電池研究院:動力電池冷卻失效會炸嗎?

2021-08-12 00:10:09 作者:黃恒樂

  【太平洋汽車網 技術頻道】幾乎所有人都遇到過這種情況:手機充電非常慢,一摸后背發現很熱,SOC也沒到達80%以上的涓流充電區域。

  筆者還遇到過更極端的,車內空調出風口手機支架上的手機一直充不進去電,摸一下發現被陽光曬到過熱(不在手上/褲兜里無溫度感知),才知覺是上次關了空調出風口忘記重開。一旦重開,電池溫度降下來,電又充進去了。

電池研究院:動力電池冷卻失效會炸嗎?

  那么,被曬到燙手的鋰離子電池會爆炸嗎?就目前我們能獲知的知識和經驗來看,基本不會炸,但一定會不斷惡心你。

 
怕冷又怕熱的矯情電池

  上一集《電池壽命》中我們總結過,動力電池真的非常不好服侍,吃太飽會折壽,吃太快會折壽,吃太久會折壽,餓太久會折壽,太熱會折壽,太冷會折壽,左右振動會折壽,上下振動會折壽,吃的次數太多會折壽,吃的間隔太長會折壽。

  今天我們就來聊聊電池溫度控制的事情。看過本專欄的朋友一定都很清楚電池對溫度極為敏感,最佳使用溫度大約在25±5℃,但不是所有配方的鋰離子電池都是這個區域,因為每種配方都有最適合自己的充放電特性。

動力電池冷卻失效會炸嗎?

  就鋰離子電池大家族而言,一般充電的可控溫度區間在0℃到45℃之間,太低溫就無法充進去,比如威馬就弄了個小柴油機給北方用戶在冬季加熱電池(所以混動車嗎?手動狗頭);太高溫了也充不進去,比如BMS會將保護溫度設定在45℃到55℃左右,充電升溫到45℃的時候,BMS將充電電流降低,或者停止充電一段時間再繼續充電。

  鋰離子電池放電的溫度區間寬一點,一般在-20℃到45℃之間。北方用戶都知道智能手機冬季在戶外時不時會黑屏重啟或者直接就開不了機,這就是因為電池內部活性已經沒了;放電高溫就更好理解了,用手機玩個手機就能感受到溫度急劇上升,筆記本電腦運作大型游戲也會過熱甚至自動關機。

  今天我們只聊高溫保護與降溫方式,低溫保護留到之后另辟一篇細聊。

動力電池冷卻失效會炸嗎?

  上文我們分析了高溫會嚴重影響鋰離子電池的充放電性能,實際上高溫還會嚴重影響循環壽命。

  下圖是不同溫度下磷酸鐵鋰配方鋰離子電池經歷多次循環之后的電池性能,可見高溫(綠色60℃、紅色120℃)在控制變量下是極具摧毀性的性能衰減因素。

動力電池冷卻失效會炸嗎?

電池研究院:電池的長壽秘訣是什么?

  當然,特殊電池也是有的,比如軍事用途的電池可以承受-50℃或85℃的極端溫度,注意是“或”,要么是超低溫電池,要么是超高溫電池。這些電池可以給我們的高原戰士提供單兵信息化裝備的超低溫電源,給陸海空軍甚至火箭軍部隊提供耐受超高溫的電源。

  但價格就……

  嗨,這種開銷是不算成本的,但我們民用領域的乘用車必須算成本,所以各位也不要埋怨新能源車子在極端氣溫下不好使了,花多少錢辦多大事。

  此外,還有一種寬溫電池,能做到-40℃到70℃左右,它不是一個電池單體,而是一種非常貴的裝置,里面有條件讓電池耐受更寬的溫域。 

動力電池冷卻失效會炸嗎?

  美國空軍實驗室曾在2019年發布過一種從20 ℃到120 ℃都能用的電池,電解液是二草酸硼酸鋰(LiBOB)和多種高沸點碳酸酯溶劑的混合物,江湖傳說是“扔到火里都不會燒起來”,老牛了。

動力電池冷卻失效會炸嗎?

  所以那些總是吹美帝要完蛋了的朋友可以歇著點了,美帝完成工業化比我們造了一百多年,咱全民吃飽才多少年,可不能盲目自信。

 
為何電池容易火氣大?

  這幾年,說3分鐘能充滿的新聞已經夠多了,3分鐘可是20C充電倍率啊,發熱量是1C充電的400倍,你是想充電還是引爆車載動力電池呢?

  Q=I2Rt公式這么快就還給高中物理老師了?

  電池工作是有電流通過的,必然會發熱。注意,I頭上是二次方……

電池研究院:讓電池命喪黃泉的鋰枝晶

  我們一般用的18650電芯,在滿電狀態下93℃開始產生放熱反應,123℃產生熱失控,而一般電池怎么充電和放電都不會直接打到93℃高溫的,除非幾種過載疊加在一起。平時我們有哪些情況會引起電池過載并過熱呢?

  1、理想的鋰離子充電過程應該是“涓流充電-恒流充電-恒壓充電-涓流充電-充滿”,其中恒流充電階段的電流非常高,這時候就會有大量熱量產生,多數熱量來自內阻焦耳熱和電池化學反應生熱。

  2、同理,鋰離子大電流放電時,比如你深踩電門老長一段時間,也會產生大量熱量。

  3、或是大電流充電之后立刻大電流放電。

  4、或者周遭氣溫過高時進行大電流充放電。

  5、過充電的副反應生熱,之后還來一個大電流放電。

  6、電池本身內部結構受損,內阻R極大,不需要I足夠大就能提高溫度。

動力電池冷卻失效會炸嗎?

  有大量熱被鎖定在高壓電池包當中,如果不及時解散這幫反動分子,就有可能會造成:

  1、電池壽命縮短:溫度過高會導致電池內部發生副反應,材料性能退化,循環壽命大大縮短。

  2、大電流引起極化:大電流快充時,可能引起電極處的濃差極化現象,局部過熱,電極材料被破壞,鋰枝晶快速產生,有短路風險。

  3、過充電引起熱失控:即是充滿了還繼續充,電池過熱,正極中的鋰離子過度脫出,正極最終腎透支,其晶格結構塌陷并析出氧氣,氧氣的釋放還會進一步造成電解質分解,電池內部壓力增加,輕則鼓包漏液,重則短路熱失控。

  4、SEI膜的分解:下一步就是短路和熱失控。

  5、嵌入鋰與電解液反應:破壞電池結構,容量降低甚至電池損壞;若電解液放熱分解,熱失控速度更快。

  6、嵌入鋰/金屬鋰與氟化物粘結劑反應:放熱,或熱失控。

  7、正極活性材料分解:破壞電池結構,容量降低甚至電池損壞。

  8、PE和PP隔膜融化:130-190℃之間的熱失控,之后電池結構進一步損壞,造成完全失控。

動力電池冷卻失效會炸嗎?

 
4種主流冷卻方案

  目前在新能源領域,有4種主流的電池冷卻方案,其中風冷系統還能細分為被動風冷與主動風冷。下表是各種方案的簡述,嫌文章太長的朋友看完表格就可以直接跳到最后結論那里了。

動力電池冷卻方案
冷卻方案分類原理冷卻效果成本
自然冷卻被動空氣自然對流弱雞不花錢
風冷系統被動/主動空氣自然對流
/空氣強制對流
一般/稍高很便宜/便宜
水冷系統主動液體強制對流
相變冷卻主動相變運輸熱量神級死貴

————

1
 
被動冷卻:自然冷卻

  冷卻原理:心靜自然涼

  冷卻效率:非常原始 非常弱雞

  系統成本:四舍五入就是不花錢

  現實案例:老年代步車、高爾夫球車、早期的新能源車

————

  自然冷卻就是“心靜自然涼”,類似于在無風環境下靜坐(專門找了張水面無波紋的圖片)追求心靈平靜,散熱方向和散熱效率相當于“隨緣”,特別佛。

動力電池冷卻失效會炸嗎?

  最近筆者很想了解內置電池款的行車記錄儀,里面的電池為什么能耐受前擋風玻璃下的高溫。百家號作者 @木棉花在路上 就拆過一款行車記錄儀換掉鼓包的鋰離子電池,我們可以看到電池在機子里面根本就沒散熱裝置,就是簡單粘在主板旁邊而已。這就是典型的自然冷卻方案。

動力電池冷卻失效會炸嗎?

  自然冷卻方案的效率最低,是因為根本沒有設置散熱措施,只是簡單讓電池被動地向所有接觸它的氣體固體界面傳遞熱量。如果遇上積熱的情況,是無法有效被散走的。

  日常生活中,我們會講到很多采取自然冷卻方案的電動車輛,比如電池發熱量本身就不大的電動兩輪車,比如驅動電機功率很低因此電池發熱量也不大的老年代步車和高爾夫車,以及早期的新能源乘用車型,主要集中在混動車領域,因為混動車高壓電池包的工作壓力比純電動車的小很多。

動力電池冷卻失效會炸嗎?

  雖然自然冷卻弱雞,但自然冷卻方案下電池包熱失控的概率反而很低,上述車型絕大多數熱失控案例都不是因為電池充放電期間過熱導致的,這么低功率的能量包根本整不出什么大動靜來。

2
 
被動/主動冷卻:風冷系統

  冷卻原理:讓空氣流動起來,部分熱量隨著空氣流動被帶走。

  冷卻效率:一般般(被動風冷)/正常用是不會過熱的(主動風冷)

  系統成本:很便宜(被動風冷)/便宜(主動風冷)

  現實案例:半數市售的新能源車

————

  風冷系統在各行各業運用都非常廣泛,這里面還分為被動風冷和主動風冷。

  被動風冷就是拿一碗粥放桌面等它涼,主動風冷就是用嘴吹一下粥讓它涼得更快些。吃過粥的朋友一定很清楚,主動風冷方案肯定是更高級的,能讓我們更快吃上粥。(圖片 @快廚房)

動力電池冷卻失效會炸嗎?

  被動風冷方案我們實在見太多了,下圖是摩托車發動機的風冷散熱片,在缸套上有一層層的金屬散熱片,把散熱面積盡可能整大一些,提升散熱效率。

  如果連散熱片都沒有的,那就連被動風冷都不是,而是最基礎的自然冷卻方案。

動力電池冷卻失效會炸嗎?

  別小看被動風冷方案,成本低但收益很高,算得上性價比之王。

動力電池冷卻失效會炸嗎?

  這就類似中國古代皇帝背后那兩把“五明扇”,多數人都以為它是主動風冷系統,實際上是皇帝出行是被動風冷的——小皇得靠吹來的風來散熱,這兩把大扇子只是堯舜帝傳下來宣示皇權的禮儀扇子。

  同理,諸葛村夫白羽扇不離手,不是因為他熱,需要主動風冷,那玩意是拿來對三軍指手畫腳用的,孔明乘涼依然依靠被動風冷。

動力電池冷卻失效會炸嗎?

  風冷就更好理解的,凡是裝過臺式電腦的朋友都會有印象,在CPU表面涂一層導熱導熱硅脂之后,就能往上碼一個風扇,風扇得接上電源,因為它是主動風冷你方案。

動力電池冷卻失效會炸嗎?

  比如下圖豐田普銳斯的主動風冷電池包,結構其實跟CPU散熱風扇是一模一樣的,不需要多加解釋。

動力電池冷卻失效會炸嗎?

  另有一種主動風冷方案,進氣之后會先將空氣進行冷卻,增加空氣與電池之間的溫差,在接下來的對流中帶走更多熱量。

  目前市面上半數新能源車都采用風冷方案,比如日產Leaf聆風、日產e-NV200、本田Insight、本田飛度EV、雷諾Zoe現代Ioniq等。其中舊一點、功率低一點的車會用被動風冷,新一代的、功率高一點的用主動風冷。

3
 
主動冷卻:液冷系統

  冷卻原理:跟風冷一樣,只不過液體比熱容更高,因此冷卻效率更高。

  冷卻效率:很好

  系統成本:貴

  現實案例:特斯拉全系、蔚來全系等,長續航新能源車基本都用液冷

————

  裝機的朋友會說,功率大了是不是得上液冷呀?是的,兄弟。

  液冷方案更好理解,我們民族的祖傳技藝之一。唐朝長安城里面的一些富貴人家就會用水車把水送上樓頂來散熱。(本圖作者 @這知識好冷)

  同樣的結構也可以通過傳動機構將有用功轉移到屋子里面,驅動大扇子旋轉,這就成了主動風冷。

動力電池冷卻失效會炸嗎?

  老舊的特斯拉車型用18650電芯,7000多個電芯組建一個矩形的高壓電池包,冷卻系統的復雜性讓人發指。

  下圖可以看到老款特斯拉Model S的液冷方案,用一種蛇形冷卻管穿過電池組,利用水-乙二醇冷卻液帶走熱量。

動力電池冷卻失效會炸嗎?

  蔚來的液冷方案也非常復雜,因為這是市面上絕無僅有的可換電液冷方案,每次換電都要斷開液冷系統的回路,3分鐘后又重新連接上去。為何要斷開呢?因為把整套液冷系統都裝在高壓電池包上面是不現實的,熱交換還是得依靠車載系統,而且換電站的體積和器械負荷也不能無休止增大。

動力電池冷卻失效會炸嗎?

  再比如雪佛蘭Volt增程式混動車的液體冷卻方案,利用一塊鋁制的板材容納五條單獨的冷卻液通道,以此運輸熱量。

動力電池冷卻失效會炸嗎?

動力電池冷卻失效會炸嗎?

  還有奇葩的玩法,就是把電芯都浸泡在高沸點、非導電的液態冷卻液當中,直接“躺平”就不理會了。

  下圖是XING Mobility的電池冷卻方案,冷卻劑是3M Novec 7200電子氟化流體,整個巨型的電池包可以容納4200個18650電芯。

動力電池冷卻失效會炸嗎?

  液冷方案比風冷方案要笨重很多,結構也復雜很多,這也解釋了為何熱衷于賽車運動的保時捷這么遲才把911的水平對置六缸推進水冷時代,保時捷-皮耶希家族一直都很崇尚輕量化。

  電池液冷方案需要用到一套冷卻液管道、一套電動泵、一套電子風扇、一套電控系統以及一套水箱散熱器,重量與造價遠遠高于風冷,但換熱效率與系統穩定性也高出一截。

動力電池冷卻失效會炸嗎?

  除了剛剛提到的車型之外,福特福克斯EV、奧迪R8 e-tron、沃爾沃T8插混系列、雪佛蘭Bolt等等,都使用了液冷方案。

動力電池冷卻失效會炸嗎?

  筆者單方面認為,液冷方案的動力電池,循環壽命會比風冷方案的高出不少。

  因為液冷方案可以更高效地“延緩”鋰枝晶的生成與蔓延(注意是“延緩”而非“阻止”),電池容量衰減減緩,電池熱失控風險降低。

4
 
主動冷卻:相變冷卻

  冷卻原理:利用流體的相變,大批量吸熱、運熱、散熱。

  冷卻效率:很高

  系統成本:死貴

  現實案例:寶馬i3寶馬i8寶馬X5 PHEV、奧迪A6 e-tron、奔馳S400 Blue等

————

  “相變”的概念聽著玄乎,其實不難理解。比如水有三相(也叫“三態”),氣態水、液態水、固態水(冰),三相之間轉換是要吸熱或者放熱的。

動力電池冷卻失效會炸嗎?

  眾所周知,“變態”需要很大的勇氣,因此“相變”需要吸收/放出很多熱量,才能完成“相”的變化。

  這么說來,相變冷卻比液態冷卻的換熱效率更高,因為液冷一直都是液體而已。

  雖然物質有氣相、液相、固相,但相變冷卻系統要保證相變介質的流動性,就只能讓流體在氣相和液相之間轉換,這與空調壓縮機的工作原理是一模一樣的:液體吸熱汽化成氣體并帶走了熱量,到冷凝器那里液化成液體并釋放了熱量(且排到系統之外)。

  有些媒體喜歡將相變冷卻翻譯成“直接冷卻”,可能翻譯自詞匯“Refrigerator Direct Cooling”,不過筆者認為不是很直觀。

動力電池冷卻失效會炸嗎?

  雖然古代沒有氟利昂和壓縮機,但中國北魏朝代開始就有專門給皇帝乘涼用的、裝了冷氣設備的夏宮(凌云臺涼風觀冰室),下面是一口冰井,很深,像我這種沒文化的一般簡稱其為“深井冰”。

動力電池冷卻失效會炸嗎?

  冰塊在冬季就要開采,采夏季用冰量三倍作為儲量,放在20米以下的深井當中窖藏。

  用時就拿出來放在夏宮的冰井下面,冰融化成水會吸收熱量,從固相變成液相的過程中帶走了熱量。此外,冰水蒸發過程中,從液相變成氣相的過程中也會帶走熱量。

動力電池冷卻失效會炸嗎?

  同理,剛剛提到的液冷方案中,殘留在房頂上的水持續蒸發,也會帶走一定熱量。因此往房頂澆水的冷卻方案,準確來說是“液體冷卻+相變冷卻”。

動力電池冷卻失效會炸嗎?

  目前使用相變冷卻方案的乘用車基本集中在BBA三家德系廠商這里。相變冷卻系統雖然貴,但體積相比液冷要小,因此在豪華品牌這里吃香。有海外機構表示,相變冷卻系統未來有望大幅度降價。

  下方這張曝光的圖中顯示,i3采用了R-134a制冷劑進行相變冷卻,從液相變成氣相的過程中帶走電池熱量。

動力電池冷卻失效會炸嗎?

動力電池冷卻失效會炸嗎?

  下圖就是冷媒走的通道,4+4條管,4進4出。

動力電池冷卻失效會炸嗎?

 
如何打造一套稱職的電池冷卻系統

  “稱職”的意思是在成本合適的前提下動力電池在絕大多數工況下不會過熱。

  冷卻系統占據新能源驅動系統的總成本比例不高,每一臺車在標定時都會監測動力電池在不同工況下的發熱量,像那些老年代步車或者普通買菜車的發熱量就沒必要上液冷系統了,像蔚來特斯拉這些專門整大功率電動車的就不能只用風冷系統了。

  冷卻系統的工況標定也是很大的難題,因為動力電池包不是單一整體,里面有模組,模組里面有電芯,微觀的發熱量各不相同(電芯各個部件的實時溫度不同),宏觀的發熱量各處不均勻(比如串聯式冷卻,進風/進液端的電芯肯定比出風/出液端的電芯涼快),如何實現高效可控的冷卻是頭疼的事情。

動力電池冷卻失效會炸嗎?

  再者,三電系統的冷卻可以是單獨的論題,也可以是綜合的論題,有些車企會將某些總成的冷卻系統合并,以求更輕量化的整備質量。

  當前的文章并不算特別完整,有些知識點也會有疏漏,敬請雅正。接下來的工作中,筆者也會找到車企或電池企業的工程師朋友請教相關內容,并將實時更新到本文內。

(圖/文/攝:太平洋汽車網 黃恒樂)

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