天勁股份彭剛?cè)幔很洶鼊?dòng)力電池組熱管理方案探討
圖為天勁股份彭剛?cè)?/span>在CBIS2018“鋰想”峰會(huì)上發(fā)表主題演講
戳此進(jìn)入峰會(huì)官方專題，了解更多會(huì)議信息：“鋰想”2018第三屆動(dòng)力電池應(yīng)用國(guó)際峰會(huì)(CBIS2018)
2018年11月8日，以“新時(shí)代·破而立：前行中的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)折之路”為主題的“鋰想”2018第三屆動(dòng)力電池應(yīng)用國(guó)際峰會(huì)(CBIS2018)在北京興基伯爾曼飯店開(kāi)幕。天勁股份研究院副院長(zhǎng)、高級(jí)研發(fā)工程師彭剛?cè)?/span>在峰會(huì)上發(fā)表主題演講，以下為主題演講內(nèi)容。
天勁股份彭剛?cè)?/span>：
尊敬的院士、專家、主辦方、各位朋友，大家上午好！我是來(lái)自廣東天勁科技股份有限公司的彭剛?cè)幔医裉熘v的主題是“軟包動(dòng)力電池組熱管理方案探討”。事實(shí)上這個(gè)問(wèn)題牽扯的還是挺多的，有一定的復(fù)雜性，這么短時(shí)間里面也只是做一個(gè)泛泛而談吧。
這是今天發(fā)言的一個(gè)目錄，首先我們先回顧一些背景信息，聊一聊動(dòng)力電池發(fā)熱模型的建立，對(duì)于一個(gè)熱管理工程師，你可能會(huì)接觸到很多導(dǎo)熱材料或者其他的一些新型材料，這里對(duì)應(yīng)用場(chǎng)景做一個(gè)簡(jiǎn)單的描述。現(xiàn)在動(dòng)力電池的能量密度越來(lái)越高，液冷系統(tǒng)也成為一個(gè)標(biāo)配，這里簡(jiǎn)單概述一個(gè)液冷系統(tǒng)大概包含哪些部分，設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中有哪些問(wèn)題我們可以注意一下的，最后對(duì)整個(gè)發(fā)言進(jìn)行一個(gè)小結(jié)。
新能源汽車管理系統(tǒng)通常包含這些部分，空調(diào)系統(tǒng)，如果它是一輛混合動(dòng)力車的話，可能還要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻和傳統(tǒng)冷卻進(jìn)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作用，尤其是電動(dòng)車的電池?zé)峁芾矸浅Ｖ匾苯雨P(guān)乎到我們動(dòng)力電池的安全性、性能和使用壽命等等。
眾所周知，在電池工作的過(guò)程當(dāng)中，無(wú)論是充電、放電過(guò)程當(dāng)中都會(huì)產(chǎn)生熱量的累計(jì)，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(wèn)題。所以我們就希望通過(guò)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)能夠讓我們的動(dòng)力電池發(fā)揮最佳的性能和壽命周期，并且將整個(gè)電池包的溫度控制在一個(gè)合理的范圍之內(nèi)，通常在高溫的時(shí)候進(jìn)行散熱、在低溫的時(shí)候進(jìn)行預(yù)熱，遇到電池差異的時(shí)候進(jìn)行預(yù)熱這樣的功能。之前的專家報(bào)告中提到，我們能量密度做的越來(lái)越高，這樣有機(jī)會(huì)讓我們生產(chǎn)出更多長(zhǎng)續(xù)駛里程的新能源汽車，并且進(jìn)入更廣泛的消費(fèi)系統(tǒng)當(dāng)中，這是行業(yè)的機(jī)遇。這個(gè)過(guò)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(hù)場(chǎng)景復(fù)雜化的一系列挑戰(zhàn)，因此我想說(shuō)的是，建立一個(gè)完善的熱管理解決方案是對(duì)新能源汽車安全問(wèn)題一個(gè)非常重要的組成部分。
事實(shí)上從這個(gè)層面上已經(jīng)對(duì)熱度問(wèn)題當(dāng)然有一定的考量了，在我們現(xiàn)行的強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)中也納入了熱失控和熱擴(kuò)散的一些內(nèi)容，當(dāng)然這個(gè)還不是很完善，要對(duì)更多的常規(guī)使用的過(guò)程有更多的細(xì)則，大家認(rèn)為熱管理系統(tǒng)的市場(chǎng)規(guī)模在國(guó)內(nèi)、國(guó)際都有很大的提升，也代表大家對(duì)熱的問(wèn)題越來(lái)越重視。
這樣一張圖，我們自己總結(jié)，一個(gè)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(duì)我們電池組的充放電工況，電池的選擇方式、空間質(zhì)量進(jìn)行綜合考量，確認(rèn)在整個(gè)熱管理系統(tǒng)當(dāng)中我們需要考察哪幾個(gè)子系統(tǒng)，具體的設(shè)計(jì)當(dāng)中，從概念設(shè)計(jì)、實(shí)際設(shè)計(jì)和優(yōu)化驗(yàn)證整個(gè)過(guò)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(gè)設(shè)計(jì)形成一個(gè)合理的閉環(huán)。
熱管理工程師，他需要建立的模型就是我們動(dòng)力電池的發(fā)熱模型，事實(shí)上這類模型很多，大家隨便去搜索一下各類文獻(xiàn)、文檔，會(huì)有很多表述，比如說(shuō)電化學(xué)和熱模型，在高校和科研機(jī)構(gòu)當(dāng)中也做了很多的工作，但是事實(shí)上對(duì)于供電企業(yè)來(lái)說(shuō)，因?yàn)殡娀瘜W(xué)的模型有很多的函數(shù)是需要去標(biāo)定的，我們認(rèn)為這個(gè)是比較困難的，尤其是現(xiàn)在大家越來(lái)越強(qiáng)調(diào)BOL和EOL全生命周期對(duì)電池性能的評(píng)估，這樣我覺(jué)得電熱模型可能會(huì)更合適一些，這邊舉例比如電熱模型，基本上依據(jù)我們?cè)陔姵仄髽I(yè)中大量擁有的一些標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試的充放電試驗(yàn)，就可以對(duì)整個(gè)過(guò)程進(jìn)行勾勒，我們只需要把電池拿出來(lái)檢測(cè)一下就可以知道變化過(guò)程。這個(gè)模型過(guò)程挺簡(jiǎn)單的，六個(gè)方程對(duì)應(yīng)六個(gè)未知數(shù)，解出來(lái)以后我們可以知道電池在正負(fù)極的交接面上的放電深度、開(kāi)路電壓、極化導(dǎo)電率、電流密度、正負(fù)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(duì)放電均勻程度進(jìn)行評(píng)估，來(lái)幫助我們?nèi)プ鲭娦镜膬?yōu)化設(shè)計(jì)，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(gè)電池的集成體電池包溫度的變化過(guò)程。
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(guò)這樣一個(gè)模型實(shí)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(duì)整個(gè)電池進(jìn)行總結(jié)，比如開(kāi)路電壓，這是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試，就是恒溫情況下的結(jié)果，從實(shí)測(cè)都可以得到，通過(guò)比對(duì)，提高我們模型的準(zhǔn)確性，最終我們得到這是一個(gè)持續(xù)放電過(guò)程中熱功率變化的情況。
這是準(zhǔn)確性的對(duì)比，我們認(rèn)為基本上比較準(zhǔn)確的抓取了電池放電動(dòng)態(tài)過(guò)程中的熱力值，這樣我們也就有機(jī)會(huì)對(duì)模組或者整包或者不同的備件條件進(jìn)行分析，這部分就是電池常規(guī)過(guò)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(shí)上發(fā)熱模型還應(yīng)該包括對(duì)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(guò)程當(dāng)中的情況，我個(gè)人比較幸運(yùn)，因?yàn)樵谔旖蛭覀冑?gòu)置了這么一臺(tái)EV—ARC，所以在家里我就可以去將溫度、溫升速率、在失控過(guò)程當(dāng)中的發(fā)熱功率進(jìn)行測(cè)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(duì)。
這個(gè)圖是來(lái)自清華實(shí)驗(yàn)室，我們通過(guò)得到一些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以建立一些線下模型，對(duì)整個(gè)施工過(guò)程當(dāng)中的溫度和熱功率的變化進(jìn)行一些勾勒，這樣有助于我們?cè)O(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施，比如我們知道熱功率需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的隔熱層，盡量減少熱擴(kuò)散的可能性，包括對(duì)時(shí)間進(jìn)程的預(yù)估，可以幫助我們?cè)O(shè)計(jì)整個(gè)電池動(dòng)力系統(tǒng)在危險(xiǎn)情況下的控制策略以及對(duì)逃逸時(shí)間的評(píng)估。
對(duì)于熱設(shè)計(jì)工程師可能會(huì)接觸到各種各樣的導(dǎo)熱材料，我想這個(gè)過(guò)程當(dāng)中還是要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的情況，這兩個(gè)爆炸圖是天津?qū)ξ锪鬈図?xiàng)目的兩種標(biāo)準(zhǔn)的爆炸圖，因?yàn)槲覀兪侵饕鲕洶鼊?dòng)力電池，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(duì)較高的特點(diǎn)，充分利用它的側(cè)邊導(dǎo)熱的優(yōu)勢(shì)。
我們先看右邊這個(gè)圖，右邊那個(gè)圖就是我們所謂側(cè)邊導(dǎo)熱，又是一個(gè)設(shè)計(jì)概念，因?yàn)橥ㄟ^(guò)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(shí)現(xiàn)這樣一個(gè)設(shè)計(jì)概念，我們也嘗試了不同體系的導(dǎo)熱材料，國(guó)內(nèi)、國(guó)外不同品牌的都有，給我的感覺(jué)是，我覺(jué)得國(guó)內(nèi)的這些材料在一些理化特性上、性能指標(biāo)上做的已經(jīng)很不錯(cuò)了，但是形態(tài)和流變學(xué)的考量上還差很遠(yuǎn)，比如說(shuō)國(guó)外的這些企業(yè)通常都會(huì)設(shè)有流變工程師或者流變科學(xué)家，他們對(duì)整個(gè)材料的形態(tài)會(huì)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(guò)程直接關(guān)乎到工藝設(shè)計(jì)和工藝實(shí)現(xiàn)的過(guò)程，最終對(duì)整個(gè)電池工作的一致性產(chǎn)生影響。為了驗(yàn)證這樣一個(gè)想法，我們做了一個(gè)挺笨的試驗(yàn)，我們把這個(gè)導(dǎo)熱材料直接生成在絕緣膜上，用它把電池包起來(lái)放在模組里面做一些充放電試驗(yàn)，事實(shí)證明通過(guò)這樣一個(gè)簡(jiǎn)單的辦法可以把內(nèi)外的溫差進(jìn)行減小，也通過(guò)這樣一個(gè)簡(jiǎn)單的事例介紹一下傳熱路徑建立的基本概念。
PCM，這個(gè)相變材料也是大家討論比較熱烈的材料，有些人甚至?xí)f(shuō)它會(huì)自立門戶成為新的散熱方式，我倒不這么認(rèn)為，但是它是很有趣的材料，所以我們也做了一個(gè)模組試驗(yàn)。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(shí)上我們也做了一系列的試驗(yàn)，我這邊給出的是一個(gè)循環(huán)試驗(yàn)，測(cè)試它的連續(xù)工作的能力，我們看一看，在多少周的循環(huán)之后整個(gè)模組會(huì)趨近于一個(gè)報(bào)警溫度，通過(guò)這樣一個(gè)圖表可以看出，在PCM的潛熱消能區(qū)溫升有一定平緩的作用，事實(shí)上這個(gè)時(shí)間并不是很長(zhǎng)，并不像我們?cè)诟拍罱榻B的時(shí)候的平臺(tái)，但是其實(shí)這并不是很明顯的，這個(gè)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(gè)比熱比較大的材料，在后續(xù)的過(guò)程中確實(shí)起到比較好的功能，我們可以看到這個(gè)試驗(yàn)，在多周循環(huán)之后逐漸在一個(gè)比較平穩(wěn)的過(guò)渡段，逐步達(dá)到一個(gè)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(gè)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(huì)有一些偏差，事實(shí)上也就是證明了我們?cè)谀＝M設(shè)計(jì)熱組的過(guò)程當(dāng)中也應(yīng)當(dāng)積極做一些優(yōu)化的設(shè)計(jì)，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(lái)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(biāo)配，常規(guī)的一個(gè)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(gè)部件。
在整體設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中，我覺(jué)得有一些問(wèn)題是需要去照顧到的。首先是設(shè)計(jì)目標(biāo)的確認(rèn)，主要包括電芯溫度、溫差、系統(tǒng)壓降空間體系的要求，比如5度以內(nèi)的溫差，20—30千帕的壓降控制，基于這樣的設(shè)計(jì)目標(biāo)，我們就可以把整個(gè)系統(tǒng)細(xì)分為好幾個(gè)不同的子系統(tǒng)，比如說(shuō)傳熱路徑、液冷回路、冷板策略設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、目標(biāo)設(shè)計(jì)，傳熱路徑設(shè)計(jì)主要是在不同的結(jié)點(diǎn)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(jì)主要就是流量的穩(wěn)定性，我們不希望在整個(gè)流程當(dāng)中出現(xiàn)流量過(guò)大的偏差，還有冷卻策略，什么時(shí)候開(kāi)、什么時(shí)候關(guān)，牽扯到整個(gè)電池包能量效率的問(wèn)題，我們最終還是希望更多的能量用于驅(qū)動(dòng)上面，而不是輔助功能上面，這也是優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的過(guò)程。
另外結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)行檢查的時(shí)候他也要通過(guò)一系列的檢測(cè)措施，所以包括漏液方面的評(píng)估也是需要工程師去反復(fù)驗(yàn)證，最后實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證就有比如理化指標(biāo)、性能的保證。
這里主要提取三個(gè)比較重要的問(wèn)題，去引起大家更多的重視，我們知道電池是一個(gè)活躍的化學(xué)體系，它工作的時(shí)候它的熱功率是一個(gè)變化的曲線，即便持續(xù)放熱過(guò)程中熱功率是不斷變化的，更不用說(shuō)我們平常開(kāi)發(fā)過(guò)程中討論比如NEDC工況等等。第二點(diǎn)，冷卻策略的設(shè)計(jì)，直接關(guān)乎到整個(gè)系統(tǒng)的能量效率和優(yōu)化的情況。
第三個(gè)問(wèn)題是第二個(gè)問(wèn)題的延伸，比如北京冬天零下5度需要什么樣的新能源車，我可能需要去熱車，但是問(wèn)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(wèn)題是大部分情況下在這個(gè)使用場(chǎng)景下可能沒(méi)有辦法很快把溫度從零下加熱到15度的狀態(tài)，就是說(shuō)在實(shí)際使用場(chǎng)景當(dāng)中，尤其是偏極限一些的使用場(chǎng)景當(dāng)中我們一定會(huì)出現(xiàn)液冷或者液流功率不足的情況，這種使用過(guò)程需要大家細(xì)化分析的。我如果可以把事情做得更細(xì)致一點(diǎn)，這樣會(huì)更好，包括比如說(shuō)深圳35度的夏天道理是一樣的，都會(huì)有一個(gè)功率不足的時(shí)間段，這涉及到我們整個(gè)液冷設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中能量收斂的問(wèn)題。
這個(gè)圖就是一個(gè)簡(jiǎn)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(guò)剛才那個(gè)圖也是想說(shuō)明一下我們CFD技術(shù)也在應(yīng)用到我們的實(shí)際工作當(dāng)中。
最后小結(jié)一下，熱管理工作越來(lái)越受關(guān)注，這個(gè)當(dāng)然是一件好事。建立合理的熱模型是我們工作的起點(diǎn)。新材料的導(dǎo)入和導(dǎo)熱材料的使用是在我們建立整個(gè)熱設(shè)計(jì)方案過(guò)程當(dāng)中很有意義的。最終，液冷系統(tǒng)有很多內(nèi)容需要去考察，并且積極用CFD模型能夠輔助我們?cè)O(shè)計(jì)。
（根據(jù)嘉賓現(xiàn)場(chǎng)演講整理，未經(jīng)本人審閱）
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