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    未来全固态电池真得不需要冷却吗?

      发布时间:2019-05-23 05:28

      锂离子电池,通过一定数量串并组合,装配在汽车上,成为动力电源的哪一刻,高成本、大体积、高质量、温度适应敏感、热失控安全等问题,就一直困扰着我们。

      韩国的三大电池巨头联手;日本23家车企、电池、材料公司、科研院校单位联合;欧美研发规划;德国大众豪掷1亿美元投资电池技术公司,他们之所以瞄准和布局固态电池,并且加速核心技术攻克走向商业化,都是想在未来动力电池市场竟争中抢得先机。

      全固态电池“让各路英雄竟折腰”,其中作为电池的保镖,安全保障、功能保障的热管理系统发展趋势,又该是什么样的景象呢?

      前期,丰田在各种不同场合,多次阐述其研发的全固态电池特点,除了重要的高安全特性,还解决和满足了长续驶里程需求,快充电特性,同时,还不需要冷却,体积可以缩减一半。(下图为目前应用典型的电池系统冷却板体积)

      在早期,丰田执行副总裁勒罗伊(Didier Leroy)这样描述,丰田在固态电池技术的知识产权方面处于领先地位,可以让电池更安全,体积变的更小。

      放电倍率特性:如下图示,常温下,在24C高倍率下放电,容量为低速率0.5C下的89%,说明该电池具有优良的功率特性。

      上述测试条件,相比现在的商业化动力电池确实还有很大的局限性和差距,但是固态电池从娘胎里带来的优点还是非常明显的,在如此高的温度条件,表现如此稳定,安全性可见一斑。

      对于一般液态电解质电池,其策略保护,高温>50℃进入报警状态;70℃进入热失控风险区。低温环境, <0℃限制充电电流。电池在很窄的15~45℃范围内才能稳定的工作。同时,为了保证电池系统的寿命,温差范围要求控制在<5℃。

      其实,热管理的作用,首先是保障电池安全,其次才是保障特性功能的最好发挥。如果电池本身在高低温下就很安全。哪么,对热管理的需求会相应降低。

      有资料显示,全固态电池耐热性在(80~120℃)、阻燃性(200℃),均远远高于现有应用的液态电解质的锂离子电池。这主要与电解质形态和结构有直接的关系。

      全固态电池使用的固体电解质,是区别于液态有机电机解质的主要特征材料,现在主要研究的有两种类型,氧化物和硫化物。目前包括丰田的全固态电池,主要是基于硫化物类型全固态电池研究。

      现在应用的液态电解质电池,也并非都是装备有水冷板的热管理系统。早在日本Nissan leaf EV车上,一直延续着没有冷却板,依靠电池壳体自然冷却的产品设计(如下图)。

      对于EV电池系统,主要满足较低倍率的充放电功率需求,在冷却方面对热管理表现的没有功率型的HEV明显。但是在低温环境,环境适应性是得不到满足的。所以说,对于全温度的工况需求,更多的增加了水冷板式的热管理系统。

      全固态电池耐热性温度范围放大,安全性得到了保障。削弱了对水冷系统的依赖性。契合了解决成本和体积矛盾的想法。

      丰田表示:“我们确实说过,希望在本世纪20年代初提供固态电池。但事实上,这不会是大规模生产的基础上。我们将小批量的试产开始,用于试点项目,我们永远不会在客户身上做实验。2030年,可能是更现实的时间节点”。下图是丰田技术路线规划表。

      Tesla产品,一直以来引起地球人足够的好奇。其设计的精妙也确实堪称典范。正如Elon Musk 对团队的管理和要求一样,在他们眼里“没有做不到的事情”。

      关于电池加热形式的变化,由PTC加热改变为利用电机接通电流零扭矩加热,其技术优缺点有待于后期进一步研究分析,现在还不能量化和说清楚。

      其中一点是肯定的,提高热系统效能的同时,一定是做到了降本。是双赢的结果。这种“没有做不到”的创新精神,值得学习。

      全固态电池通过不断的研究,商业思路已非常清晰。其中,配套的热管理系统,也需要同步的跟进和发展。“不需要冷却”的说法,难免有断章取义之嫌,我想丰田应该也不是这个意思,一定是有所限,有所指,留得后期认真思考和启发。

      同时,在目前的热管理应用方面,做到高效、节能,仍然有很多工作需要做:从终端的冷却板结构,到管理的控制技术,电池温度精准采集传感技术、温度异常热失控主动防御技术,管理策略等等,都在等着我们研究和分析。