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Ope客户端-怎么从技能层面上看待国内电动汽车“软实力“?

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什么是电池热办理?

电池的习性与人相似,它既受不了太热,也不喜欢太冷,最适合的工作温度在10-30C之间。而轿车的工作环境十分广大,零下20-50C都很常见,那怎么办呢?那就给电池配个空调吧,以完成热办理的3个功用:

  • 散热:温度过高时,电池会折寿(容量衰减),暴毙(热失控)危险添加。因而,温度过高时,就需求散热。
  • 加热:温度过低时,电池会折寿(容量衰减)、虚弱(功用衰减),若此刻充电还会埋下暴毙危险(析锂导致的内短路存在引发热失控的危险,上海特斯拉自燃或许是此原因)。因而,温度过低时,就需求加热(或保温)。
  • 温度共同性:我还记得90年代的前期空调,发动起来就一阵凉风猛吹,吹完就歇一会。而现在的空调,大多具有了变频与盘绕吹风功用,意图便是为了坚持温度在时刻与空间两个维度上的共同性。相似地,动力电池也需求尽或许下降温度在空间上的差异性

温度共同性有多重要?

从“质”与“量”两个视点来看,假如说散热与加热功用是热办理的“量”那么坚持温度共同性便是热办理的“质”

在架构规划阶段,电池被当作一个全体看待,从外部界说冷却/加热水流量、Ope客户端-怎么从技能层面上看待国内电动汽车“软实力“?进水口温度和出水口温度等目标。规划的热办理才能越强,电池体系的适应性就越强:夏天能够正常输出大功率,冬季也能快速发动。

打个比如,相同大的客厅,5匹的空调便是会比3匹空调更凉爽。点评散热与加热功用,便是考量它能否完成更强的散热/加热“量”,一起尽或许地不添加太多分量、体积、能耗、制作与保护本钱。比如说,我曾经在冬季续航折半,是电动轿车的宿命吗?这篇文章中比较过冬季加热的办法,假如是在东北极寒之地,再牛逼的PTC、热泵,加热才能都不如一台粗犷的柴油加热器啊。

对空调来说,最重要的是制冷制热是否给力,至于变频与盘绕吹风功用,至少对我这个大老爷们来说,是可有可无的。可是,关于电池来说,坚持温度共同性与前两个功用平等重要,这源于以下三点:

  • 木桶效应电池体系的功用、可靠性取决于最弱的一个电芯,体系的安全性取决于最不安稳的一个电芯

举一个工程上的实践比如,下图是某类型三元锂电芯最大放电电流随温度改动的曲线,能够看出电芯的功用和温度联系十分大。假定大部分电芯温度为20度,而电芯B因为加热慢温度只要10度,那么整个电池包都必须姑息B电芯,放电电流被逼从140A下降到100A,功用下降了三分之一,可谓是“一颗老鼠屎坏了一锅粥”。


  • 二次不共同性工作温度差异是形成二次不共同性的首要原因。单体电池出厂时带有的固有个体差异称为一次不共同性,在运用进程中逐步加大的单体电池差异称为二次不共同性。

一次不共同性首要反响了电芯厂商的制作与测验水平。它的发生原因很杂乱,包含出产共同性、电极层均匀度、电解液总量与浸透度、杂质混入程度与方位等。七八年,国内先进厂家的电池容量差异能够做到3%,而世界先进厂商能够做到0.3%[1]。经过这几年的奋勇赶上,国内的电池也能够将一次不共同性

二次不共同性首要反响了主机厂的体系集成水平,特别是热办理规划水平。也便是说,即使买到的电芯再好,假如主机厂的体系集成才能差,在运用进程中也会逐步扩展单体差异,带来功用阑珊与安全危险。

  • 链式反响:电池差异扩展是一个突变进程,或许仅仅容量偏小5%、内阻偏大10%的状况;但最弱的环节引发电池包的热失控却是一个突发进程,为什么会这样呢?原因就在于链式反响

注:链式反响是一种形象的比方,并非严厉的学术概念。最早出处是@姚昌晟的文章[2]。

链式反响的榜首个意义是指,电池的副反响通常是放热的,若散热条件欠好,放热的副反响有或许引起更高温度的副反响,乃至到达450度引起电解液焚烧。

电池副反响及反响温度

链式反响的第二个意义是指,单体电池的热失控会很多放热,若单体电池之间的隔热/散热条件欠好,热量有或许引发相邻电池的热失控,然后引发整个模组(module)乃至整个电池包(Pack)的热失控。上海特斯拉自燃事端中,一共烧掉了4个模组,假如不是采取了消防办法,很多喷水使其降温,最或许的成果是其他模组也被引焚烧光。

单体电池热失控引发相领单体的热失控[3]

由此可见,作为电池热办理的代表性功用,温度共同功用够作为衡量电池办理技能凹凸的中心目标之一。考虑到木桶效应、二次不共同性和链式反响,若温度共同性做得欠好,成果不仅仅是功用阑珊那么简略,乃至或许会带来“千里之堤,毁于蚁穴“的惨案。

保证温度共同性难度有多大?

下降单体电池间的温度差异,首要取决于散暖流道规划

首要考虑最简略的一维规划,图(a)是最简略的规划,冷却载体(风冷为空气、液冷为水或冷却液)十二影城从左向右活动,这会带来一个问题:右侧的冷却液温度较高,散热作用较差,最右侧单体电池的温度就会明显高于最左面。

图(b)进行了一些改进,楔形流道使得右侧的冷却载体流速加速,对冲了冷却液温度较高的要素,然后使得作用好于图(a)。问题是电池包内部是寸土寸金,楔形的视点不或许规划得很大,所以这种规划的作用也不会比图(a)好太多。

图(c)是规划了一个往复流道,冷却液周期性地改动流向,然后削弱了一半的温度差异。但是,这种计划也有价值,假如是风冷能够运用电扇替换吹风来完成,但假如是液冷,在工程上就很难完成。

(a)简略流道 (b)楔形流道 (c)往复流道 [4]

假如说一维规划好像也不难了解,用大白话就能讲清楚,那咱们再看看二维的状况:左面为对齐摆放,右侧为错开摆放。那咱们还能凭直觉答复出来以下问题吗

  • 在放电进程中,哪个温升更高?
  • 在放电进程中,哪个温度差异更大?
  • 在放电进程中,是否都是下流单体电池温度更高?

事实上这就很难凭直觉来答复了,而需求凭借核算流体力学与传热学,用一堆偏微分方程来仿真了。

说到偏微分方程,我的头现已开端大了……那咱们还直接看看文献[5]的定论吧

在相同流量的状况下,参差摆放的散热状况更好,温升更低;但驱动冷却载体的能量消耗要大为添加。(个人直观了解,对齐摆放只能吹旁边面,而参差排放能够吹正面,所以散热作用更好,但活动阻力更大)

跟着径向间隔添加,对齐摆放的温升会下降,而参差摆放的温升恰恰相反。这点是反直觉的。

两种摆放的温度不共同性差不多,但温度散布规则差异很大。在参差摆放中,中游单体电池温升最小,上游与下流单体电池的温升都较大,这是反直觉的。

实践工程是比二维还要杂乱的三维状况,并且还要考虑整车安置的影响,电芯成组后的形状或许不是完好的长方体,都会给电芯热办理带来更大的应战。例如特斯拉的电池组便是不规则散布,热办理规划、仿真与测验的难度难以估量。

讲到这儿,就能够体会到电池热办理的难度了,我乃至开端幸亏自己不是干这个岗位的,因为这是真的难!

操控温差的业界标杆

一般来说,合格的电池组要将温度差异操控在5C以内[1]。假如能够做到2C以内,那能够称为是优异,能到达这个规范的有传统车企巨子通用轿车造车新势力的领路人特斯拉

圆柱电芯的特斯拉

特斯拉运用的圆柱形电池触摸面比较小,散热是个难点;18650单体电池容量小,所以电池组内的单体电池数量特别多,更是添加了电池温度共同性的难度。因而,特斯拉费了不少心思进行热办理规划,从揭露的专利中能够看出一些规划思路。

其一,特斯拉规划了蛇形散热片。这样每个散热片的曲度和圆柱形符合,大约能够做到大半个圆的触摸面积,促进电芯和外界的导热,下降热阻;每一条金属片都会和左右两头的主散热通道衔接。

从实践的拆解图来看,是每两层之间有一个大的散热带,或许首要是为了节省空间和分量。而实践散热带的安置和走向,也并非像专利暗示图中这么规整,而是出现环状。

其二,特斯拉选用相似前面说到的“双向冷却”办法,即对左右散热通道的方向取反,左面自下往上流,而右边自上往下流,以避免上下温度的不均衡。

从实践拆解的图片来看,的确每个散热单元都有四根水管接口,两进两出。

从另一张论文中的图片能够看出,尽Ope客户端-怎么从技能层面上看待国内电动汽车“软实力“?管原理很简略,但两路相反回路的环绕和安置是适当杂乱的,经过相反回路来保证每个电芯散热/加热相对均衡。

这种规划,对具体的暖流阻剖析也是十分必要的,这是一个更杂乱的学识(相似前面说到的二维状况下的核算流体力学与传热学仿真),在此不再打开。

方形电芯的通用Volt

比较于急进的特斯拉,GM的Volt运用了较为保险的方形电芯,相同在热办理方面下了不少功夫。因为方形电芯触摸面比较大,GM直接在每两片电芯之间加了一个散热棘片,经过棘片把热量传递到下面的冷却回路里边。

或许是因为散热棘片的作用比特斯拉那种蛇形的触摸面更大,且热阻更小,通用并没有规划双向的活动来操控温差,这或许也和Volt的电池包没那么多单体,全体均衡性比较好有关。

威马Ex5的热办理规划

在操控温差的热办理规划方面,除了上面说到的特斯拉、通用Volt两个优异事例,到达2C水平的还有威马EX5. 除温差操控外,威马内部测验显现16万公里电池最大衰减率<5%,给出了8年15万公里质保许诺,高于工信部的要求,决心应该是源自于本身的热办理规划水平。

数据均来历于威马官网及内部测验成果

图片来历:威马轿车官网

回到文章最初的问题,作为“性价比旗舰“,除了用料好、价格实惠之外,热办理规划或许是威马Ex5三电体系的独特技能。惋惜在揭露资猜中找不对劲的细节规划并不多,不知道是不是出于保密的考虑,因而在此只能做一个简略剖析:

  • 操控电芯的初始不共同性:在电芯组成模组之前,威马要求电芯间电压差小于25mV,模组间电压差小于30mV,保证电池包初始状况的内部电池容量均衡。俗话说,千里之堤,溃于蚁穴,若初始不共同性欠好,则其它的共同性操控办法都将得不偿失。因而,对电芯初始不共同性操控,或许比料想的要重要得多。
  • 独立液冷回路:减小电机、DCDC体系工况对电池热办理的影响。电芯模组底部安置的铝制水冷板导热功率高、活动阻力低,完成更高的散热功率;而铝板与电芯之间掩盖导热硅脂(DIY电脑给CPU散热的便是这个东西),提高了电芯与散热板之间的导热率,提高了散热功率,也就更有利于电芯温度共同性的操控。

并联安置的铝制水冷板

  • 每个模组2个温度传感器:文献[1]指出,温度传感器的测点数量、测点方位、丈量精度对电池热办理的操控精度有重要影响,因而威马EX5每个电池模组装备了2个电芯温度传感器。从前文的二维规划温度散布图能够看出,若知道模组两点的温度,就能够估量出整个温度散布。但必需要指出的是:2个温度传感器仅是必要条件,对电池包的核算流体力学与传热学模型的透彻了解才是最要害的要素,这才是主机厂独有的硬实力。

每个模组内部安置2个温度传感器

除了热办理的温度共同性功用之外,威马EX5在散热、加热这两个功用上也有独特的规划。在令电动轿车最头疼的冬季续航折半,是电动轿车的宿命吗?,除了预装PTC加热功用之外,针对东北极寒区域还装备了柴油加温体系:6升柴油焚烧放热,大约适当于一个80kWh电池包的一切能量彻底用来制热,然后完成了在极寒区域的快速发动与充电; 特别是冬季,快速加热意味着大大缩短充电时刻。这是柴油加热体系由威马Ope客户端-怎么从技能层面上看待国内电动汽车“软实力“?完成初次在量产车上使用。

由此可见,威马EX5的三电体系除了在看得见的当地用料好、价Ope客户端-怎么从技能层面上看待国内电动汽车“软实力“?格实惠之外,在比如热办理、共同性办理等看不见的”软实力”方面,也下了不小功夫。据悉,在造车新势力排行榜中,威马暂居2019年总销量榜首的方位,这并不出其不意。

参考文献:

[1] 张剑波, 卢兰光, 李哲. 车用动力电池体系的要害技能与学科前沿[J]. 轿车安全与节能学报, 2012, 3(2):87-104.

[2]姚昌晟,特斯拉自燃的暗地黑手——说说锂电池热失控.

[3] 冯旭宁. 车用锂离子动力电池热失控诱发与扩展机理、建模与防控[D].

[4] Xia G, Cao L, Bi G. A review on battery thermal management in electric vehicle application[J]. Journal of Power Sources, 2017, 367: 90-105.

[5] Yang N, Zhang X, Li G, et al. Assessment of the forced air-cooling performance for cylindrical lithium-ion battery packs: A comparative analysis between aligned and staggered cell arrangements[J]. Applied thermal engineering, 2015, 80: 55-65.

[6] Adams DT, Berdichevsky G, Colson TE, Hebert A, Kohn S, Lyons D, et al. Battery pack thermal management system. US Patent 20090023056, vol. A1; 2009.