天劲股份彭刚柔：软包动力电池组热管理方案探讨
天劲股份彭刚柔：软包动力电池组热管理方案探讨-主题论坛⑤：动力电池适应性极限及应用场景-电池中国网
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2018年11月8日，以“新时代·破而立：前行中的产业转折之路”为主题的“锂想”2018第三届动力电池应用国际峰会(CBIS2018)在北京兴基伯尔曼饭店开幕。天劲股份研究院副院长、高级研发工程师彭刚柔在峰会上发表主题演讲，以下为主题演讲内容。
尊敬的院士、专家、主办方、各位朋友，大家上午好！我是来自广东天劲科技股份有限公司的彭刚柔，我今天讲的主题是“软包动力电池组热管理方案探讨”。事实上这样的一个问题牵扯的还是挺多的，有一定的复杂性，这么短时间里面也只是做一个泛泛而谈吧。
这是今天发言的一个目录，首先我们先回顾一些背景信息，聊一聊动力电池发热模型的建立，对于一个热管理工程师，你可能会接触到很多导热材料或者其他的一些新型材料，这里对应用场景做一个简单的描述。现在动力电池的单位体积内的包含的能量慢慢的升高，液冷系统也成为一个标配，这里简单概述一个液冷系统大概包含哪些部分，设计过程中有哪一些问题我们大家可以注意一下的，最后对整个发言进行一个小结。
新能源汽车管理系统通常包含这些部分，空调系统，如果它是一辆混合动力车的话，可能还要对发动机冷却和传统冷却进行考虑，热管理在汽车节能、环保、安全、舒适性方面都有重要的作用，尤其是电动车的电池热管理很重要，直接关乎到我们动力电池的安全性、性能和常规使用的寿命等等。
众所周知，在电池工作的过程中，无论是充电、放电过程中都会产生热量的累计，造成各处温度的不均匀，进而影响到工作状态一致性的问题。所以我们就希望能够通过电池热管理系统能够让我们的动力电池发挥最佳的性能和寿命周期，并且将整个电池包的温度控制在一个合理的范围以内，通常在高温的时候进行散热、在低温的时候进行预热，遇到电池差异的时候进行预热这样的功能。之前的专家报告中提到，我们能量密度做的慢慢的升高，这样有机会让我们生产出更多长续驶里程的新能源汽车，并且进入更广泛的消费系统当中，这是行业的机遇。这样的一个过程当中我们也遇到了产热量增高、散热要求提高以及维护场景复杂化的一系列挑战，因此我想说的是，建立一个完善的热管理解决方案是对新能源汽车安全问题一个非常重要的组成部分。
事实上从这个层面上已经对热度问题当然有一定的考量了，在我们现行的强制性国家标准当中也纳入了热失控和热扩散的一些内容，当然这个还不是很完善，要对更多的常规使用的过程有更多的细则，大家认为热管理系统的市场规模在国内、国际都有很大的提升，也代表大家对热的问题越来越重视。
这样一张图，我们自己总结，一个系统热管理的流程，首先我们肯定是要根据整车的工况，EV也好、HEV也好，对我们电池组的充放电工况，电池的选择方式、空间质量进行综合考量，确认在整个热管理系统当中我们需要考察哪几个子系统，具体的设计当中，从概念设计、实际设计和优化验证整个过程中，我们也充分接近一些热分析的技术方式，这样保证我们整个设计形成一个合理的闭环。
热管理工程师，他需要建立的模型就是我们动力电池的发热模型，事实上这类模型很多，大家随便去搜索一下各类文献、文档，会有很多表述，比如说电化学和热模型，在高校和科研机构当中也做了很多的工作，但是事实上对于供电企业来说，因为电化学的模型有很多的函数是需要去标定的，我们认为这个是比较困难的，尤其是现在大家越来越强调BOL和EOL全生命周期对电池性能的评估，这样我觉得电热模型可能会更合适一些，这边举例比如电热模型，基本上依据我们在电池企业中大量拥有的一些标准测试的充放电试验，就可以对整一个完整的过程进行勾勒，我们只需要把电池拿出来检测一下就可以知道变化过程。这个模型过程挺简单的，六个方程对应六个未知数，解出来以后我们可以知道电池在正负极的交接面上的放电深度、开路电压、极化导电率、电流密度、正负极电池的分布情况，得到这些数据以后我们的电芯工程师就可以对放电均匀程度进行评估，来帮助我们去做电芯的优化设计，热管理工程师就可以求出它发热率的情况，并且考察整个电池的集成体电池包温度的变化过程。
优化电芯尺寸，平衡电量和温度的关系，最终我们结构部门的同事和电芯部门的同事，他们通过这样一个模型实现共通化。
前面提到的一系列模型，我们可以把它去做一些曲线，对整个电池进行总结，比如开路电压，这是一个标准测试，就是恒温情况下的结果，从实测都可以得到，通过比对，提高我们模型的准确性，最终我们得到这是一个持续放电过程中热功率变化的情况。
这是准确性的对比，我们认为基本上比较准确的抓取了电池放电动态过程中的热力值，这样我们也就有机会对模组或者整包或者不同的备件条件进行分析，这部分就是电池常规过程中的分析，也是热管理工程师起始的工作状态。事实上发热模型还应该包括对热安全的考察，我们推荐用这种绝热的方式去考察电池在濒临失控或者失控过程当中的情况，我个人比较幸运，因为在天津我们购置了这么一台EV—ARC，所以在家里我就可以去将温度、温升速率、在失控过程当中的发热功率进行测试，最终可以回答我们电池到底安不安全，包括锂离子电池施工的特性，和一旦出现一些灾难性的情况我们应当如何去应对。
这个图是来自清华实验室，我们通过得到一些实验数据，可以建立一些线下模型，对整个施工过程当中的温度和热功率的变化进行一些勾勒，这样有助于我们设计对应的应对措施，比如我们知道热功率需要设计相应的隔热层，尽量减少热扩散的可能性，包括对时间进程的预估，可以帮助我们设计整个电池动力系统在危险情况下的控制策略以及对逃逸时间的评估。
对于热设计工程师可能会接触到各种各样的导热材料，我想这个过程当中还是要根据实际应用的情况，这两个爆炸图是天津对物流车项目的两种标准的爆炸图，因为我们是主要做软包动力电池，所以在热方面，这种薄形片层状的电池，我们应该充分利用它的表面导热率相对较高的特点，充分利用它的侧边导热的优势。
我们先看右边这个图，右边那个图就是我们所谓侧边导热，又是一个设计概念，因为通过涂覆这样的导热材料，我们希望建立电芯向模组外壳的导热路径，为了实现这样一个设计概念，我们也尝试了不同体系的导热材料，国内、国外不同品牌的都有，给我的感觉是，我觉得国内的这些材料在一些理化特性上、性能指标上做的已经很不错了，但是形态和流变学的考量上还差很远，比如说国外的这些企业通常都会设有流变工程师或者流变科学家，他们对整个材料的形态会有更好的把握，这样有助于我们把材料有效并且平稳铺覆在导热交界面上，这样的过程直接关乎到工艺设计和工艺实现的过程，最终对整个电池工作的一致性产生影响。为了验证这样一个想法，我们做了一个挺笨的试验，我们把这个导热材料直接生成在绝缘膜上，用它把电池包起来放在模组里面做一些充放电试验，事实证明通过这样一个简单的办法可以把内外的温差进行减小，也通过这样一个简单的事例介绍一下传热路径建立的基本概念。
PCM，这个相变材料也是大家讨论比较热烈的材料，有些人甚至会说它会自立门户成为新的散热方式，我倒不这么认为，但是它是很有趣的材料，所以我们也做了一个模组试验。同样量的相变材料，我们把它以不同的方式排布在电池叠片的中间，事实上我们也做了一系列的试验，我这边给出的是一个循环试验，测试它的连续工作的能力，我们看一看，在多少周的循环之后整个模组会趋近于一个报警温度，通过这样一个图表可以看出，在PCM的潜热消能区温升有一定平缓的作用，事实上这个时间并不是很长，并不像我们在概念介绍的时候的平台，但是其实这并不是很明显的，这个也跟我们使用材料的量有直接关系。但是即便如此，这种材料作为一个比热比较大的材料，在后续的过程中确实起到比较好的功能，我们大家可以看到这个试验，在多周循环之后逐渐在一个比较平稳的过渡段，逐步达到一个稳态的情况，它还是能起到一定的均温和控温的效果。有趣的是，我们看这两个图案，虽然它们使用材料的量是差不多的，但是数据上还是会有一些偏差，事实上也就是证明了我们在模组设计热组的过程中也应当积极做一些优化的设计，提高我们导热材料的使用效率。
液冷系统，随着我们前面也提到了，新能源车型能量密度越来越高，电池冷却，不止是冷却，包括加热，我们希望赋予电池包更多的全天候工作的能力，液冷包括液热方式已经成为标配，常规的一个液冷系统要由水泵、冷板等等一系列组成，这样一张图基本上表征了液冷系统所包含的各个部件。
在整体设计过程中，我觉得有一些问题是需要去照顾到的。首先是设计目标的确认，主要包括电芯温度、温差、系统压降空间体系的要求，比如5度以内的温差，20—30千帕的压降控制，基于这样的设计目标，我们就可以把整个系统细分为好几个不同的子系统，比如说传热路径、液冷回路、冷板策略设计、结构设计、目标设计，传热路径设计主要是在不同的结点上把电量从核心的发热区域传递到可操作的区域，回路设计主要就是流量的稳定性，我们不希望在整个流程当中出现流量过大的偏差，还有冷却策略，什么时候开、什么时候关，牵扯到整个电池包能量效率的问题，我们最终还是希望更多的能量用于驱动上面，而不是辅助功能上面，这也是优化设计方案的过程。
另外结构设计，进行检查的时候他也要通过一系列的检测措施，所以包括漏液方面的评估也是需要工程师去反复验证，最后实现验证就有比如理化指标、性能的保证。
这里主要提取三个比较重要的问题，去引起大家更多的重视，我们知道电池是一个活跃的化学体系，它工作的时候它的热功率是一个变化的曲线，即便持续放热过程中热功率是不断变化的，更不用说我们平常开发过程中讨论比如NEDC工况等等。第二点，冷却策略的设计，直接关乎到整个系统的能量效率和优化的情况。
第三个问题是第二个问题的延伸，比如北京冬天零下5度需要什么样的新能源车，我可能需要去热车，但是问题是，包括我的热车策略是希望有15度流到水冷系统当中去，但是问题是大部分情况下在这个使用场景下可能没有办法很快把温度从零下加热到15度的状态，就是说在实际使用场景当中，尤其是偏极限一些的使用场景当中我们一定会出现液冷或者液流功率不足的情况，这种使用过程需要大家细化分析的。我如果可以把事情做得更细致一点，这样会更好，包括比如说深圳35度的夏天道理是一样的，都会有一个功率不足的时间段，这涉及到我们整个液冷设计过程中能量收敛的问题。
这个图就是一个简单的液冷系统加热或者冷却温度和流速分布的情况，通过刚才那个图也是想说明一下我们CFD技术也在应用到我们的实际工作当中。
最后小结一下，热管理工作越来越受关注，这个当然是一件好事。建立合理的热模型是我们工作的起点。新材料的导入和导热材料的使用是在我们建立整个热设计方案过程中很有意义的。最终，液冷系统有很多内容需要去考察，并且积极用CFD模型能够辅助我们设计。
