电池研究院:动力电池冷却失效会炸吗?

2021-08-12 00:10:09 作者:黄恒乐

  【太平洋汽车网 技术频道】几乎所有人都遇到过这种情况:手机充电非常慢,一摸后背发现很热,SOC也没到达80%以上的涓流充电区域。

  笔者还遇到过更极端的,车内空调出风口手机支架上的手机一直充不进去电,摸一下发现被阳光晒到过热(不在手上/裤兜里无温度感知),才知觉是上次关了空调出风口忘记重开。一旦重开,电池温度降下来,电又充进去了。

电池研究院:动力电池冷却失效会炸吗?

  那么,被晒到烫手的锂离子电池会爆炸吗?就目前我们能获知的知识和经验来看,基本不会炸,但一定会不断恶心你。

 
怕冷又怕热的矫情电池

  上一集《电池寿命》中我们总结过,动力电池真的非常不好服侍,吃太饱会折寿,吃太快会折寿,吃太久会折寿,饿太久会折寿,太热会折寿,太冷会折寿,左右振动会折寿,上下振动会折寿,吃的次数太多会折寿,吃的间隔太长会折寿。

  今天我们就来聊聊电池温度控制的事情。看过本专栏的朋友一定都很清楚电池对温度极为敏感,最佳使用温度大约在25±5℃,但不是所有配方的锂离子电池都是这个区域,因为每种配方都有最适合自己的充放电特性。

动力电池冷却失效会炸吗?

  就锂离子电池大家族而言,一般充电的可控温度区间在0℃到45℃之间,太低温就无法充进去,比如威马就弄了个小柴油机给北方用户在冬季加热电池(所以混动车吗?手动狗头);太高温了也充不进去,比如BMS会将保护温度设定在45℃到55℃左右,充电升温到45℃的时候,BMS将充电电流降低,或者停止充电一段时间再继续充电。

  锂离子电池放电的温度区间宽一点,一般在-20℃到45℃之间。北方用户都知道智能手机冬季在户外时不时会黑屏重启或者直接就开不了机,这就是因为电池内部活性已经没了;放电高温就更好理解了,用手机玩个手机就能感受到温度急剧上升,笔记本电脑运作大型游戏也会过热甚至自动关机。

  今天我们只聊高温保护与降温方式,低温保护留到之后另辟一篇细聊。

动力电池冷却失效会炸吗?

  上文我们分析了高温会严重影响锂离子电池的充放电性能,实际上高温还会严重影响循环寿命。

  下图是不同温度下磷酸铁锂配方锂离子电池经历多次循环之后的电池性能,可见高温(绿色60℃、红色120℃)在控制变量下是极具摧毁性的性能衰减因素。

动力电池冷却失效会炸吗?

电池研究院:电池的长寿秘诀是什么?

  当然,特殊电池也是有的,比如军事用途的电池可以承受-50℃或85℃的极端温度,注意是“或”,要么是超低温电池,要么是超高温电池。这些电池可以给我们的高原战士提供单兵信息化装备的超低温电源,给陆海空军甚至火箭军部队提供耐受超高温的电源。

  但价格就……

  嗨,这种开销是不算成本的,但我们民用领域的乘用车必须算成本,所以各位也不要埋怨新能源车子在极端气温下不好使了,花多少钱办多大事。

  此外,还有一种宽温电池,能做到-40℃到70℃左右,它不是一个电池单体,而是一种非常贵的装置,里面有条件让电池耐受更宽的温域。 

动力电池冷却失效会炸吗?

  美国空军实验室曾在2019年发布过一种从20 ℃到120 ℃都能用的电池,电解液是二草酸硼酸锂(LiBOB)和多种高沸点碳酸酯溶剂的混合物,江湖传说是“扔到火里都不会烧起来”,老牛了。

动力电池冷却失效会炸吗?

  所以那些总是吹美帝要完蛋了的朋友可以歇着点了,美帝完成工业化比我们造了一百多年,咱全民吃饱才多少年,可不能盲目自信。

 
为何电池容易火气大?

  这几年,说3分钟能充满的新闻已经够多了,3分钟可是20C充电倍率啊,发热量是1C充电的400倍,你是想充电还是引爆车载动力电池呢?

  Q=I2Rt公式这么快就还给高中物理老师了?

  电池工作是有电流通过的,必然会发热。注意,I头上是二次方……

电池研究院:让电池命丧黄泉的锂枝晶

  我们一般用的18650电芯,在满电状态下93℃开始产生放热反应,123℃产生热失控,而一般电池怎么充电和放电都不会直接打到93℃高温的,除非几种过载叠加在一起。平时我们有哪些情况会引起电池过载并过热呢?

  1、理想的锂离子充电过程应该是“涓流充电-恒流充电-恒压充电-涓流充电-充满”,其中恒流充电阶段的电流非常高,这时候就会有大量热量产生,多数热量来自内阻焦耳热和电池化学反应生热。

  2、同理,锂离子大电流放电时,比如你深踩电门老长一段时间,也会产生大量热量。

  3、或是大电流充电之后立刻大电流放电。

  4、或者周遭气温过高时进行大电流充放电。

  5、过充电的副反应生热,之后还来一个大电流放电。

  6、电池本身内部结构受损,内阻R极大,不需要I足够大就能提高温度。

动力电池冷却失效会炸吗?

  有大量热被锁定在高压电池包当中,如果不及时解散这帮反动分子,就有可能会造成:

  1、电池寿命缩短:温度过高会导致电池内部发生副反应,材料性能退化,循环寿命大大缩短。

  2、大电流引起极化:大电流快充时,可能引起电极处的浓差极化现象,局部过热,电极材料被破坏,锂枝晶快速产生,有短路风险。

  3、过充电引起热失控:即是充满了还继续充,电池过热,正极中的锂离子过度脱出,正极最终肾透支,其晶格结构塌陷并析出氧气,氧气的释放还会进一步造成电解质分解,电池内部压力增加,轻则鼓包漏液,重则短路热失控。

  4、SEI膜的分解:下一步就是短路和热失控。

  5、嵌入锂与电解液反应:破坏电池结构,容量降低甚至电池损坏;若电解液放热分解,热失控速度更快。

  6、嵌入锂/金属锂与氟化物粘结剂反应:放热,或热失控。

  7、正极活性材料分解:破坏电池结构,容量降低甚至电池损坏。

  8、PE和PP隔膜融化:130-190℃之间的热失控,之后电池结构进一步损坏,造成完全失控。

动力电池冷却失效会炸吗?

 
4种主流冷却方案

  目前在新能源领域,有4种主流的电池冷却方案,其中风冷系统还能细分为被动风冷与主动风冷。下表是各种方案的简述,嫌文章太长的朋友看完表格就可以直接跳到最后结论那里了。

动力电池冷却方案
冷却方案分类原理冷却效果成本
自然冷却被动空气自然对流弱鸡不花钱
风冷系统被动/主动空气自然对流
/空气强制对流
一般/稍高很便宜/便宜
水冷系统主动液体强制对流
相变冷却主动相变运输热量神级死贵

————

1
 
被动冷却:自然冷却

  冷却原理:心静自然凉

  冷却效率:非常原始 非常弱鸡

  系统成本:四舍五入就是不花钱

  现实案例:老年代步车、高尔夫球车、早期的新能源车

————

  自然冷却就是“心静自然凉”,类似于在无风环境下静坐(专门找了张水面无波纹的图片)追求心灵平静,散热方向和散热效率相当于“随缘”,特别佛。

动力电池冷却失效会炸吗?

  最近笔者很想了解内置电池款的行车记录仪,里面的电池为什么能耐受前挡风玻璃下的高温。百家号作者 @木棉花在路上 就拆过一款行车记录仪换掉鼓包的锂离子电池,我们可以看到电池在机子里面根本就没散热装置,就是简单粘在主板旁边而已。这就是典型的自然冷却方案。

动力电池冷却失效会炸吗?

  自然冷却方案的效率最低,是因为根本没有设置散热措施,只是简单让电池被动地向所有接触它的气体固体界面传递热量。如果遇上积热的情况,是无法有效被散走的。

  日常生活中,我们会讲到很多采取自然冷却方案的电动车辆,比如电池发热量本身就不大的电动两轮车,比如驱动电机功率很低因此电池发热量也不大的老年代步车和高尔夫车,以及早期的新能源乘用车型,主要集中在混动车领域,因为混动车高压电池包的工作压力比纯电动车的小很多。

动力电池冷却失效会炸吗?

  虽然自然冷却弱鸡,但自然冷却方案下电池包热失控的概率反而很低,上述车型绝大多数热失控案例都不是因为电池充放电期间过热导致的,这么低功率的能量包根本整不出什么大动静来。

2
 
被动/主动冷却:风冷系统

  冷却原理:让空气流动起来,部分热量随着空气流动被带走。

  冷却效率:一般般(被动风冷)/正常用是不会过热的(主动风冷)

  系统成本:很便宜(被动风冷)/便宜(主动风冷)

  现实案例:半数市售的新能源车

————

  风冷系统在各行各业运用都非常广泛,这里面还分为被动风冷和主动风冷。

  被动风冷就是拿一碗粥放桌面等它凉,主动风冷就是用嘴吹一下粥让它凉得更快些。吃过粥的朋友一定很清楚,主动风冷方案肯定是更高级的,能让我们更快吃上粥。(图片 @快厨房)

动力电池冷却失效会炸吗?

  被动风冷方案我们实在见太多了,下图是摩托车发动机的风冷散热片,在缸套上有一层层的金属散热片,把散热面积尽可能整大一些,提升散热效率。

  如果连散热片都没有的,那就连被动风冷都不是,而是最基础的自然冷却方案。

动力电池冷却失效会炸吗?

  别小看被动风冷方案,成本低但收益很高,算得上性价比之王。

动力电池冷却失效会炸吗?

  这就类似中国古代皇帝背后那两把“五明扇”,多数人都以为它是主动风冷系统,实际上是皇帝出行是被动风冷的——小皇得靠吹来的风来散热,这两把大扇子只是尧舜帝传下来宣示皇权的礼仪扇子。

  同理,诸葛村夫白羽扇不离手,不是因为他热,需要主动风冷,那玩意是拿来对三军指手画脚用的,孔明乘凉依然依靠被动风冷。

动力电池冷却失效会炸吗?

  风冷就更好理解的,凡是装过台式电脑的朋友都会有印象,在CPU表面涂一层导热导热硅脂之后,就能往上码一个风扇,风扇得接上电源,因为它是主动风冷你方案。

动力电池冷却失效会炸吗?

  比如下图丰田普锐斯的主动风冷电池包,结构其实跟CPU散热风扇是一模一样的,不需要多加解释。

动力电池冷却失效会炸吗?

  另有一种主动风冷方案,进气之后会先将空气进行冷却,增加空气与电池之间的温差,在接下来的对流中带走更多热量。

  目前市面上半数新能源车都采用风冷方案,比如日产Leaf聆风、日产e-NV200、本田Insight、本田飞度EV、雷诺Zoe现代Ioniq等。其中旧一点、功率低一点的车会用被动风冷,新一代的、功率高一点的用主动风冷。

3
 
主动冷却:液冷系统

  冷却原理:跟风冷一样,只不过液体比热容更高,因此冷却效率更高。

  冷却效率:很好

  系统成本:贵

  现实案例:特斯拉全系、蔚来全系等,长续航新能源车基本都用液冷

————

  装机的朋友会说,功率大了是不是得上液冷呀?是的,兄弟。

  液冷方案更好理解,我们民族的祖传技艺之一。唐朝长安城里面的一些富贵人家就会用水车把水送上楼顶来散热。(本图作者 @这知识好冷)

  同样的结构也可以通过传动机构将有用功转移到屋子里面,驱动大扇子旋转,这就成了主动风冷。

动力电池冷却失效会炸吗?

  老旧的特斯拉车型用18650电芯,7000多个电芯组建一个矩形的高压电池包,冷却系统的复杂性让人发指。

  下图可以看到老款特斯拉Model S的液冷方案,用一种蛇形冷却管穿过电池组,利用水-乙二醇冷却液带走热量。

动力电池冷却失效会炸吗?

  蔚来的液冷方案也非常复杂,因为这是市面上绝无仅有的可换电液冷方案,每次换电都要断开液冷系统的回路,3分钟后又重新连接上去。为何要断开呢?因为把整套液冷系统都装在高压电池包上面是不现实的,热交换还是得依靠车载系统,而且换电站的体积和器械负荷也不能无休止增大。

动力电池冷却失效会炸吗?

  再比如雪佛兰Volt增程式混动车的液体冷却方案,利用一块铝制的板材容纳五条单独的冷却液通道,以此运输热量。

动力电池冷却失效会炸吗?

动力电池冷却失效会炸吗?

  还有奇葩的玩法,就是把电芯都浸泡在高沸点、非导电的液态冷却液当中,直接“躺平”就不理会了。

  下图是XING Mobility的电池冷却方案,冷却剂是3M Novec 7200电子氟化流体,整个巨型的电池包可以容纳4200个18650电芯。

动力电池冷却失效会炸吗?

  液冷方案比风冷方案要笨重很多,结构也复杂很多,这也解释了为何热衷于赛车运动的保时捷这么迟才把911的水平对置六缸推进水冷时代,保时捷-皮耶希家族一直都很崇尚轻量化。

  电池液冷方案需要用到一套冷却液管道、一套电动泵、一套电子风扇、一套电控系统以及一套水箱散热器,重量与造价远远高于风冷,但换热效率与系统稳定性也高出一截。

动力电池冷却失效会炸吗?

  除了刚刚提到的车型之外,福特福克斯EV、奥迪R8 e-tron、沃尔沃T8插混系列、雪佛兰Bolt等等,都使用了液冷方案。

动力电池冷却失效会炸吗?

  笔者单方面认为,液冷方案的动力电池,循环寿命会比风冷方案的高出不少。

  因为液冷方案可以更高效地“延缓”锂枝晶的生成与蔓延(注意是“延缓”而非“阻止”),电池容量衰减减缓,电池热失控风险降低。

4
 
主动冷却:相变冷却

  冷却原理:利用流体的相变,大批量吸热、运热、散热。

  冷却效率:很高

  系统成本:死贵

  现实案例:宝马i3宝马i8宝马X5 PHEV、奥迪A6 e-tron、奔驰S400 Blue等

————

  “相变”的概念听着玄乎,其实不难理解。比如水有三相(也叫“三态”),气态水、液态水、固态水(冰),三相之间转换是要吸热或者放热的。

动力电池冷却失效会炸吗?

  众所周知,“变态”需要很大的勇气,因此“相变”需要吸收/放出很多热量,才能完成“相”的变化。

  这么说来,相变冷却比液态冷却的换热效率更高,因为液冷一直都是液体而已。

  虽然物质有气相、液相、固相,但相变冷却系统要保证相变介质的流动性,就只能让流体在气相和液相之间转换,这与空调压缩机的工作原理是一模一样的:液体吸热汽化成气体并带走了热量,到冷凝器那里液化成液体并释放了热量(且排到系统之外)。

  有些媒体喜欢将相变冷却翻译成“直接冷却”,可能翻译自词汇“Refrigerator Direct Cooling”,不过笔者认为不是很直观。

动力电池冷却失效会炸吗?

  虽然古代没有氟利昂和压缩机,但中国北魏朝代开始就有专门给皇帝乘凉用的、装了冷气设备的夏宫(凌云台凉风观冰室),下面是一口冰井,很深,像我这种没文化的一般简称其为“深井冰”。

动力电池冷却失效会炸吗?

  冰块在冬季就要开采,采夏季用冰量三倍作为储量,放在20米以下的深井当中窖藏。

  用时就拿出来放在夏宫的冰井下面,冰融化成水会吸收热量,从固相变成液相的过程中带走了热量。此外,冰水蒸发过程中,从液相变成气相的过程中也会带走热量。

动力电池冷却失效会炸吗?

  同理,刚刚提到的液冷方案中,残留在房顶上的水持续蒸发,也会带走一定热量。因此往房顶浇水的冷却方案,准确来说是“液体冷却+相变冷却”。

动力电池冷却失效会炸吗?

  目前使用相变冷却方案的乘用车基本集中在BBA三家德系厂商这里。相变冷却系统虽然贵,但体积相比液冷要小,因此在豪华品牌这里吃香。有海外机构表示,相变冷却系统未来有望大幅度降价。

  下方这张曝光的图中显示,i3采用了R-134a制冷剂进行相变冷却,从液相变成气相的过程中带走电池热量。

动力电池冷却失效会炸吗?

动力电池冷却失效会炸吗?

  下图就是冷媒走的通道,4+4条管,4进4出。

动力电池冷却失效会炸吗?

 
如何打造一套称职的电池冷却系统

  “称职”的意思是在成本合适的前提下动力电池在绝大多数工况下不会过热。

  冷却系统占据新能源驱动系统的总成本比例不高,每一台车在标定时都会监测动力电池在不同工况下的发热量,像那些老年代步车或者普通买菜车的发热量就没必要上液冷系统了,像蔚来特斯拉这些专门整大功率电动车的就不能只用风冷系统了。

  冷却系统的工况标定也是很大的难题,因为动力电池包不是单一整体,里面有模组,模组里面有电芯,微观的发热量各不相同(电芯各个部件的实时温度不同),宏观的发热量各处不均匀(比如串联式冷却,进风/进液端的电芯肯定比出风/出液端的电芯凉快),如何实现高效可控的冷却是头疼的事情。

动力电池冷却失效会炸吗?

  再者,三电系统的冷却可以是单独的论题,也可以是综合的论题,有些车企会将某些总成的冷却系统合并,以求更轻量化的整备质量。

  当前的文章并不算特别完整,有些知识点也会有疏漏,敬请雅正。接下来的工作中,笔者也会找到车企或电池企业的工程师朋友请教相关内容,并将实时更新到本文内。

(图/文/摄:太平洋汽车网 黄恒乐)

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