面向高功率充放電應用的先進電動車電池熱管理技術

作者：時間：2023-01-11 來源：

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熱管理在整個電動車包括電池的系統(tǒng)里面，是一個非常重要的角色。一方面它是電池實現(xiàn)高效率充放電的一個前提，另外一個它也是電池安全運行的一個重要的保障。今天主要從這個角度來做個分享。

本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/202301/442546.htm

電動車在全球主要市場的增長超過預期

首先是一個大概的市場趨勢的分享，在過去的幾年里，特別是從2019年開始，在全球主要的市場上，電動車的發(fā)展和滲透速度是遠超預期的。

圖1

如圖可以看到這張圖以歐洲市場英國為例，可以看到英國的機動車的配置總成的一個大屏結(jié)構(gòu)，它的趨勢在過去的一年里面的一個個轉(zhuǎn)換。上面墨綠色的是BEV的市場份額?？梢钥吹教厥獾囊稽c是，里面雖然有很多波動，但在整個趨勢是處于快速增長的。到了今年，6月份左右，大概基本上會提高15%左右的水平。在中國市場上，這一個數(shù)字可能會更大。今年1月份開始雖然有很多不利的因素，比如是電池材料的價格大幅上漲，包括芯片的短缺，還有疫情的影響，但是我們第一季度國家電動車滲透率還是達到了23%的數(shù)據(jù)，這是非?？斓囊粋€增長速度。

圖2

第二個考慮可以看到全球OEM是以前所未有的力度和速度，在進行一個電氣化。如圖2顯示，大家可以看到眾多的OEM他們制定的零排放汽車，其實所謂的ZEV里面主要是包括電池車，就是BEV和燃料電池車。當然里面絕大部分都是BEV。他們制定的實現(xiàn)零排放汽車的一個時間條。整體來看圖中橙色部分是最多的，或者說很多OEM他們的規(guī)劃大概在2030年開始實現(xiàn)部分零排放，甚至是全部的零排放。可見整個市場向電動車的轉(zhuǎn)型是非?？焖俚摹?/p>

快速充電已成為電動車重要的差異化技術

隨著電動車整個市場的發(fā)展，同時就會引起電動車本身產(chǎn)品和技術的競爭也是日趨的激烈。之前在全球的主要市場上，做過一個市場調(diào)研。我們發(fā)現(xiàn)電動車如果要做到普及，其實需要跨越三個拐點。第一點是車價達到36000美金，第二點是每次充電續(xù)航里程要達到469公里，第三點是充電時間要達到31分鐘。

在上面這張圖可以看到，在過去十年當中，可以看到電動車的充電峰值功率其實是有一個很顯著的增長的。高功率的充電和超級擴充，它在市面上的需求其實是日益顯現(xiàn)的，為了實現(xiàn)快充，從電動車的技術或者設計角度來說，其實也需要做一些改變。

首先第一個是電動車的峰值充電功率不斷提高，這樣你可能需要要給更大的電池包，或者是更高的一個系統(tǒng)電壓，比如是從700V升高到800V ，甚至是更高的電壓平臺。第二個就是你充電的倍率也會增加，這樣就是要求有一個能夠支撐高倍率充電的電芯技術。第三個就是在充電過程中需要控制電芯的最高工作溫度以及電芯的均溫性，以確保電池的安全以及耐久性。

下面就聊下具體的熱管理系統(tǒng)是如何支撐大功率充電的。

我們?nèi)绻氲酱蠊β实某潆娀蛘呖斐洌紫染褪且岣叱潆姷姆逯倒β?，這樣就有一個問題是不是充電功率高，充電的時間就一定短？我們可以看到一個例子，左邊的圖

可以看到圖上墨綠色部分看到，第一輛車它的充電功率比較高，它的確會充進去的里程也是比較多，我們對比了兩輛車的充電行為，這兩輛車它們的充電的峰值功率是不一樣的。車輛A的充電峰值功率比較高，是250千瓦。車輛B它的充電峰值功率比較低是A的一半150千瓦。然后比較了他們20分鐘里面的充電可行使的里程數(shù)差異。一共充進去了149公里。車輛B只充進去了121公里稍微少一點，但是車輛A其實也沒有車輛B的兩倍。

再第二個充電十分鐘里面，車輛A只充進了72公里的里程，而車輛B充進了99公里的里程。所以這里可見充電的峰值功率高，并不意味這這個充電一定快。右邊的圖展示了三種不同的充電的策略，其中藍色的實線部分，你可以看到它的充電策略，是講它有一個很高的峰值功率，但這個峰值功率并不能持久，它很快。往下面就是一個高開低走的一個形狀。還有一個就是類似車輛A的一個充電策略。還有一個就是橙色部分，可以看到它的充電功率相對不是那么高可能是在150千瓦左右，但是它持續(xù)時間比較長，所以它整個在20分鐘里面，它其實充進去的電量和里程數(shù)跟策略1其實是基本相當?shù)?，也解釋了前面這兩輛車的對比的原因。

從這個角度看，要實現(xiàn)快速充電取決于兩個因素，一是峰值功率的大小，另一個是峰值功率可以維持的時間。作為理想的充電策略和充電曲線，如圖中紅色虛線部分所表示。它既有峰值的功率，又可以維持長時間。

那么為什么現(xiàn)實中不能實現(xiàn)這樣的充電情況呢？里面因素有很多，包括電芯的因素。其中有一個非常重要的瓶頸熱管理。因為你在高溫充電的時候，電芯里面發(fā)出大量的熱。如果超過熱管理系統(tǒng)的能力，BMS為了安全它會有一個限流，會降低一個功率。下面我們可以看一下具體的熱管理的一些原理或者對比。

這里是常見的一些電動車熱管理結(jié)構(gòu)，主要的就是分為風冷、間接水冷和浸沒式液冷這三種方式。當然其他還有一些別的方式。這三個可能是比較主要的，針對不同的設計，包括比如是圓柱的或者是兩包的，或者是方殼的，它具體的設計可能會有一些不一樣。比如第一種風冷，它的功質(zhì)，環(huán)境里面的空氣跟熱源、電芯是直接接觸的，所以它也是一種直接冷卻。但它的問題在于，空氣本身是一個熱的不良導體，它同時受到環(huán)境的溫度一個很大的影響，所以風冷的能力是非常有限的。第二種就是間接液冷，是現(xiàn)在市場上一個主流的一個冷卻方式，它用的是水合乙二醇的混合物，它本身就是解決了工質(zhì)傳熱的一個問題是一個很好的流體。他的問題就是因為他能做到絕對的絕緣，它的熱源和它散熱的并不能直接接觸，所以是一種間接冷卻的一些方式。浸沒式的直接冷卻相當于解決了前面兩種技術里面的一些問題，一些短板。液體跟熱源跟電芯是直接接觸的。本身有比較好的散熱能力，從傳入的角度講，它會是一個比較理想的一個技術。