天勁股份彭剛柔:軟包動力電池組熱管理方案探討
發布時間:2018-11-09 12:07:00
關鍵詞:CBIS 鋰想峰會

天勁股份彭剛柔:軟包動力電池組熱管理方案探討

圖為天勁股份彭剛柔在CBIS2018“鋰想”峰會上發表主題演講

 

戳此進入峰會官方專題,了解更多會議信息:“鋰想”2018第三屆動力電池應用國際峰會(CBIS2018)

 

2018年11月8日,以“新時代·破而立:前行中的產業轉折之路”為主題的“鋰想”2018第三屆動力電池應用國際峰會(CBIS2018)在北京興基伯爾曼飯店開幕。天勁股份研究院副院長、高級研發工程師彭剛柔在峰會上發表主題演講,以下為主題演講內容。


天勁股份彭剛柔


尊敬的院士、專家、主辦方、各位朋友,大家上午好!我是來自廣東天勁科技股份有限公司的彭剛柔,我今天講的主題是“軟包動力電池組熱管理方案探討”。事實上這個問題牽扯的還是挺多的,有一定的復雜性,這么短時間里面也只是做一個泛泛而談吧。

    

這是今天發言的一個目錄,首先我們先回顧一些背景信息,聊一聊動力電池發熱模型的建立,對于一個熱管理工程師,你可能會接觸到很多導熱材料或者其他的一些新型材料,這里對應用場景做一個簡單的描述。現在動力電池的能量密度越來越高,液冷系統也成為一個標配,這里簡單概述一個液冷系統大概包含哪些部分,設計過程當中有哪些問題我們可以注意一下的,最后對整個發言進行一個小結。

    

新能源汽車管理系統通常包含這些部分,空調系統,如果它是一輛混合動力車的話,可能還要對發動機冷卻和傳統冷卻進行考慮,熱管理在汽車節能、環保、安全、舒適性方面都有重要的作用,尤其是電動車的電池熱管理非常重要,直接關乎到我們動力電池的安全性、性能和使用壽命等等。

    

眾所周知,在電池工作的過程當中,無論是充電、放電過程當中都會產生熱量的累計,造成各處溫度的不均勻,從而影響到工作狀態一致性的問題。所以我們就希望通過電池熱管理系統能夠讓我們的動力電池發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,通常在高溫的時候進行散熱、在低溫的時候進行預熱,遇到電池差異的時候進行預熱這樣的功能。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出更多長續駛里程的新能源汽車,并且進入更廣泛的消費系統當中,這是行業的機遇。這個過程當中我們也遇到了產熱量增高、散熱要求提高以及維護場景復雜化的一系列挑戰,因此我想說的是,建立一個完善的熱管理解決方案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對熱度問題當然有一定的考量了,在我們現行的強制性國家標準當中也納入了熱失控和熱擴散的一些內容,當然這個還不是很完善,要對更多的常規使用的過程有更多的細則,大家認為熱管理系統的市場規模在國內、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,一個系統熱管理的流程,首先我們肯定是要根據整車的工況,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、空間質量進行綜合考量,確認在整個熱管理系統當中我們需要考察哪幾個子系統,具體的設計當中,從概念設計、實際設計和優化驗證整個過程當中,我們也充分接近一些熱分析的技術方式,這樣保證我們整個設計形成一個合理的閉環。

    

熱管理工程師,他需要建立的模型就是我們動力電池的發熱模型,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,比如說電化學和熱模型,在高校和科研機構當中也做了很多的工作,但是事實上對于供電企業來說,因為電化學的模型有很多的函數是需要去標定的,我們認為這個是比較困難的,尤其是現在大家越來越強調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,基本上依據我們在電池企業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,我們只需要把電池拿出來檢測一下就可以知道變化過程。這個模型過程挺簡單的,六個方程對應六個未知數,解出來以后我們可以知道電池在正負極的交接面上的放電深度、開路電壓、極化導電率、電流密度、正負極電池的分布情況,得到這些數據以后我們的電芯工程師就可以對放電均勻程度進行評估,來幫助我們去做電芯的優化設計,熱管理工程師就可以求出它發熱率的情況,并且考察整個電池的集成體電池包溫度的變化過程。

    

優化電芯尺寸,平衡電量和溫度的關系,最終我們結構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,比如開路電壓,這是一個標準測試,就是恒溫情況下的結果,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放電過程中熱功率變化的情況。

    

這是準確性的對比,我們認為基本上比較準確的抓取了電池放電動態過程中的熱力值,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過程當中的分析,也是熱管理工程師起始的工作狀態。事實上發熱模型還應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EV—ARC,所以在家里我就可以去將溫度、溫升速率、在失控過程當中的發熱功率進行測試,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,和一旦出現一些災難性的情況我們應當如何去應對。

    

這個圖是來自清華實驗室,我們通過得到一些實驗數據,可以建立一些線下模型,對整個施工過程當中的溫度和熱功率的變化進行一些勾勒,這樣有助于我們設計對應的應對措施,比如我們知道熱功率需要設計相應的隔熱層,盡量減少熱擴散的可能性,包括對時間進程的預估,可以幫助我們設計整個電池動力系統在危險情況下的控制策略以及對逃逸時間的評估。

    

對于熱設計工程師可能會接觸到各種各樣的導熱材料,我想這個過程當中還是要根據實際應用的情況,這兩個爆炸圖是天津對物流車項目的兩種標準的爆炸圖,因為我們是主要做軟包動力電池,所以在熱方面,這種薄形片層狀的電池,我們應該充分利用它的表面導熱率相對較高的特點,充分利用它的側邊導熱的優勢。

    

我們先看右邊這個圖,右邊那個圖就是我們所謂側邊導熱,又是一個設計概念,因為通過涂覆這樣的導熱材料,我們希望建立電芯向模組外殼的導熱路徑,為了實現這樣一個設計概念,我們也嘗試了不同體系的導熱材料,國內、國外不同品牌的都有,給我的感覺是,我覺得國內的這些材料在一些理化特性上、性能指標上做的已經很不錯了,但是形態和流變學的考量上還差很遠,比如說國外的這些企業通常都會設有流變工程師或者流變科學家,他們對整個材料的形態會有更好的把握,這樣有助于我們把材料有效并且平穩鋪覆在導熱交界面上,這樣的過程直接關乎到工藝設計和工藝實現的過程,最終對整個電池工作的一致性產生影響。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,有些人甚至會說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試驗,測試它的連續工作的能力,我們看一看,在多少周的循環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的潛熱消能區溫升有一定平緩的作用,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,在多周循環之后逐漸在一個比較平穩的過渡段,逐步達到一個穩態的情況,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,但是數據上還是會有一些偏差,事實上也就是證明了我們在模組設計熱組的過程當中也應當積極做一些優化的設計,提高我們導熱材料的使用效率。

    

液冷系統,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成為標配,常規的一個液冷系統要由水泵、冷板等等一系列組成,這樣一張圖基本上表征了液冷系統所包含的各個部件。

    

在整體設計過程當中,我覺得有一些問題是需要去照顧到的。首先是設計目標的確認,主要包括電芯溫度、溫差、系統壓降空間體系的要求,比如5度以內的溫差,20—30千帕的壓降控制,基于這樣的設計目標,我們就可以把整個系統細分為好幾個不同的子系統,比如說傳熱路徑、液冷回路、冷板策略設計、結構設計、目標設計,傳熱路徑設計主要是在不同的結點上把電量從核心的發熱區域傳遞到可操作的區域,回路設計主要就是流量的穩定性,我們不希望在整個流程當中出現流量過大的偏差,還有冷卻策略,什么時候開、什么時候關,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動上面,而不是輔助功能上面,這也是優化設計方案的過程。

    

另外結構設計,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需要工程師去反復驗證,最后實現驗證就有比如理化指標、性能的保證。

    

這里主要提取三個比較重要的問題,去引起大家更多的重視,我們知道電池是一個活躍的化學體系,它工作的時候它的熱功率是一個變化的曲線,即便持續放熱過程中熱功率是不斷變化的,更不用說我們平常開發過程中討論比如NEDC工況等等。第二點,冷卻策略的設計,直接關乎到整個系統的能量效率和優化的情況。

    

第三個問題是第二個問題的延伸,比如北京冬天零下5度需要什么樣的新能源車,我可能需要去熱車,但是問題是,包括我的熱車策略是希望有15度流到水冷系統當中去,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,就是說在實際使用場景當中,尤其是偏極限一些的使用場景當中我們一定會出現液冷或者液流功率不足的情況,這種使用過程需要大家細化分析的。我如果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度的夏天道理是一樣的,都會有一個功率不足的時間段,這涉及到我們整個液冷設計過程當中能量收斂的問題。

    

這個圖就是一個簡單的液冷系統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技術也在應用到我們的實際工作當中。

    

最后小結一下,熱管理工作越來越受關注,這個當然是一件好事。建立合理的熱模型是我們工作的起點。新材料的導入和導熱材料的使用是在我們建立整個熱設計方案過程當中很有意義的。最終,液冷系統有很多內容需要去考察,并且積極用CFD模型能夠輔助我們設計。


(根據嘉賓現場演講整理,未經本人審閱)


稿件來源: 電池中國網
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