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    泡沫金屬加入電池制作后,電動汽車電池熱管理面臨新的挑戰與機遇

    時間:2020-11-30   訪問量:1877


    信息來源 | UTEV Cristina Amon教授,熱管理行業觀察

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    泡沫金屬加入電池制作后,電動汽車電池熱管理面臨新的挑戰與機遇。


    1.不算泡沫銅價格,電動汽車的規模與電池成本


    2010年,全世界預計有17000輛電動汽車(EV),到2020年,上路的電動汽車約為720萬輛,到2030年,根據國際能源署的預測電動汽車將達到1.4億至2.45億輛。


    假設目前的電動汽車政策在未來依然正常發揮效用,到2030年,電動汽車數量將達到1.4億輛,占汽車總量20億輛的7%;如果未來采取更積極的激勵措施和政策,到2030年,電動汽車的數量將攀升到2.45億輛,占汽車總量的12%。


    電動汽車電池的成本一直在迅速下將,在新材料泡沫銅泡沫鎳、簡化的電池組設計以及更低的制造成本推動下,電池成本將從2020年的平均156美元/kWh,下降到2030年的61美元/kWh,其中包括了單體電池、模組封裝及熱管理、泡沫金屬等成本。


    2.電池熱管理挑戰與機遇


    電動車的成本一直在下降,加上政府的激勵措施,電動汽車與內燃機汽車相比正在變得有競爭力。但是,行駛里程焦慮依然是一個大問題,影響電動車的大規模推廣。


    增強熱管理,擺脫里程焦慮


    如何解決里程焦慮,有兩個基本辦法:第一個辦法是增加電池容量,但這導致更大電池包尺寸、重量和成本。第二種方法是增加快速充電及其公共基礎設施建設,這將使用戶能夠更快更頻繁地為電動汽車充電,得到類似于到常規加油站加油的體驗。這要求在5至10分鐘左右的充電能夠行駛約200公里,XFC快充可以實現這一點,但需要超過350kW的充電功率。當充電功率達到25kW或以上時,此時最重要的工作是消散充電過程電池產生的大量熱量(通常使用泡沫金屬作為散熱材料)。


    在改善電動汽車性能及其相應的駕駛體驗,例如將電池保持在最佳溫度(鋰離子電池最佳溫度在15至35℃),或需要在極端溫度下加熱和冷卻電池等方面,都存在熱挑戰和機遇,現在比較好的辦法是使用三和新材料生產的泡沫銅、泡沫鎳等新材料作為散熱材料。另一個熱挑戰是保持單個電池以及數千電池內部的溫度均勻,這需要在電池包級別進行有效冷卻。另一個問題是減輕電池退化和老化,這將有助于最大程度地延長使用壽命。所有這些問題都與溫度有關,其它熱問題甚至與安全有關,熱管理能幫助我們盡量擺脫著火和棄車逃亡的危險。


    所有這些都需要技術,尤其是熱管理系統的創新,例如部署電動汽車智能熱管理系統。電動汽車熱管理系統提供冷卻以及加熱包括電池、乘員艙到連接到電源的電動機逆變器以及功能差異化很大的車載電子產品,讓它們滿足使用溫度要求。


    3.EV熱管理系統回路


    電動汽車(EV)熱管理系統通常具有三個主要回路,在針對不同應用的各種架構中,回路之間可以進行有效組合。下面的圖片展示了一種具有代表性的方案。



    藍色電路執行關鍵的冷卻、加熱,保持電池在較窄的溫度范圍內實現最佳性能。這是低溫回路,通常采用水乙二醇冷卻液。相比內燃機汽車,這部分回路的溫度明顯低很多,而且在寒冷的天氣可能還需要預加熱處理。


    紅色回路用于冷卻電動機和逆變器,這部分分布著具有最高溫度的電力電子設備,溫度變化范圍大概從100℃到150℃。通常情況下,這部分回路的工作流體也是水乙二醇。


    黃色回路是蒸汽壓縮制冷,經換熱器循環,為乘員艙提供熱舒適性。這一回路可以有不同的制冷劑,如合成的R1234yf或自然二氧化碳氣體。導電海綿-48LE-2.5_副本.png


    4.電池熱管理的機遇與挑戰


    為實現快速充電,我們需要更高級別的電池散熱技術來增強散熱。在充電功率從1-5kW增加到25kW以上的過程中,充電系統不得不提高熱管理系統負荷量,以滿足電池在快速充電過程的散熱需求。一種流行的做法是采用冷凍水或冷卻劑,對充電站和電動汽車進行液體冷卻。但是,這需要一個協調方案來整合這兩套冷卻系統。


    電池熱管理系統,保持電池在最佳溫度范圍內工作,對于改善電池性能至關重要,延長行程里程,減少電池降解并延長壽命。熱故障經常發生在兩端的極限溫度,例如在低溫下快速充電,會發生析鋰和開裂;在高溫下,會發生固體電解質界面生長(SEI growth),導致熱失控,著火或爆炸。


    熱管理系統的另一個要求,是能夠保持電池單體以及電池包內部溫度均勻,不管是在串聯或并聯的情況下,確保所有電池單體的老化降解程度保持一致。


    先進的溫度感測技術,可以提供實時數據以便部署主動冷卻,這需要采用嵌入式傳感器,用電池或回路中的傳感器監視熱點的冷卻效果,并提前預警潛在的故障。另外還可以利用熱泵,回收電子設備或其它部位的廢熱,降低電制熱帶來的電量消耗。


    5.UTEV電池技術


    UTEV是多倫多大學電動汽車研究中心的簡稱,該中心與產業合作伙伴一起專注于電動汽車(EV)開創性技術的應用發展。UTEV組裝制造的多功能可擴展電池模組與電動汽車熱管理系統的集成方法,通過設計優化能夠快速調節溫度均勻度,幫助解決不同方面的熱挑戰。



    UTEV的電池包設計具有雙重功能,能夠滿足機械支撐和冷卻要求,其采用平行液體冷卻模塊,降低接觸熱阻,可提供出色的加熱冷卻性能。并行排列的冷卻模組允許平均分配冷卻液,通過微流道冷卻技術,最小化整個電池單元的溫度梯度,并提供快速充電所需的快速冷卻。另外熱交換器也可以用輕質材料制成,冷卻組件可能僅占電池包總重量的10%。


    6.電池分層建模與多尺度熱仿真



    分層、多尺度和多物理場建模在構建UTEV電池技術中至關重要。EV技術的進步需要熱電方面的知識,并理解熱電化學現象在多個尺度上高度耦合的相聯關系。需要從整體角度來了解及模擬仿真熱的產生,從各個單元開始,到單元之間的互連,然后遍歷整個車身的熱管理系統來理解溫度在電池系統中的影響,并進行集成和優化。


    電池的熱性能與電化學性質一樣重要,但人們往往通常忽略了在納米尺度模型中去計算電池電極的散熱能力和評估溫度引起的現象。對于納米級別的電極熱仿真,它們的熱導率取決于電池的電量狀態,只能在電池組上進行評估。在電池單體級別上電極處發生的熱故障,可以通過納米級別的電極熱仿真獲得預測。


    同樣對于汽車半導體電子設備,如逆變器等電力電子設備,我們需要考慮所有相關維度,從原子級到晶體管再到逆變器和車載充電器磁場等方面執行熱管理系統的集成和優化。



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