面向高功率充放電應(yīng)用的先進(jìn)電動(dòng)車電池?zé)峁芾砑夹g(shù)

作者：時(shí)間：2023-01-11 來(lái)源：

英飛凌汽車電子生態(tài)圈
- 掃碼關(guān)注
  獲取最新最全汽車電子
  技術(shù)方案與實(shí)用技巧

熱管理在整個(gè)電動(dòng)車包括電池的系統(tǒng)里面，是一個(gè)非常重要的角色。一方面它是電池實(shí)現(xiàn)高效率充放電的一個(gè)前提，另外一個(gè)它也是電池安全運(yùn)行的一個(gè)重要的保障。今天主要從這個(gè)角度來(lái)做個(gè)分享。

本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/202301/442546.htm

電動(dòng)車在全球主要市場(chǎng)的增長(zhǎng)超過(guò)預(yù)期

首先是一個(gè)大概的市場(chǎng)趨勢(shì)的分享，在過(guò)去的幾年里，特別是從2019年開(kāi)始，在全球主要的市場(chǎng)上，電動(dòng)車的發(fā)展和滲透速度是遠(yuǎn)超預(yù)期的。

圖1

如圖可以看到這張圖以歐洲市場(chǎng)英國(guó)為例，可以看到英國(guó)的機(jī)動(dòng)車的配置總成的一個(gè)大屏結(jié)構(gòu)，它的趨勢(shì)在過(guò)去的一年里面的一個(gè)個(gè)轉(zhuǎn)換。上面墨綠色的是BEV的市場(chǎng)份額?？梢钥吹教厥獾囊稽c(diǎn)是，里面雖然有很多波動(dòng)，但在整個(gè)趨勢(shì)是處于快速增長(zhǎng)的。到了今年，6月份左右，大概基本上會(huì)提高15%左右的水平。在中國(guó)市場(chǎng)上，這一個(gè)數(shù)字可能會(huì)更大。今年1月份開(kāi)始雖然有很多不利的因素，比如是電池材料的價(jià)格大幅上漲，包括芯片的短缺，還有疫情的影響，但是我們第一季度國(guó)家電動(dòng)車滲透率還是達(dá)到了23%的數(shù)據(jù)，這是非?？斓囊粋€(gè)增長(zhǎng)速度。

圖2

第二個(gè)考慮可以看到全球OEM是以前所未有的力度和速度，在進(jìn)行一個(gè)電氣化。如圖2顯示，大家可以看到眾多的OEM他們制定的零排放汽車，其實(shí)所謂的ZEV里面主要是包括電池車，就是BEV和燃料電池車。當(dāng)然里面絕大部分都是BEV。他們制定的實(shí)現(xiàn)零排放汽車的一個(gè)時(shí)間條。整體來(lái)看圖中橙色部分是最多的，或者說(shuō)很多OEM他們的規(guī)劃大概在2030年開(kāi)始實(shí)現(xiàn)部分零排放，甚至是全部的零排放?？梢?jiàn)整個(gè)市場(chǎng)向電動(dòng)車的轉(zhuǎn)型是非?？焖俚?。

快速充電已成為電動(dòng)車重要的差異化技術(shù)

隨著電動(dòng)車整個(gè)市場(chǎng)的發(fā)展，同時(shí)就會(huì)引起電動(dòng)車本身產(chǎn)品和技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)也是日趨的激烈。之前在全球的主要市場(chǎng)上，做過(guò)一個(gè)市場(chǎng)調(diào)研。我們發(fā)現(xiàn)電動(dòng)車如果要做到普及，其實(shí)需要跨越三個(gè)拐點(diǎn)。第一點(diǎn)是車價(jià)達(dá)到36000美金，第二點(diǎn)是每次充電續(xù)航里程要達(dá)到469公里，第三點(diǎn)是充電時(shí)間要達(dá)到31分鐘。

在上面這張圖可以看到，在過(guò)去十年當(dāng)中，可以看到電動(dòng)車的充電峰值功率其實(shí)是有一個(gè)很顯著的增長(zhǎng)的。高功率的充電和超級(jí)擴(kuò)充，它在市面上的需求其實(shí)是日益顯現(xiàn)的，為了實(shí)現(xiàn)快充，從電動(dòng)車的技術(shù)或者設(shè)計(jì)角度來(lái)說(shuō)，其實(shí)也需要做一些改變。

首先第一個(gè)是電動(dòng)車的峰值充電功率不斷提高，這樣你可能需要要給更大的電池包，或者是更高的一個(gè)系統(tǒng)電壓，比如是從700V升高到800V ，甚至是更高的電壓平臺(tái)。第二個(gè)就是你充電的倍率也會(huì)增加，這樣就是要求有一個(gè)能夠支撐高倍率充電的電芯技術(shù)。第三個(gè)就是在充電過(guò)程中需要控制電芯的最高工作溫度以及電芯的均溫性，以確保電池的安全以及耐久性。

下面就聊下具體的熱管理系統(tǒng)是如何支撐大功率充電的。

我們?nèi)绻氲酱蠊β实某潆娀蛘呖斐洌紫染褪且岣叱潆姷姆逯倒β?，這樣就有一個(gè)問(wèn)題是不是充電功率高，充電的時(shí)間就一定短？我們可以看到一個(gè)例子，左邊的圖

可以看到圖上墨綠色部分看到，第一輛車它的充電功率比較高，它的確會(huì)充進(jìn)去的里程也是比較多，我們對(duì)比了兩輛車的充電行為，這兩輛車它們的充電的峰值功率是不一樣的。車輛A的充電峰值功率比較高，是250千瓦。車輛B它的充電峰值功率比較低是A的一半150千瓦。然后比較了他們20分鐘里面的充電可行使的里程數(shù)差異。一共充進(jìn)去了149公里。車輛B只充進(jìn)去了121公里稍微少一點(diǎn)，但是車輛A其實(shí)也沒(méi)有車輛B的兩倍。

再第二個(gè)充電十分鐘里面，車輛A只充進(jìn)了72公里的里程，而車輛B充進(jìn)了99公里的里程。所以這里可見(jiàn)充電的峰值功率高，并不意味這這個(gè)充電一定快。右邊的圖展示了三種不同的充電的策略，其中藍(lán)色的實(shí)線部分，你可以看到它的充電策略，是講它有一個(gè)很高的峰值功率，但這個(gè)峰值功率并不能持久，它很快。往下面就是一個(gè)高開(kāi)低走的一個(gè)形狀。還有一個(gè)就是類似車輛A的一個(gè)充電策略。還有一個(gè)就是橙色部分，可以看到它的充電功率相對(duì)不是那么高可能是在150千瓦左右，但是它持續(xù)時(shí)間比較長(zhǎng)，所以它整個(gè)在20分鐘里面，它其實(shí)充進(jìn)去的電量和里程數(shù)跟策略1其實(shí)是基本相當(dāng)?shù)模步忉屃饲懊孢@兩輛車的對(duì)比的原因。

從這個(gè)角度看，要實(shí)現(xiàn)快速充電取決于兩個(gè)因素，一是峰值功率的大小，另一個(gè)是峰值功率可以維持的時(shí)間。作為理想的充電策略和充電曲線，如圖中紅色虛線部分所表示。它既有峰值的功率，又可以維持長(zhǎng)時(shí)間。

那么為什么現(xiàn)實(shí)中不能實(shí)現(xiàn)這樣的充電情況呢？里面因素有很多，包括電芯的因素。其中有一個(gè)非常重要的瓶頸熱管理。因?yàn)槟阍诟邷爻潆姷臅r(shí)候，電芯里面發(fā)出大量的熱。如果超過(guò)熱管理系統(tǒng)的能力，BMS為了安全它會(huì)有一個(gè)限流，會(huì)降低一個(gè)功率。下面我們可以看一下具體的熱管理的一些原理或者對(duì)比。

這里是常見(jiàn)的一些電動(dòng)車熱管理結(jié)構(gòu)，主要的就是分為風(fēng)冷、間接水冷和浸沒(méi)式液冷這三種方式。當(dāng)然其他還有一些別的方式。這三個(gè)可能是比較主要的，針對(duì)不同的設(shè)計(jì)，包括比如是圓柱的或者是兩包的，或者是方殼的，它具體的設(shè)計(jì)可能會(huì)有一些不一樣。比如第一種風(fēng)冷，它的功質(zhì)，環(huán)境里面的空氣跟熱源、電芯是直接接觸的，所以它也是一種直接冷卻。但它的問(wèn)題在于，空氣本身是一個(gè)熱的不良導(dǎo)體，它同時(shí)受到環(huán)境的溫度一個(gè)很大的影響，所以風(fēng)冷的能力是非常有限的。第二種就是間接液冷，是現(xiàn)在市場(chǎng)上一個(gè)主流的一個(gè)冷卻方式，它用的是水合乙二醇的混合物，它本身就是解決了工質(zhì)傳熱的一個(gè)問(wèn)題是一個(gè)很好的流體。他的問(wèn)題就是因?yàn)樗茏龅浇^對(duì)的絕緣，它的熱源和它散熱的并不能直接接觸，所以是一種間接冷卻的一些方式。浸沒(méi)式的直接冷卻相當(dāng)于解決了前面兩種技術(shù)里面的一些問(wèn)題，一些短板。液體跟熱源跟電芯是直接接觸的。本身有比較好的散熱能力，從傳入的角度講，它會(huì)是一個(gè)比較理想的一個(gè)技術(shù)。