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电动车电池热管理,任重道远

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来源:洞见热管理(网络资料整理)

近日,南京市某小区发生一起因电动两轮车在架空层停放引发的火灾事故,造成15死44伤的后果,一时将电动两轮车安全问题推上话题焦点。紧接着,比亚迪旗下弗迪电池宣布:基于南京“2.23”火灾事故,弗迪电池管理团队、开发团队对此连夜召开紧急会议,探讨对两轮车品质安全解决方案,将把乘用车的研发成果应用到两轮车领域,并协同各方正能量,开发出能上楼的安全电池。


据中国自行车协会发布的数据,截至2022年底,我国两轮电动车保有量约3.5亿辆。据国家消防救援局的统计数据,电动自行车起火已是目前各地城市火灾的主要原因之一。目前,包括北京在内的多地都已制定了针对电动自行车用锂离子电池安全性的地方性技术标准,我国的强制性国家标准即将出台,这些标准均对单体电池过充电、过放电、电池组温度保护和过充电保护等安全技术指标进行了规定。


当前,市场上销售的电动自行车电池主要以铅酸蓄电池和锂电池为主,而在新国标的实施、绿色出行等因素推动下,电动自行车锂电池市场需求呈快速增长态势。但锂离子电池容易出现热失控,一旦燃烧,会迅速引燃周边可燃物,且伴随爆炸、高温烟尘、有毒烟气。


电池的安全运行高度依赖于环境温度,锂电池的工作温度为0~50℃,最佳工作温度在20~40℃,超过50℃电池组热量聚集,将直接影响电池寿命,而当电池温度超过80℃后可能就会引发电池组爆炸。在2023年。我国电动汽车的销量高达940万辆。因此,为了减少社会安全事故的发生,作为电动汽车核心部件的电池,其热管理设计尤为重要。


电池热管理系统包括主动式和被动式,主动式热管理包括空气冷却、液体冷却、制冷剂式冷却;被动式热管理包括自然冷却、热管冷却和相变材料。锂电池热管理技术主要包括空气冷却、液体冷却、热管冷却、相变冷却这四种。

空气冷却技术

空气冷却也称为风冷系统,利用空气作为热量交换载体, 起到控制分配动力电池系统内部温度的作用。根据散热通风方式,空气冷却又分为串行通风和并行通风。空气冷却技术存在导热系数低、对电池组温度均匀性控制效果差等缺点。由于动力锂电池向高能量密度发展的趋势,空气冷却逐渐难以满足热管理技术要求。

液体冷却技术

液体冷却又称液冷系统,利用冷却液作为热量交换载体, 起到控制分配动力电池系统内部温度的作用。该系统通常利用水泵和管道完成冷却液在电池系统内的流动,分为直接接触式和间接接触式。

直接接触冷却是将电池组直接浸在冷却液体中;非直接接触冷却是在电池模块间排布管路或在电池组内布置夹套,液体在内部流动而吸收并带走热量。 

液体冷却具有冷却效率高、导热系数大、可提高电池组的温度一致性等优点。但液体泄漏可能导致电池短路,因此对液体冷却的密封性要求很高,这是液体冷却存在的安全问题。同时,液体冷却会增加整个锂电池系统的自重,不利于动力锂电池的轻量化趋势。

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热管冷却技术

热管冷却是利用相变实现热传导的热管理系统。热管由蒸发段、绝热段和冷凝段组成。密封空管内的介质在蒸发阶段会吸收电池产生的热量,再通过冷凝段把热量传递给外部环境, 达到使电池组迅速降温的效果。热管的种类有:重力热管、脉动热管、烧结热管等。

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相变材料冷却技术

相变材料是一种能够在一定温度范围内改变自身物理状态的材料。相变材料分为有机相变材料、无机相变材料和复合相变材料。相变冷却是利用相变材料的相变潜热吸收热量的被动式冷却方式,石蜡是一种研究较多的相变材料。 

相变冷却具有散热速度快、控温均匀性高、低温保温等优点,还可根据相变材料种类、将相变材料与其他材料复合等手段提高理化性能。采用相变材料冷却可以减少电池系统占用的空间,且不会额外消耗电池的能量。但也存在导热系数低、易泄漏等缺点。如果将相变冷却与其他热管理方式相结合,及时将相变材料吸收的热量散失到外界环境中,则可持续发挥相变材料的冷却作用。

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当前,电动车迭代中,无一不是把电池热管理的技术创新放在十分重要的位置,例如,比亚迪海豹的热管理系统把冷媒回路和水回路统筹起来,借助Nonavalve的开关的组合,支持仅对空调或电池进行加热/冷却的4种模式、以及同时对空调和电池进行加热/冷却的4种模式。不过,空调制暖时将并用冷媒的热(热泵)与HVAC内设置的PTC加热器


在“制热&电池加热”模式下,通过关闭冷凝器用和电池冷却用切换阀,形成如下图所示的冷媒回路。系统运行是这样的:用压缩机加热的冷媒区分为车内冷凝器和电池,分别加热。然后冷媒通过膨胀阀,温度下降,通过板式换热器使冷却剂降温。同时回收逆变器和马达的排热,重新返回压缩机。

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未来,电动车电池热管理系统将会从多个方面不断突破,包括提高效率、降低成本、增强智能化等。以下是一些可能的技术发展趋势:


  • 智能化控制系统:未来的电池热管理系统将更加智能化,采用先进的控制算法和人工智能技术。通过实时监测电池的温度、充电状态和车辆运行条件,系统能够动态调整散热和加热策略,以最大程度地提高电池效率和寿命。

  • 相变材料的应用:相变材料是一种可以在特定温度范围内吸收或释放热量的材料。在电动车电池热管理系统中,相变材料的应用有望改善热能储存和释放效率,提高系统的能量密度和热管理性能。

  • 高效散热技术:创新的散热技术将成为未来的发展方向,例如采用更高效的散热材料、设计更复杂的散热结构以增大散热表面,以及利用先进的液冷系统等。这有助于在高温环境中更有效地散发多余的热量。

  • 热电材料的利用:热电材料可以将热能直接转化为电能,未来的电池热管理系统可能会探索利用热电效应,将部分废热转化为可用的电能,提高整个车辆能源利用效率。

  • 柔性散热结构:采用柔性和轻量化的散热结构,如柔性散热片或散热涂层,以适应电池组件的形状和安装空间,提高系统的整体灵活性和适应性。

  • 环保材料的使用:在电池热管理系统中采用更环保的材料,减少对环境的负面影响,符合全球可持续发展的趋势。

  • 高能量密度电池的应用:随着电池技术的不断进步,未来电动车可能会采用更高能量密度的电池,对电池热管理系统提出更高的要求,以确保在高能量密度下依然能够保持稳定的温度。

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