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英国伦敦帝国理工:未来需要更冷的电池

特普生科技 特普生科技 2023-03-14 12 437

——来自英国伦敦帝国理工学院研究院的研究报道

作者:DR.Alastair Hales/Dr. Laura Lander

新能源汽车的热管理系统还有很长的路要走。一个简单、通用的标准也许可以帮助研发人员实现技术的改进。英国伦敦帝国理工学院助理研究员Alastair Hales博士和Laura Lander博士对电动车的热管理的现状做了分析,并且表示未来我们需要‘’更冷‘’,**化的的电池来实现热管理的安全性和可靠性。

高性能、安全性、可持续性和低成本是对任何电池的主要要求。尽管近年来电动汽车 (EV) 电池组的成本迅速下降,(线这主要是由于规模经济和**效的制造工艺),但电动汽车的购买价格仍无法与内燃机 (ICE) 汽车相提并论。为了促进更广泛的市场渗透,电动汽车需要变得更实惠。

由于电池是EV车的重要部分,这将需要一再降低的电池的成本,包括购置成本和运营成本。因此,电池行业专注于进一步降低电池生产成本的战略,全球以美元每千瓦时 (US$/kWh) 衡量。与此同时,电池寿命对整体成本的影响常常被忽略,这也忽视了该行业的一项重要增长战略。

通过延长电池寿命,可以从电池本身提取更多价值,补偿前期成本,从而降低整体生命周期成本。了解电池劣化的原因并采取缓解措施是关键,无论是在电池材料层面还是通过电池组工程。后者可以通过先进的热管理系统来实现,证据表明,更有效的热管理策略可以降低运行中锂离子电池的退化率,从而延长电池组的使用寿命。

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奥迪是目前专注于改进电动汽车热管理系统的汽车制造商之一。

这表明,热管理系统的改进不仅会影响电池的生命周期成本,还会扩及到电池在其整个周期过程中对环境的影响:电池生产过程中产生的环境足迹可以通过延长电池的使用寿命来抵消。此外,这提高了材料资源效率并减轻了锂和钴等关键原材料供应链的压力。这显示了热管理系统对实现电池组的安全性、成本效益、高性能和可持续性的重大贡献。

然而,当前一代的热管理系统并不是最理想的。

“表面冷却”在电动汽车市场占据主导地位,但已发表的研究表明,如果在电池组设计中有效实施电池片冷却“Tab Cooling”,锂离子电池的使用寿命可以延长三倍。锂离子电池的形状和尺寸在整个市场上千差万别,导致热性能有很大差异,例如当内部热量产生使其温度升高时电池的行为方式。

电池行业正在努力优化热管理,因为没有定义热性能的标准。电池工程师可能会引用有效导热系数、热阻值或毕奥数。然而,这些是从其他工程部门借用的,在概念上存在缺陷,因为它们没有考虑锂离子电池本身产生的内部热量。此外,这些指标非常难以计算,需要永远不会出现在数据表中的信息,因为这是电池制造商严守的秘密。行业利益相关者陷入困境,无法比较不同的热管理方法以找到最适合他们要求的方法。

2020 年以来,电动汽车市场的主要参与者开始规范热管理,并取得了显着进展。奥迪 e-tron、大众 ID.3 和捷豹 I-PACE 包含类似的热管理系统,同样的概念也出现在亚洲市场,尤其是比亚迪的“刀片”电池。

然而,这种一致性是一个例外。

在当今的电池行业中,一切都与特定能量(有时称为能量密度)有关。特定能量用于整个行业,并普遍以每千克瓦时 (Wh/kg) 为单位引用。松下或 LG Chem 等电池制造商在电池级别相互竞争,以确定谁可以将最多的能量装入最小的电池中。同样,特斯拉或大众等电池组制造商也在电池组能量方面展开竞争。电池的比能量显示在其数据表上,而 EV 组的比能量经常成为汽车研讨会和更广泛媒体报道的头条新闻。对比能的广泛认可,以及行业随后将比能优化放在首位的趋势,凸显了简单通用指标的重要性。

电池冷却系数

电池冷却系数 (The Cell Cooling Coefficient 简称CCC) 可以成为热性能的通用指标。CCC 专为运行中的锂离子电池而设计,考虑到独特的发热特性,而不需要有关电池的任何信息,而大多数制造商不愿透露这些信息。每个电池都有自己的电池冷却系数,以瓦特每开尔文 (W/K) 为单位,定义电池所需的温度梯度,以便从电池中去除一定量的热量。 来自不同电池模组的电池冷却系数总是可以直接相互比较;它们的几何形状或化学成分无关紧要。电池冷却系数是推动不同电池制造商之间竞争的指标,也是电池组设计人员可以用来选择最适合其应用的电池的比较工具。

虽然无法同时针对高能量和高热性能进行优化,但是,必须达成一种妥协。活性材料——阳极、阴极和电解质——是绝热的,而高功率应用所需的电流收集器是金属的,具有很强的导热性,需要较低的比能。因此,当电池制造商的**重点是**限度地增加活性材料的数量时,不良的热性能是不可避免的。最近发表的 CCC 分析针对特定案例量化了此问题。 特定电池的热性能(即 CCC)可以提高 20%,而成本仅为比能量降低 0.7%。电池制造商必须采取措施实现这些设计变更,针对热性能和比能进行设计。

专为热性能设计的电池将改善电动汽车电池组。电池的比能略低,但这种损失将由电池组设计人员多次弥补,不再需要笨重且昂贵的热管理系统。正是通过这种方式,改进的电池级热性能将导致改进的电池组级比能量。2020 年以来,电动汽车市场的主要参与者开始规范热管理,并取得了显着进展。奥迪 e-tron、大众 ID.3 和捷豹 I-PACE 包含类似的热管理系统,同样的概念也出现在亚洲市场,尤其是比亚迪的“刀片”电池。然而,这种均匀性是一个例外:在我们考虑优化热管理之前,电池和系统设计还有很长的路要走。

电池冷却系数专为运行中的锂离子电池而设计,考虑到独特的发热特性,而不需要有关电池的任何信息,大多数制造商都不想透露这些信息。

电池冷却系数很重要,因为它是整个行业可以用来评估电池级热性能改进水平的指标。因此,采用 CCC 将有助于整体的系统级电池组设计,而不是为对系统有害的子系统优化设计。

电池化学和动力传动系统设计的渐进式进步将继续渗透到电池行业的各个层面。电动汽车市场将受益于**的电池组和能够在两次充电之间行驶更远的电动汽车。与此同时,电池组的使用寿命将更长,为最终用户增加价值,减少原材料供应和回收服务的压力,最终提高电动汽车的环境效益。

参考文献

1.Lander, L.等人。EV 锂离子电池的成本和碳足迹减少策略。申请 能源 289 , 116737 (2020)

2.Hunt, IA、Zhao, Y.、Patel, Y. 和 Offer, J. 与锂离子软包电池的极耳冷却相比,表面冷却导致加速退化。J.电化学。社会。163、A1846–A1852 (2016)

3.黑尔斯 A.等人。电池冷却系数:定义锂离子电池排热的标准。J.电化学。社会。166、A2383–A2395 (2019)

4.黑尔斯 A.等人。电池冷却系数作为优化电池组中锂离子电池热管理的设计工具。电子交通 6 , 100089 (2020)

特普生,成立于2011年,是国家高新技术、专精特新企业。主要研制NTC芯片热敏电阻温度传感器储能线束储能CCS集成采集母排储能模组铝巴等温度采集产品系列。一体化研制、一致性品质的特普生,竞争力优势明显:自主研制NTC芯片核心技术及实现医用0.3%精度;专利百项,保留不公开技术2项;为全球新能源产品、大消费品与工业品提供了定制化的温度采集技术。

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