池的日歷壽命，但在應用上實踐低溫存儲的意義并不大，這一點上電池和人非常相似）。

“怕熱怎么辦？”

目前動力電池系統(tǒng)的熱管理主要可分為四類，自然冷卻、風冷、液冷、直冷。其中自然冷卻是被動式的熱管理方式，而風冷、液冷、直流是主動式的，這三者的主要區(qū)別在于換熱介質(zhì)的不同。

· 自然冷卻

自然冷卻沒有額外的裝置進行換熱。例如BYD在秦，唐，宋，E6，騰勢等采用LFP電芯的車型上都采用了自然冷卻。據(jù)了解后續(xù)BYD在采用三元電芯的車型將切換為液冷。

· 風冷

風冷采用空氣作為換熱介質(zhì)。常見的有兩種，第一種姑且稱為被動風冷，直接采用外部空氣換熱。第二種則為主動風冷，可預先對外部空氣進行加熱或冷卻后再進入電池系統(tǒng)。早期許多日韓系的電動車型采用風冷方案。

· 液冷

液冷采用防凍液（比如乙二醇）作為換熱介質(zhì)。方案中一般會有多路不同的換熱回路，例如VOLT具有散熱器回路、空調(diào)回路、PTC回路，電池管理系統(tǒng)根據(jù)熱管理策略進行響應調(diào)節(jié)和切換。而TESLA Model S有一個與電機冷卻串聯(lián)的回路，當電池在低溫狀態(tài)下需要加熱時，電機冷卻回路與電池冷卻回路串聯(lián)，電機可為電池加熱。當動力電池處于高溫時，電機冷卻回路與電池冷卻回路將被調(diào)節(jié)為并聯(lián)，兩套冷卻系統(tǒng)獨立散熱。

1.氣態(tài)冷凝器

2.副冷凝器

3.副冷凝器扇

4.氣態(tài)冷凝器扇

5.空調(diào)壓力傳感器 (高壓側(cè))

6.空調(diào)溫度傳感器 (高壓側(cè))

7.電子空調(diào)壓縮機

8. 空調(diào)壓力傳感器 (低壓側(cè))

9. 空調(diào)溫度傳感器 (低壓側(cè))

10. 膨脹閥 (冷卻器)

11. 膨脹閥（蒸發(fā)箱)

· 直冷

直冷采用制冷劑（變相材料）作為換熱介質(zhì)，制冷劑能在氣液相變過程中吸收了大量的熱，相比冷凍液而言換熱效率可提升三倍以上，更快速的將電池系統(tǒng)內(nèi)部的熱量帶走。BMW i3中曾采用過直冷方案。

電池系統(tǒng)熱管理方案除了需要考慮冷卻效率以外還需要考慮所有電池溫度的一致性。PACK有著成百上千個電芯，而溫度傳感器必然無法檢測到每一個電芯。例如Tesla Model S的一個模塊中共有444個電芯，而布置的溫度檢測點僅有2個。因此需要通過熱管理設計使得電池盡可能保持一致。并且較好的溫度一致性是電池功率、壽命、SOC等性能參數(shù)一致的前提。

VOLT電池包中每兩片電芯共用一個Fin片，以增大冷卻裝置和電池的接觸面積；而在電芯另一側(cè)采用防火隔熱片與相鄰電芯隔離，一方面確保熱量傳導的一致性，另一方面將單一電芯熱失控后對周邊電芯的影響降至最低。

總的來看液冷技術還是目前最為主流的方式。首先是電池發(fā)展的趨勢始終朝著能量密度更高的方向邁進，而高能量密度的電池在安全性上的問題就尤為需要重視，熱失控后產(chǎn)生的負面影響會越來越大，液冷方案在換熱能力、換熱一致性、PACK密封性、NVH等方面都有著不錯的表現(xiàn)。其次液冷在傳統(tǒng)車上早已成熟應用，有著完善的供應鏈，當電池系統(tǒng)的設計方案和工藝穩(wěn)定后成本也可得到有效控制。

電芯JR各向?qū)嵯禂?shù)的測量與計算方法

課程簡介：

簡單介紹以下內(nèi)容：

1、如何利用穩(wěn)態(tài)法測量正、負極片的法向?qū)嵯禂?shù)；

2、如何利用瞬態(tài)法測量單層極片的法向和水平方向?qū)嵯禂?shù)

3、如何直接測量JR的法向?qū)嵯禂?shù)；

4、JR法向?qū)嵯禂?shù)測量值與計算值比較，分析誤差；

5、JR水平方向?qū)嵯禂?shù)計算值；

本課程中的所有數(shù)據(jù)皆為作者親自測量，并用仿真分析和實際測試對比驗證，證明其準確程度非常高；

謹以此拋磚引玉，謝謝！

“最近該怕冷了吧？”

動力電池低溫加熱方式

目前困擾電動汽車安全、壽命、性能的另一個重要障礙是在低溫場景下的運行。傳統(tǒng)車由于內(nèi)燃機運行過程中本來就會產(chǎn)生大量廢熱，因此在冬季正好可以把這部分廢能利用起來。而電動汽車能量利用率可達90%以上，當需要制熱時就需要額外通過車載加熱器來提供熱量。所以本文試著梳理一下動力電池低溫管理的方法和策略。

1. 場景分析

根據(jù)SOC荷電狀態(tài)和充放電運行狀態(tài)可將低溫下的運行場景初步劃分為四個區(qū)間：

· 高荷電態(tài)放電：鋰電池放電溫度區(qū)間可達-30℃~55℃，因此在該區(qū)間即便是低溫也不影響車輛啟動。但低溫狀態(tài)導致的容量衰減和能量回收限制將使得車輛續(xù)航里程驟降。采用即時加熱的方法，車輛運行和電池加熱同時進行既能逐漸恢復。

· 低荷電態(tài)放電：當?shù)蜏匾鸬娜萘康乃p大于剩余電量的時候，車輛已經(jīng)無法正常啟動并運行，否則將觸發(fā)BMS單體低壓報警。在這種場景下可以先進入預熱模式，動力電池輸出較小的功率給車載加熱設備，待動力電池容量恢復后再啟動?；蛘咧苯舆M入充電模式。

· 低荷電態(tài)充電：鋰電池在0℃以下充電容易產(chǎn)生析鋰現(xiàn)象，引起不可逆的損傷和安全問題。在此場景下可以利用充電設施輸入的能量先對電池進行加熱，升溫后再進行充電。

· 高荷電態(tài)充電：在此場景下可同時利用電池和外部充電設施的能量共同為車載加熱裝置供能，提高加熱效率。（PS: 常見的交流充電設備功率為1.7kw/3.3kw, 而有些車載加熱裝置的功率可達7kw）

2. 加熱方式

個人認為動力電池良好的保溫設計可以有效降低加熱裝置的負擔，減少強制加熱的頻率。而一旦出現(xiàn)加熱的需求，則使電池迅速升溫的能量主要來自兩方面 ，電池本身和外部設備。而利用這些能量來加熱的方式也有兩種：

· 車載加熱器

加熱元件常見的有加熱膜和PTC（Positive Temperature Coefficient）兩種。加熱膜屬于恒定電阻加熱元件，始終能維持在一定的加熱功率輸出范圍內(nèi)。而PTC顧名思義就是電阻值和溫度正相關，隨著溫度的升高電阻也在升高，所以可以實現(xiàn)恒溫發(fā)熱，在安全性上較優(yōu)。

目前PTC車載加熱器比較常見，功率一般在3kw~7kw左右，可通過PWM控制功率輸出；分為液體加熱器和風暖加熱器兩類。

風暖加熱器使冷空氣通過換熱面再輸入電池內(nèi)，適用于風冷架構(gòu)的熱管理方案。

液體加熱器則先制熱冷卻液，適用于液冷架構(gòu)的熱管理方案?？偟膩砜措S著液冷方案的普及，液體加熱器也必然將成為主流。例如Tesla就在Model S的熱管理系統(tǒng)上使用一款大功率的液體加熱器。

· 電池自身

在低溫環(huán)境下電池內(nèi)阻會增加，因此在同等的工況下溫升會更劇烈。但即便如此整個升溫過程也是有限的。最近看到一篇文章（參考文獻1）中提出了一種全天候電池技術All-climate battery (ACB) cell，可實現(xiàn)電池由-20℃加熱至0℃僅需20s，且僅消耗3.8% SOC的能量。

這種電池在正極、負極、隔膜、電解液中添加了一種新組件 – 50um厚，56 mΩ阻值的鎳片，由外部電路控制是否將鎳片與電池串聯(lián)。從某種程度上來說就相當于將均衡電阻嵌入電池內(nèi)部，并可實現(xiàn)50A以上的均衡電流。假設Pack由100節(jié)該種電池組成，則加熱功率可達16kw以上。

當然這個ACB電池還僅僅是概念，在該技術下電池的其他性能如何，制造工藝的可行性，與現(xiàn)有設備的兼容性，鎳片的一致性等等都有待確認和解決。

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