水冷板代替电池包横纵梁,叠加双层冷却通道设计,同时具备支撑、水冷、隔热、缓冲四大功能。此外电芯采取双排背对背方式侧立排布,因此可放入更多电芯,更有利于快充技术,同时安全性、体积利用率大幅提升。
首席科学家吴凯:麒麟电池不将水冷板放在底部,而是插入电芯间,水冷效果极大加强,好处为:1)大幅提高安全性,水冷板附加隔热作用,可实现无热扩散;2)提升快充性能,电芯双面水冷,4C充电产品23年亮相;3)提升循环寿命,电芯加紧后寿命会短一半,也就是放松一点的话,循环寿命能长一倍,水冷板附加缓冲作用;4)提高比能量:水冷、隔热、缓冲功能三合一,空间得到大幅节省,磷酸铁锂可达160Wh/kg、290Wh/L,三元高镍可达到250Wh/kg,450Wh/L,比4680多装13%的电量。
水冷板代替电池包横纵梁,叠加双层冷却通道设计,同时具备支撑、水冷、隔热、缓冲四大功能。此外电芯采取双排背对背方式侧立排布,因此可放入更多电芯,更有利于快充技术,同时安全性、体积利用率大幅提升。
根据宁德时代专利“箱体结构,电池及用电装置”,授权公开号:CN216648494U,我们可发现麒麟电池包的结构细节,其主要创新如下:
1. 方壳电芯采取背对背侧立方式排布于箱体内,而非原本直立方式,可放入更多单体电芯,更有利于快充,提高体积利用率;
2. 冷却板替代横纵梁,使支撑、冷却、隔热、缓冲功能四合一,有效提升空间利用率。新冷却板以加强体的方式插入电池排间,同时连接上盖和下箱体,起到传统横纵梁支撑保护作用;两排电芯共享一个冷却通道,相比一排电芯使用一个水冷板,减少冷却板数量,降低BOM成本,有轻量化的效果,更有利于快充时散热;立式冷却板打造横向相对隔离空间,纵向电芯间有膨胀补偿片+绝热气凝胶,有效隔热实现“零热失控”;冷却板采用内外两层冷却通道,可吸收电池充放电及老化时产生的膨胀,减少电池单体挤压,提升电池循环寿命;此外新水冷板转移至箱体内部,可避免因碰撞易出现破损而导致漏液风险。
3. 下箱体有定位/限位槽,用于冷却板的安装及电芯组的固定,该设计可提高电芯组安装稳定性,避免相互碰撞损坏,但仍需导热结构胶保证强度及优化散热。
根据宁德时代专利“水冷板组件、水冷系统、电池及其箱体以及用电装置”,申请公布号:CN114497826A,我们可发现麒麟冷却板结构细节,其主要创新如下:
水冷板具有内外两层冷却通道,采用口琴管方式,其中外层和内层冷却通道中的一者为液冷通道,另一者为非液冷通道(如外层液冷,内层风冷),非液冷通道由于不填充冷却液,通道壁可以适当朝内变形,吸收电池单体膨胀,避免电池单体挤压损坏。
通过调节环境温度和改变充放电电流来实现不同的工作条件,详细测试工况如表1所示。
对于高速行驶+快速充电工况下,电池包温度演变过程如图3所示。CTP内部温度最高的区域是单元上方的母线,对应于M4上的位置4-11(43.4°C),母线温度比电池的侧面温度高 3°C。BMS数据显示,温差范围为0°C至3°C,最高温度位于位置3 (42°C),最低温度位于位置 6 (39°C)。热电偶采集最高温度比BMS采集记录的最高温度高3.4°C。CTP电池包内部温度在第一个循环结束时最高。最大升温速率为0.045°C/s,出现在第一个快速充电的开始。
图3 高速行驶+快速充电工况下电池包温度演变过程
全工况下的测试表明,低温区位于M1和M3模块,高温区在大电流条件下位于M4,在低电流条件下位于M2,如图4所示。根据温度测试结果,对BMS温度采集点进行了优化,结果如图5所示,优化后所采集的温度包含了各种工作条件下可能的高温区和低温区。
图4 CTP电池包温度分布
图5 CTP电池包BMS温度采集点优化
此外,还研究分析了环境温度、行驶速度、路况、充电电流和液冷等对电池包温度响应的影响,结果如图6-10所示。快速充电+高速行驶工况下环境温度对电池包温度响应的影响如图6所示,-30°C 快充(FC),CTP 顶部区域的温度为 37.1°C,温差T diff为 8.7°C;电池侧面温度在33℃~39.5℃之间,温差为6.5 ℃;40°C 快充(FC),CTP 顶部区域高温46.5°C,低温43°C,温差T diff为 3.5°C;侧温在37.2 和 41.2之间,温差为4℃;低温环境可能增加 CTP 中的温度不均匀性,这主要是由于低温环境导致电芯内阻增加;温升速率,40 °C (0.036 °C/s)略高于 -30 °C (0.031 °C/s) 。
40℃下不同行驶速度对电池包温度响应的影响如图7所示,150km/h的速度行驶10 min 时,CTP 内部的最高温度点达到 48 °C,模块间母线的温差T diff在 4 °C 以内,电池两侧面的温度差T diff在3°C以内,在测试开始时温升速率d T/ d t达到0.043°C/s。80 km/h匀速行驶10分钟时,CTP电池内部温度变化很小,上部母线温差T diff在1°C以内,侧面温差T diff小于2°C。
不同路况对电池包温度响应的影响如图8所示,6%斜坡上匀速行驶20分钟后,CTP 内部最高温度达到 49.5 ℃,最低温度为 44 ℃,温差T diff为 5.5 ℃,电池侧面温度介于37和41°C之间,温差T diff 为4°C,温升速率d T/ d t (最大值)为 0.05 °C/s。波动速度行驶,母线与侧面的温度变化趋势一致,介于 34 和 36 °C 之间,温差T diff为 2 °C,温升0.002 °C /s 。大功率驱动的CTP电池温度较高,模块M4的温度一致性稍差。
不同充电电流对电池包温度响应的影响如图9,1C充电时,M4单元温度最高为47.3℃,M1最低为42.1℃。温差T diff为 5.2 °C 。电池侧面温度在 40.7°C 和 43.2°C 之间,温差T diff 为2.5 °C。以/3C充电时,M2最高温度35°C,M1最低温度33°C,温差T diff为2°C。电池侧面的温度介于 33 和 35.1 °C 。1C 充电的 d T/ d t (max)远高于 1/3C 充电。
液冷对电池包温度响应的影响如图10所示,关闭液冷1C放电结束时,CTP电池内部温度达到最高点46.8℃。最高温度在 M4 的位置4-11,最低温度为 41.7 °C,位于 M1 的位置 4-5,温差T diff为5.1 °C ,电池侧面温度在41.2 和43.8 °C 之间。温升速率d T/ d t (max)为 0.042 °C/s。开启液冷后,母线最高温度由46.8℃降至45℃,最大温差由5.1℃降至3.6℃。侧面最大温差从2.6℃下降到1.4℃。
采用加速量热仪(ARC)测量电池的比热容和热导率,快速冷却经过加热的电池测量对流换热系数,结果列入表3中。将这些参数输入模型,先采用单体电池的热模型与测试电芯在1C充电下的温升对比验证模型有效性。
为了与模拟结果对比,再次对电池包布置热电偶测量不同工作条件下的温度。如图13所示。在 M1-M5上,每个模块上有 5 个温度传感器。例如,M1 上的温度传感器分别标记为 1-1、1-2、1-3、1-4 和 1-5。这里M1-M5编号与图1有差别,特别是M5模块在M4上面(图1中M4在M5上面)
对比电芯内部和表面的温度演变曲线,如图18所示。从这两个温度曲线看,热失控基本过程类似,但是内部最高温度比表面最高温度高487℃。
电芯内部四个卷芯之间放置三个热电偶,在防爆箱内在电池的一个侧面加热,观察电芯内部的热失控蔓延过程,实验过程如图19所示。实验结果如图20所示,其中1-2、2-3、3-4分别表示内部两个卷芯之间的温度,1F、1B、 1S分别表示挨着加热板的电池前面、背面和侧面的温度。V表示电压。从图中可见,整个电池内部的TR传播过程耗时11 s,#1卷芯到2#卷芯耗时6 秒,到3#卷芯4s,再到4#1卷芯s;TR传播的平均速度为6.9 mm/s。
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