面向高功率充放电应用的先进电动车电池热管理技术

作者：时间：2023-01-11来源：收藏

热管理在整个电动车包括电池的系统里面，是一个非常重要的角色。一方面它是电池实现高效率充放电的一个前提，另外一个它也是电池安全运行的一个重要的保障。今天主要从这个角度来做个分享。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/202301/442546.htm

电动车在全球主要市场的增长超过预期

首先是一个大概的市场趋势的分享，在过去的几年里，特别是从2019年开始，在全球主要的市场上，电动车的发展和渗透速度是远超预期的。

图1

如图可以看到这张图以欧洲市场英国为例，可以看到英国的机动车的配置总成的一个大屏结构，它的趋势在过去的一年里面的一个个转换。上面墨绿色的是BEV的市场份额。可以看到特殊的一点是，里面虽然有很多波动，但在整个趋势是处于快速增长的。到了今年，6月份左右，大概基本上会提高15%左右的水平。在中国市场上，这一个数字可能会更大。今年1月份开始虽然有很多不利的因素，比如是电池材料的价格大幅上涨，包括芯片的短缺，还有疫情的影响，但是我们第一季度国家电动车渗透率还是达到了23%的数据，这是非常快的一个增长速度。

图2

第二个考虑可以看到全球OEM是以前所未有的力度和速度，在进行一个电气化。如图2显示，大家可以看到众多的OEM他们制定的零排放汽车，其实所谓的ZEV里面主要是包括电池车，就是BEV和燃料电池车。当然里面绝大部分都是BEV。他们制定的实现零排放汽车的一个时间条。整体来看图中橙色部分是最多的，或者说很多OEM他们的规划大概在2030年开始实现部分零排放，甚至是全部的零排放。可见整个市场向电动车的转型是非常快速的。

快速充电已成为电动车重要的差异化技术

随着电动车整个市场的发展，同时就会引起电动车本身产品和技术的竞争也是日趋的激烈。之前在全球的主要市场上，做过一个市场调研。我们发现电动车如果要做到普及，其实需要跨越三个拐点。第一点是车价达到36000美金，第二点是每次充电续航里程要达到469公里，第三点是充电时间要达到31分钟。

在上面这张图可以看到，在过去十年当中，可以看到电动车的充电峰值功率其实是有一个很显著的增长的。高功率的充电和超级扩充，它在市面上的需求其实是日益显现的，为了实现快充，从电动车的技术或者设计角度来说，其实也需要做一些改变。

首先第一个是电动车的峰值充电功率不断提高，这样你可能需要要给更大的电池包，或者是更高的一个系统电压，比如是从700V升高到800V ，甚至是更高的电压平台。第二个就是你充电的倍率也会增加，这样就是要求有一个能够支撑高倍率充电的电芯技术。第三个就是在充电过程中需要控制电芯的最高工作温度以及电芯的均温性，以确保电池的安全以及耐久性。

下面就聊下具体的热管理系统是如何支撑大功率充电的。

我们如果想到大功率的充电或者快充，首先就是要提高充电的峰值功率，这样就有一个问题是不是充电功率高，充电的时间就一定短？我们可以看到一个例子，左边的图

可以看到图上墨绿色部分看到，第一辆车它的充电功率比较高，它的确会充进去的里程也是比较多，我们对比了两辆车的充电行为，这两辆车它们的充电的峰值功率是不一样的。车辆A的充电峰值功率比较高，是250千瓦。车辆B它的充电峰值功率比较低是A的一半150千瓦。然后比较了他们20分钟里面的充电可行使的里程数差异。一共充进去了149公里。车辆B只充进去了121公里稍微少一点，但是车辆A其实也没有车辆B的两倍。

再第二个充电十分钟里面，车辆A只充进了72公里的里程，而车辆B充进了99公里的里程。所以这里可见充电的峰值功率高，并不意味这这个充电一定快。右边的图展示了三种不同的充电的策略，其中蓝色的实线部分，你可以看到它的充电策略，是讲它有一个很高的峰值功率，但这个峰值功率并不能持久，它很快。往下面就是一个高开低走的一个形状。还有一个就是类似车辆A的一个充电策略。还有一个就是橙色部分，可以看到它的充电功率相对不是那么高可能是在150千瓦左右，但是它持续时间比较长，所以它整个在20分钟里面，它其实充进去的电量和里程数跟策略1其实是基本相当的，也解释了前面这两辆车的对比的原因。

从这个角度看，要实现快速充电取决于两个因素，一是峰值功率的大小，另一个是峰值功率可以维持的时间。作为理想的充电策略和充电曲线，如图中红色虚线部分所表示。它既有峰值的功率，又可以维持长时间。

那么为什么现实中不能实现这样的充电情况呢？里面因素有很多，包括电芯的因素。其中有一个非常重要的瓶颈热管理。因为你在高温充电的时候，电芯里面发出大量的热。如果超过热管理系统的能力，BMS为了安全它会有一个限流，会降低一个功率。下面我们可以看一下具体的热管理的一些原理或者对比。

这里是常见的一些电动车热管理结构，主要的就是分为风冷、间接水冷和浸没式液冷这三种方式。当然其他还有一些别的方式。这三个可能是比较主要的，针对不同的设计，包括比如是圆柱的或者是两包的，或者是方壳的，它具体的设计可能会有一些不一样。比如第一种风冷，它的功质，环境里面的空气跟热源、电芯是直接接触的，所以它也是一种直接冷却。但它的问题在于，空气本身是一个热的不良导体，它同时受到环境的温度一个很大的影响，所以风冷的能力是非常有限的。第二种就是间接液冷，是现在市场上一个主流的一个冷却方式，它用的是水合乙二醇的混合物，它本身就是解决了工质传热的一个问题是一个很好的流体。他的问题就是因为他能做到绝对的绝缘，它的热源和它散热的并不能直接接触，所以是一种间接冷却的一些方式。浸没式的直接冷却相当于解决了前面两种技术里面的一些问题，一些短板。液体跟热源跟电芯是直接接触的。本身有比较好的散热能力，从传入的角度讲，它会是一个比较理想的一个技术。