未來全固態電池,真得不需要冷卻嗎?
----高效節能熱管理系統仍是當下發展趨勢
鋰離子電池,通過一定數量串并組合,裝配在汽車上,成為動力電源的哪一刻,高成本、大體積、高質量、溫度適應敏感、熱失控安全等問題,就一直困擾著我們。
全固態電池能提供更好的安全、更大的容量、更快的充電,被公認是下一代電池技術路線的發展方向。
韓國的三大電池巨頭聯手;日本23家車企、電池、材料公司、科研院校單位聯合;歐美研發規劃;德國大眾豪擲1億美元投資電池技術公司,他們之所以瞄準和布局固態電池,并且加速核心技術攻克走向商業化,都是想在未來動力電池市場竟爭中搶得先機。
全固態電池“讓各路英雄竟折腰”,其中作為電池的保鏢,安全保障、功能保障的熱管理系統發展趨勢,又該是什么樣的景象呢?
豐田提出全固態電池不需要冷卻
前期,豐田在各種不同場合,多次闡述其研發的全固態電池特點,除了重要的高安全特性,還解決和滿足了長續駛里程需求,快充電特性,同時,還不需要冷卻,體積可以縮減一半。(下圖為目前應用典型的電池系統冷卻板體積)
在早期,豐田執行副總裁勒羅伊(Didier Leroy)這樣描述,豐田在固態電池技術的知識產權方面處于領先地位,可以讓電池更安全,體積變的更小。
“Executive Vice President Didier Leroy believesToyota is the leader in solid-state battery technology in terms of intellectualproperty. He sees them as a "game-changer" with the potential todramatically improve driving range.
Leroy said:Toyota's solid-state batteries are based onlithium ion technology but can operate at a higher temperature than currentlithium ion batteries. They do not require cooling and thus are much smaller.”
讓我們掀開全固態電池關鍵指標一角,探究一下這些特點生成原因。
全固態電池耐熱特性、低溫特性、倍率特性突出
來自Kentaro YOSHIDA and Keizo HARADA “All-Solid-StateLithium Batteries with Wide Operating Temperature RangeMitsuyasu”對基于硫化物全固態電池做的幾項測試(主要針對小容量電池的測試):
高溫耐受性測試:從下圖示,電池在高溫170℃規定的充放電(The test conditions were a constant current of0.3 mA charge/discharge, charged to 0.3 mAh, and discharged to 3.0 V)、循環條件下,可以觀察到,容量在高溫下,非常穩定,變化很小,也就是說,副反應并沒有顯著的增加。
低溫耐受性測試:從下圖示,電池在低溫-40℃規定的充放電(The test conditions were a constant current of0.02 mA, charged to 0.02 mAh, and discharged to 3.0 V)、循環(試驗條件為恒流0.02mA,充至0.02 mAh,放電至3.0 V)條件下,可以觀察到,容量因低溫影響,也是非常小的,仍然有很穩定的放出和充入。
放電倍率特性:如下圖示,常溫下,在24C高倍率下放電,容量為低速率0.5C下的89%,說明該電池具有優良的功率特性。
上述測試條件,相比現在的商業化動力電池確實還有很大的局限性和差距,但是固態電池從娘胎里帶來的優點還是非常明顯的,在如此高的溫度條件,表現如此穩定,安全性可見一斑。
對于一般液態電解質電池,其策略保護,高溫>50℃進入報警狀態;70℃進入熱失控風險區。低溫環境, <0℃限制充電電流。電池在很窄的15~45℃范圍內才能穩定的工作。同時,為了保證電池系統的壽命,溫差范圍要求控制在<5℃。
其實,熱管理的作用,首先是保障電池安全,其次才是保障特性功能的最好發揮。如果電池本身在高低溫下就很安全。哪么,對熱管理的需求會相應降低。
全固態電池大大降低了對冷卻系統的依賴
有資料顯示,全固態電池耐熱性在(80~120℃)、阻燃性(200℃),均遠遠高于現有應用的液態電解質的鋰離子電池。這主要與電解質形態和結構有直接的關系。
全固態電池使用的固體電解質,是區別于液態有機電機解質的主要特征材料,現在主要研究的有兩種類型,氧化物和硫化物。目前包括豐田的全固態電池,主要是基于硫化物類型全固態電池研究。
現在應用的液態電解質電池,也并非都是裝備有水冷板的熱管理系統。早在日本Nissan leaf EV車上,一直延續著沒有冷卻板,依靠電池殼體自然冷卻的產品設計(如下圖)。
對于EV電池系統,主要滿足較低倍率的充放電功率需求,在冷卻方面對熱管理表現的沒有功率型的HEV明顯。但是在低溫環境,環境適應性是得不到滿足的。所以說,對于全溫度的工況需求,更多的增加了水冷板式的熱管理系統。
這本身也是矛盾的。現有龐大的水冷系統,從成本角度,體積方面,都是不利的。
全固態電池耐熱性溫度范圍放大,安全性得到了保障。削弱了對水冷系統的依賴性。契合了解決成本和體積矛盾的想法。
盡管全固態電池如此誘人,但是,還不能停止現有熱管理技術的發展的腳步。
豐田表示,其全固態電池仍需10年的發展和成熟
全固態電池要想全面大批量投入生產和應用,還需要很長的一段時間。
豐田表示:“我們確實說過,希望在本世紀20年代初提供固態電池。但事實上,這不會是大規模生產的基礎上。我們將小批量的試產開始,用于試點項目,我們永遠不會在客戶身上做實驗。2030年,可能是更現實的時間節點”。下圖是豐田技術路線規劃表。
熱管理高效和節能,需要繼續探索和研究
從Tesla車型演變案例觀察分析:
Tesla產品,一直以來引起地球人足夠的好奇。其設計的精妙也確實堪稱典范。正如Elon Musk 對團隊的管理和要求一樣,在他們眼里“沒有做不到的事情”。
在熱管理功能單元組合中,透過產品的演變狀態,可以看出一些端倪。
來自Tesla 官方論壇中,也對model 3 熱管理的演變做了闡述:
“What you may have heard is there is noresistive heater, like the S/X. Instead, Tesla uses the motor as the heater - avery clever design. I wouldn't be surprised if they move the M3 system to theS/X in the future. While it does saves a little amount of money, it also shouldincrease the range a little, and improves the overall system reliabilityslightly as well.”
“There are at least two types of batterymanagement; temperature and cell balancing. The Model 3 employs both of these.The temperature management is a little different than that in the S and X. The3 doesn’t have a dedicated battery heater. Instead it generates heat by sendingpower to the motor (even when not moving) this heat is channeled to the batteryusing a fluid. All three models use a heat pump for battery cooling. All threemodels use a cell balancing algorithm as well”
關于電池加熱形式的變化,由PTC加熱改變為利用電機接通電流零扭矩加熱,其技術優缺點有待于后期進一步研究分析,現在還不能量化和說清楚。
其中一點是肯定的,提高熱系統效能的同時,一定是做到了降本。是雙贏的結果。這種“沒有做不到”的創新精神,值得學習。
結束語
全固態電池通過不斷的研究,商業思路已非常清晰。其中,配套的熱管理系統,也需要同步的跟進和發展。“不需要冷卻”的說法,難免有斷章取義之嫌,我想豐田應該也不是這個意思,一定是有所限,有所指,留得后期認真思考和啟發。
同時,在目前的熱管理應用方面,做到高效、節能,仍然有很多工作需要做:從終端的冷卻板結構,到管理的控制技術,電池溫度精準采集傳感技術、溫度異常熱失控主動防御技術,管理策略等等,都在等著我們研究和分析。
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原文標題:未來全固態電池需要冷卻嗎?
文章出處:【微信號:QCDZSJ,微信公眾號:汽車電子設計】歡迎添加關注!文章轉載請注明出處。
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