【技术】动力电池热管理设计的三个关键“需求”
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电池热管理系统的设计，是保障电池运行安全的决定性外在因素。也是提升电池系统寿命等性能指标的关键所在。它直接关系到电池系统最终的成败，可以一票否决设计成果。 从热设计过程来看，关联元素很多，如同在支点上找平衡。最终的目标，技术实施的结果，就是保证系统内所有化学电芯工作环境的“舒适性”、“均温性”。做到这一点，众多电芯的性能才能“齐头并进”，发挥出最好的作用。 在车用动力电池系统早期的设计中，不乏以电池布置为主。打开箱体，满满当当的都是电池，热管理设计难觅踪影或被弱化，没有作为关键环节对待。近些年，这种情况发生了根本变化，客户对“缩小使用差距(和燃油车)”很迫切，从功率角度、环境适应性，对电池系统提出了更高的要求，热管理被赋予了新的使命。这就需要运用科学完整的开发流程，循序渐进，认真对待每一个小环节，让热设计满足电池系统要求。 基于V模型正向开发的入口：三个关键“需求”，想清楚才能做明白。 其实，所有零件的设计都是基于“需求”的设计。但是这么多年的设计走过来，发现往往出问题的还是“需求”环节。有的问题在设计之初就是模糊或模棱两可。其结果只能是事后打补丁，甚至可能推翻设计。付出很大代价。所以设计之初就要充分“想清楚”，后期的工作，才能“做明白”。 1)关键需求之一：应用“区域”说清楚，满足环境要求是第一位的。 从成本角度，不太赞成“全温度”需求设计方案。电池的本征特性NCM、 NCA、 LFP锂离子化学电池温度适应性很窄，也只能通过热管理去调节其应用范围(如图示)。但是，有一个问题，适应环境越强，温度调节范围越大，技术和成本投入也就越大(在热管理的硬件、软件部分)。如何权衡这个问题?我列举几点： 措施一，设计不同版本的热管理。尽管我们在续驶里程方面，不遗余力的努力，但是大部分车辆，大部分客户，还是把新能源车定义为中短途点对点的交通工具。运行范围还是比燃油车小。例如，如果在南方地区应用的物流车辆，覆盖高寒地区需求设计，显然是不合理，不经济的。时下“用户精准定位”的设计也是一种发展趋势。 措施二，“告之客户”：比如说，leaf 早期的版本，用户手册上有一条：“勿把车辆，置于49℃以上场所24h以上;置于-25℃以上场所7天以上”。任何产品，都是以满足大多数客户需求为目标的。当面对“少数”客户，少数“情况”的时候，需要给客户“讲清楚”也是合情合理的办法。 措施三，从根本入手，选择电池类型。比如说LTO电池，低温适应可以提高一个数量级。在电量和能量密度要求不高的情况下，是可以尝试应用的。 2)关键需求之二：电池系统功率边界SOP，考验热管理温度限值控制能力 整车的正向设计，功率需求是非常重要的。决定着动力性能的优劣。而电池系统的功率边界，很大程度上取决于热管理的限值控制能力。一般来讲，第一步需要整车功率需求的导入。电池系统再行分解技术指标，选择电芯，选择热管理模式等。当然，电池系统也有鞭长莫及的时候。和整车的匹配曲线，也会不吻合的。这个时候，需要优先考虑整车的安全性。 3)关键需求之三：系统温差设计目标，主要体现热管理的均温能力 我一直认为，这是热管理设计的精髓所在。尽管热管理高低温的控温能力，解决了电池的安全运行问题，但是，体现电池性能，寿命能力，是“系统均温”能力说了算的。Tesla <2℃的系统温差，除了说明他的热管理能力强大，更关键的是 model S 、model X 15万英里的行驶里程，大部车辆电池容量损失不到10%，这才是真理。 均温设计，更多的是从热结构、冷媒介质、控制策略入手，是比较直接的环节。其实，还有一个重要的环节容易被忽略掉，那就是“保温”设计(结构材料、控制策略)。保温措施，是改变温度变化斜率最有效的办法。一方面让高温时热管理降温更快(降低外环境影响)，一方面，让环境低温时，停驶的车辆降温慢。这给用户带来了便利，也让环境温度略低于0℃的热管理设计，变得简化和容易。 |
