主頁技術漫談電動汽車的電池熱管理

漫談電動汽車的電池熱管理

什麼是電池熱管理?

電池的習性與人相似,它既受不了太熱,也不喜歡太冷,最適宜的工作溫度在10-30°C之間。而汽車的工作環境非常寬廣,零下20-50°C都很常見,那怎麼辦呢?那就給電池配個空調吧,以實現熱管理的3個功能:

  • 散熱:溫度過高時,電池會折壽(容量衰減),暴斃(熱失控)風險增加。因此,溫度過高時,就需要散熱。
  • 加熱:溫度過低時,電池會折壽(容量衰減)、衰弱(性能衰減),若此時充電還會埋下暴斃隱患(析鋰導致的內短路存在引發熱失控的風險,上海 Tesla 自燃可能是此原因)。因此,溫度過低時,就需要加熱(或保溫)。
  • 溫度一致性:我還記得90年代的早期空調,啓動起來就一陣冷風猛吹,吹完就歇一會。而如今的空調,大多具備了變頻與環繞吹風功能,目的就是爲了保持溫度在時間與空間兩個維度上的一致性。類似地,動力電池也需要儘可能降低溫度在空間上的差異性

溫度一致性有多重要?

從“質”與“量”兩個角度來看,如果說散熱與加熱功能是熱管理的“量”那麼保持溫度一致性就是熱管理的“質”

在架構設計階段,電池被當作一個整體看待,從外部定義冷卻/加熱水流量、進水口溫度和出水口溫度等指標。設計的熱管理能力越強,電池系統的適應性就越強:夏天能夠正常輸出大功率,冬天也能快速啓動。

打個比方,同樣大的客廳,5匹的空調就是會比3匹空調更涼快。評價散熱與加熱功能,就是考量它能否實現更強的散熱/加熱“量”,同時儘可能地不增加太多重量、體積、能耗、製造與維護成本。比方說,我曾經在張抗抗:冬季續航減半,是電動汽車的宿命嗎?這篇文章中比較過冬季加熱的辦法,如果是在東北極寒之地,再牛逼的PTC、熱泵,加熱能力都不如一臺粗暴的柴油加熱器啊。

對空調來說,最重要的是製冷制熱是否給力,至於變頻與環繞吹風功能,至少對我這個大老爺們來說,是可有可無的。但是,對於電池來說,保持溫度一致性與前兩個功能同等重要,這源於以下三點:

一、木桶效應電池系統的性能、可靠性取決於最弱的一個電芯,系統的安全性取決於最不穩定的一個電芯[1]

舉一個工程上的實際例子,下圖是某型號三元鋰電芯最大放電電流隨溫度變化的曲線,可以看出電芯的性能和溫度關係非常大。假設大部分電芯溫度爲20度,而電芯B因爲加熱慢溫度只有10度,那麼整個電池包都必須遷就B電芯,放電電流被迫從140A下降到100A,性能下降了三分之一,可謂是“一顆老鼠屎壞了一鍋粥”。


二、二次不一致性:工作溫度差異是造成二次不一致性的主要原因。

單體電池出廠時帶有的固有個體差異稱爲一次不一致性,在使用過程中逐漸加大的單體電池差異稱爲二次不一致性。

一次不一致性主要反應了電芯廠商的製造與測試水平。它的產生原因很複雜,包括生產一致性、電極層均勻度、電解液總量與滲透度、雜質混入程度與位置等。七八年,國內先進廠家的電池容量差異可以做到3%,而國際先進廠商可以做到0.3%[1]。經過這幾年的奮起直追,國內的電池也可以將一次不一致性做到與先進水平相近了。

二次不一致性主要反應了主機廠的系統集成水平,尤其是熱管理設計水平。也就是說,即便買到的電芯再好,如果主機廠的系統集成能力差,在使用過程中也會逐漸擴大單體差異,帶來性能衰退與安全風險。

三、鏈式反應

電池差異擴大是一個漸變過程,也許只是容量偏小5%、內阻偏大10%的情況;但最弱的環節引發電池包的熱失控卻是一個突發過程,爲什麼會這樣呢?原因就在於鏈式反應

注:鏈式反應是一種形象的比喻,並非嚴格的學術概念。最早出處是@姚昌晟的文章[2]

鏈式反應的第一個含義是指,電池的副反應通常是放熱的,若散熱條件不好,放熱的副反應有可能引起更高溫度的副反應,甚至達到450度引起電解液燃燒。下圖是一個形象的表達[3]

電池副反應及反應溫度

鏈式反應的第二個含義是指,單體電池的熱失控會大量放熱,若單體電池之間的隔熱/散熱條件不好,熱量有可能引發相鄰電池的熱失控,進而引發整個模組(module)甚至整個電池包(Pack)的熱失控。上海 Tesla 自燃事故中,總共燒掉了4個模組,如果不是採取了消防措施,大量噴水使其降溫,最可能的結果是其他模組也被引燃燒光。

單體電池熱失控引發相領單體的熱失控

由此可見,作爲電池熱管理的代表性功能,溫度一致性可以作爲衡量電池管理技術高低的核心指標之一。考慮到木桶效應、二次不一致性和鏈式反應,若溫度一致性做得不好,後果不僅僅是性能衰退那麼簡單,甚至可能會帶來“千里之堤,毀於蟻穴“的慘案。

保證溫度一致性難度有多大?

降低單體電池間的溫度差異,主要取決於散熱流道設計

首先考慮最簡單的一維設計[4],圖(a)是最簡單的設計,冷卻載體(風冷爲空氣、液冷爲水或冷卻液)從左向右流動,這會帶來一個問題:右側的冷卻液溫度較高,散熱效果較差,最右側單體電池的溫度就會顯著高於最左側。

(a)簡單流道 (b)楔形流道 (c)往復流道

圖(b)進行了一些改良,楔形流道使得右側的冷卻載體流速加快,對衝了冷卻液溫度較高的因素,從而使得效果好於圖(a)。問題是電池包內部是寸土寸金,楔形的角度不可能設計得很大,所以這種設計的效果也不會比圖(a)好太多。

圖(c)是設計了一個往復流道,冷卻液週期性地改變流向,從而削弱了一半的溫度差異。然而,這種方案也有代價,如果是風冷可以使用風扇交替吹風來實現,但如果是液冷,在工程上就很難實現。

如果說一維設計似乎也不難理解,用大白話就能講清楚,那我們再看看二維的情況:左側爲對齊排列,右側爲錯開排列。


那我們還能憑直覺回答出來以下問題嗎

  • 在放電過程中,哪個溫升更高?
  • 在放電過程中,哪個溫度差異更大?
  • 在放電過程中,是否都是下游單體電池溫度更高?

事實上這就很難憑直覺來回答了,而需要藉助計算流體力學與傳熱學,用一堆偏微分方程來仿真了。


說到偏微分方程,我的頭已經開始大了……那我們還直接看看文獻[5]的結論吧

  • 在相同流量的情況下,錯落排列的散熱情況更好,溫升更低;但驅動冷卻載體的能量消耗要大爲增加。(個人直觀理解,對齊排列只能吹側面,而錯落排放可以吹正面,所以散熱效果更好,但流動阻力更大)
  • 隨着徑向距離增加,對齊排列的溫升會降低,而錯落排列的溫升恰恰相反。這點是反直覺的。
  • 兩種排列的溫度不一致性差不多,但溫度分佈規律差異很大。在錯落排列中,中游單體電池溫升最小,上游與下游單體電池的溫升都較大,這是反直覺的。

實際工程是比二維還要複雜的三維情況,而且還要考慮整車佈置的影響,電芯成組後的形狀可能不是完整的長方體,都會給電芯熱管理帶來更大的挑戰。例如 Tesla 的電池組就是不規則分佈,熱管理設計、仿真與測試的難度難以估量。


講到這裏,就可以體會到電池熱管理的難度了,我甚至開始慶幸自己不是幹這個崗位的,因爲這是真的難!

控制溫差的業界標杆

一般來說,合格的電池組要將溫度差異控制在±5°C以內。如果可以做到±2°C以內,那可以稱爲是優秀,能達到這個標準的有傳統車企巨頭通用汽車造車新勢力的領路人 Tesla

圓柱電芯的 Tesla

Tesla 使用的圓柱形電池接觸面比較小,散熱是個難點;18650單體電池容量小,所以電池組內的單體電池數量尤其多,更是增加了電池溫度一致性的難度。因此, Tesla 費了不少心思進行熱管理設計,從公開的專利中可以看出一些設計思路。

其一, Tesla 設計了蛇形散熱片。這樣每個散熱片的曲度和圓柱形吻合,大概可以做到大半個圓的接觸面積,促進電芯和外界的導熱,降低熱阻;每一條金屬片都會和左右兩邊的主散熱通道連接。


從實際的拆解圖來看,是每兩層之間有一個大的散熱帶,可能主要是爲了節約空間和重量。而實際散熱帶的佈置和走向,也並非像專利示意圖中這麼規整,而是呈現環狀。


其二, Tesla 採用類似前面提到的“雙向冷卻”方法,即對左右散熱通道的方向取反,左邊自下往上流,而右邊自上往下流,以防止上下溫度的不均衡。


從實際拆解的圖片來看,確實每個散熱單元都有四根水管接口,兩進兩出。


從另一張論文中的圖片可以看出,雖然原理很簡單,但兩路相反迴路的纏繞和佈置是相當複雜的,通過相反迴路來保證每個電芯散熱/加熱相對均衡。


這種設計,對詳細的熱流阻分析也是非常必要的,這是一個更復雜的學問(類似前面提到的二維情況下的計算流體力學與傳熱學仿真),在此不再展開。


方形電芯的通用Volt

相比於激進的 Tesla ,GM的Volt使用了較爲穩妥的方形電芯,同樣在熱管理方面下了不少功夫。由於方形電芯接觸面比較大,GM直接在每兩片電芯之間加了一個散熱棘片,通過棘片把熱量傳遞到下面的冷卻迴路裏面。


可能是由於散熱棘片的效果比 Tesla 那種蛇形的接觸面更大,且熱阻更小,通用並沒有設計雙向的流動來控制溫差,這可能也和Volt的電池包沒那麼多單體,整體均衡性比較好有關。

威馬EX5的熱管理設計

在控制溫差的熱管理設計方面,除了上面提到的 Tesla 、通用Volt兩個優秀案例,達到±2°C水平的還有威馬EX5. 除溫差控制外,威馬內部測試顯示16萬公里電池最大衰減率<5%,給出了8年15萬公里質保承諾,高於工信部的要求,信心應該是源自於自身的熱管理設計水平。

數據均來源於威馬官網及內部測試結果

圖片來源:威馬汽車官網

在公開資料中找到的細節設計並不多,因此在此只能做一個簡單分析:

  • 控制電芯的初始不一致性:在電芯組成模組之前,威馬要求電芯間電壓差小於25mV,模組間電壓差小於30mV,確保電池包初始狀態的內部電池容量均衡。俗話說,千里之堤,潰於蟻穴,若初始不一致性不好,則其它的一致性控制措施都將事倍功半。因此,對電芯初始不一致性控制,可能比預想的要重要得多。
  • 獨立液冷迴路:減小電機、DCDC系統工況對電池熱管理的影響。電芯模組底部佈置的鋁製水冷板導熱效率高、流動阻力低,實現更高的散熱效率;而鋁板與電芯之間覆蓋導熱硅脂(DIY電腦給CPU散熱的就是這個東西),提高了電芯與散熱板之間的導熱率,提高了散熱效率,也就更有利於電芯溫度一致性的控制。
並聯佈置的鋁製水冷板
  • 每個模組2個溫度傳感器:文獻[1]指出,溫度傳感器的測點數量、測點位置、測量精度對電池熱管理的控制精度有重要影響,因此威馬EX5每個電池模組配備了2個電芯溫度傳感器。從前文的二維設計溫度分佈圖可以看出,若知道模組兩點的溫度,就可以估計出整個溫度分佈。

但必須要指出的是:2個溫度傳感器僅是必要條件,對電池包的計算流體力學與傳熱學模型的透徹理解纔是最關鍵的因素,這纔是主機廠獨有的硬實力。

每個模組內部佈置2個溫度傳感器
相關文章
- Advertisment -

最受歡迎

你可能喜歡