一種低成本高效率的電芯單體熱管理測(cè)試方法

關(guān)鍵詞：電芯單體；熱管理；低成本；高效率

0前言

隨著環(huán)境保護(hù)的需求越來(lái)越強(qiáng)烈，氣候變暖、環(huán)境惡化、化石能源匱乏等全球性問(wèn)題逐漸引起人們的關(guān)注，人類的發(fā)展需要更多地考慮環(huán)境因素，與大自然和諧共處，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。燃油汽車(chē)排放的尾氣對(duì)環(huán)境造成很大污染，在各國(guó)政府的共同努力之下，新能源汽車(chē)逐漸被提上人類發(fā)展的戰(zhàn)略位置。推廣新能源汽車(chē)是實(shí)現(xiàn)我國(guó)“碳達(dá)峰”和“碳中和”目標(biāo)，應(yīng)對(duì)全球氣候危機(jī)的有效途徑之一［1-2］。

隨著有關(guān)政策的扶持和推動(dòng)，新能源汽車(chē)憑借其節(jié)能、環(huán)保、低噪聲等優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)逐漸由概念走向產(chǎn)業(yè)并正式蓬勃發(fā)展起來(lái)。但是，仍然有許多民眾在燃油汽車(chē)和新能源汽車(chē)兩者的選擇中反復(fù)徘徊，其中選擇的天平是否向新能源汽車(chē)方面傾斜，主要取決于兩點(diǎn)：第一，滿足更環(huán)保經(jīng)濟(jì)的需要；第二，解決新能源汽車(chē)?yán)m(xù)航焦慮和電池壽命的問(wèn)題。新能源動(dòng)力電池作為整個(gè)新能源汽車(chē)的心臟，能持續(xù)為汽車(chē)提供動(dòng)力，很大程度上決定了車(chē)輛的續(xù)航能力［3］。因此，如何提升電池續(xù)航是廣大電池生產(chǎn)廠商迫切需要解決的問(wèn)題［4］。

目前，增加電池的續(xù)航能力的主流方法有：① 通過(guò)選擇合適的電芯體系和開(kāi)發(fā)新型的電極材料直接提升電池能量密度，從而改善車(chē)輛續(xù)航能力；② 在有限的電池空間內(nèi)布置更多的電芯單體來(lái)提高電池整體的能量密度，從而增加續(xù)航里程［5］。目前多數(shù)廠商選擇第二種方法，但這種方法也存在一些弊端：在車(chē)輛實(shí)際運(yùn)行時(shí)，由于電池包內(nèi)電芯堆放密集，極易在狹小的空間內(nèi)產(chǎn)生并聚集大量的熱量，而鋰離子電池對(duì)工作溫度高度敏感［6］，一般在20～35 ℃能實(shí)現(xiàn)車(chē)輛最佳的功率輸出和輸入、最大的可用能量和最長(zhǎng)的循環(huán)壽命，箱體內(nèi)部過(guò)多的熱量聚集會(huì)導(dǎo)致電芯溫度的上升，極大影響電池的壽命和使用安全［7］。

因此，從電池設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)人員的角度，不僅需要提升電池的能量密度來(lái)加強(qiáng)車(chē)輛的續(xù)航能力，還需要不斷改善和優(yōu)化電池包熱管理策略；而對(duì)電池測(cè)試人員而言，更重要的是需要幫助企業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出一種更能反映產(chǎn)品實(shí)際工況的測(cè)試方法，使其在電池體系研發(fā)階段能夠獲得更為精確的試驗(yàn)結(jié)果。

1設(shè)計(jì)思路

針對(duì)電池的電化學(xué)性能和安全性能，目前主要有以下三類測(cè)試主體：電芯單體、模組和電池包系統(tǒng)。在研發(fā)初期，企業(yè)更多選擇使用電芯單體進(jìn)行相關(guān)測(cè)試，而在實(shí)際應(yīng)用中，電芯單體需要先組裝成模組，模組再封裝成為電池包。在電池包內(nèi)電芯單體往往并不是作為獨(dú)立個(gè)體存在，通常會(huì)配備對(duì)電池溫度進(jìn)行監(jiān)控和調(diào)整的熱管理系統(tǒng)，如水冷系統(tǒng)、風(fēng)冷系統(tǒng)、加熱裝置等。所以，對(duì)于研發(fā)階段的電芯單體測(cè)試，將電芯單體直接作為獨(dú)立個(gè)體進(jìn)行性能類試驗(yàn)，一定程度上確實(shí)可以反映電芯樣品的優(yōu)劣，但并未準(zhǔn)確還原實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中電芯的工作環(huán)境，無(wú)法對(duì)后續(xù)電池包系統(tǒng)的測(cè)試提供有力的數(shù)據(jù)支持，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)o產(chǎn)品的方向判斷產(chǎn)生誤導(dǎo)，無(wú)形中增加了整體項(xiàng)目的研發(fā)成本。當(dāng)下各種常見(jiàn)的針對(duì)電芯單體的充放電設(shè)備并不直接具備熱管理功能，要實(shí)現(xiàn)相關(guān)能力則需另外增加對(duì)應(yīng)的模塊，同時(shí)還要針對(duì)客戶的需求定制軟件操作界面，綜合成本較高，預(yù)計(jì)達(dá)50 000 元。這無(wú)疑也增加了試驗(yàn)室和客戶雙方的試驗(yàn)成本。

本文通過(guò)模擬實(shí)際電池包熱管理方式，采用市面上常見(jiàn)的溫控開(kāi)關(guān)、電磁閥、三通等配件，結(jié)合外置水冷機(jī)構(gòu)建了一套針對(duì)電芯單體的熱管理系統(tǒng)，準(zhǔn)確還原了電芯在實(shí)際應(yīng)用條件下的測(cè)試工況，有助于提升測(cè)試數(shù)據(jù)的可靠性，優(yōu)化了電池體系測(cè)試過(guò)程。在提升測(cè)試精準(zhǔn)度的前提下，極大地降低了企業(yè)的測(cè)試成本。

2方案分析

通過(guò)對(duì)客戶電池包內(nèi)電芯排布的實(shí)際情況進(jìn)行分析，針對(duì)電芯單體循環(huán)測(cè)試設(shè)計(jì)出一種簡(jiǎn)易、高效且成本較低的熱管理方案，具體的設(shè)計(jì)模型如圖1 所示。首先，在水冷機(jī)的出水端與進(jìn)水端的通路之間設(shè)置一些支路（具體支路數(shù)量可根據(jù)電芯的數(shù)目決定）；其次，在支路上安裝阻力調(diào)節(jié)閥、三通電磁閥和流量計(jì)等配件；再次，將水冷管粘貼至電芯側(cè)面，外部用保溫棉包覆；最后，將粘貼好水冷銅管的電芯單體串聯(lián)至該支路中。使用同樣的方法并聯(lián)其他待測(cè)電芯，搭建出一整套熱管理系統(tǒng)。該裝置中流量計(jì)及閥門(mén)的作用主要為了保持不同支路的流量保持一致，減小偏差；三通電磁閥需要同時(shí)配備一個(gè)溫控開(kāi)關(guān)聯(lián)合使用，當(dāng)檢測(cè)到單體電芯樣品溫度達(dá)到設(shè)置的溫度最大值時(shí)，三通電磁閥通電，開(kāi)關(guān)連通，將冷卻液從出口端經(jīng)各配件到達(dá)水冷管路給電芯降溫，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)水冷循環(huán)。反之，則不經(jīng)過(guò)樣品直接回到水冷機(jī)，即模擬實(shí)際樣品未觸發(fā)熱管理的情況下的正常充放電過(guò)程。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3. 1 方案一

方案一配備水冷裝置，其循環(huán)測(cè)試結(jié)果如圖2所示。由圖2可以看出：使用該水冷方案后在充電階段隨著容量的逐漸增加，電池單體的溫度并沒(méi)有因?yàn)閮?nèi)部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)不斷產(chǎn)熱而持續(xù)增加，反而基本能控制在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的區(qū)間內(nèi)（29～35 ℃），最高溫度僅34.1 ℃，因此電芯在充放電過(guò)程中始終能處于適宜電池使用的溫度區(qū)間內(nèi)（20～35 ℃）。同時(shí)，為了更好地模擬電芯單體在電池包系統(tǒng)內(nèi)的實(shí)際狀態(tài)，在電芯單體樣品外側(cè)均包裹上保溫棉（如圖3 所示），減少和空氣的快速熱交換，從而可以獲得更加準(zhǔn)確的電性能。

3. 2方案二

方案二不配備水冷裝置，其循環(huán)測(cè)試結(jié)果如圖4 所示。電芯單體在不斷充電過(guò)程中溫度持續(xù)升高，最高溫度可達(dá)45.6 ℃，相比于方案一的樣品溫度最高升高約34.9%（見(jiàn)表1）。溫度對(duì)電池性能的影響至關(guān)重要，過(guò)高的溫度將嚴(yán)重影響電芯的實(shí)際性能，使其性能有較大的衰減。

由于實(shí)際電芯單體在電池包內(nèi)部所處的環(huán)境是具備水冷裝置的，而大部分廠商針對(duì)單體電芯的測(cè)試卻不具備水冷裝置，測(cè)試條件與實(shí)際情況并不一致。這樣測(cè)出來(lái)的電芯單體循環(huán)結(jié)果必定存在一定偏離，引用此結(jié)果對(duì)電池包系統(tǒng)層面進(jìn)行判斷以及預(yù)估，不能起到較為關(guān)鍵的指導(dǎo)作用。相比于方案一提出的配備水冷裝置后的測(cè)試，采用方案二所得到的結(jié)果存在明顯弊端。綜上，使用配備水冷系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果更具有準(zhǔn)確性。

此外，該熱管理裝置所用到的主要配件綜合成本僅需2000元左右，僅為增加設(shè)備模塊（預(yù)計(jì)需要50000 元）成本的4%，既降低了客戶的測(cè)試研發(fā)費(fèi)用，又能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電芯單體執(zhí)行熱管理的要求，提升了客戶采用該結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度。

4結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種簡(jiǎn)易版的電芯單體熱管理系統(tǒng)，能夠準(zhǔn)確地模擬電芯單體處于電池包系統(tǒng)下的實(shí)際工況，從而實(shí)現(xiàn)更為精準(zhǔn)的電芯單體性能評(píng)估；同時(shí)，該系統(tǒng)成本低廉、安裝簡(jiǎn)便，避免了購(gòu)買(mǎi)相關(guān)通信模塊及開(kāi)發(fā)軟件所帶來(lái)的高成本及長(zhǎng)周期的缺點(diǎn)，在減少試驗(yàn)成本投入的同時(shí)提升客戶的滿意度，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)方與客戶方的雙贏結(jié)果。