電池研究院：動(dòng)力電池冷卻失效會(huì)炸嗎？

　　【太平洋汽車(chē)網(wǎng) 技術(shù)頻道】幾乎所有人都遇到過(guò)這種情況：手機(jī)充電非常慢，一摸后背發(fā)現(xiàn)很熱，SOC也沒(méi)到達(dá)80%以上的涓流充電區(qū)域。

　　筆者還遇到過(guò)更極端的，車(chē)內(nèi)空調(diào)出風(fēng)口手機(jī)支架上的手機(jī)一直充不進(jìn)去電，摸一下發(fā)現(xiàn)被陽(yáng)光曬到過(guò)熱（不在手上/褲兜里無(wú)溫度感知），才知覺(jué)是上次關(guān)了空調(diào)出風(fēng)口忘記重開(kāi)。一旦重開(kāi)，電池溫度降下來(lái)，電又充進(jìn)去了。

　　那么，被曬到燙手的鋰離子電池會(huì)爆炸嗎？就目前我們能獲知的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，基本不會(huì)炸，但一定會(huì)不斷惡心你。

　　上一集《電池壽命》中我們總結(jié)過(guò)，動(dòng)力電池真的非常不好服侍，吃太飽會(huì)折壽，吃太快會(huì)折壽，吃太久會(huì)折壽，餓太久會(huì)折壽，太熱會(huì)折壽，太冷會(huì)折壽，左右振動(dòng)會(huì)折壽，上下振動(dòng)會(huì)折壽，吃的次數(shù)太多會(huì)折壽，吃的間隔太長(zhǎng)會(huì)折壽。

　　今天我們就來(lái)聊聊電池溫度控制的事情?？催^(guò)本專(zhuān)欄的朋友一定都很清楚電池對(duì)溫度極為敏感，最佳使用溫度大約在25±5℃，但不是所有配方的鋰離子電池都是這個(gè)區(qū)域，因?yàn)槊糠N配方都有最適合自己的充放電特性。

　　就鋰離子電池大家族而言，一般充電的可控溫度區(qū)間在0℃到45℃之間，太低溫就無(wú)法充進(jìn)去，比如威馬就弄了個(gè)小柴油機(jī)給北方用戶在冬季加熱電池（所以混動(dòng)車(chē)嗎？手動(dòng)狗頭）；太高溫了也充不進(jìn)去，比如BMS會(huì)將保護(hù)溫度設(shè)定在45℃到55℃左右，充電升溫到45℃的時(shí)候，BMS將充電電流降低，或者停止充電一段時(shí)間再繼續(xù)充電。

　　鋰離子電池放電的溫度區(qū)間寬一點(diǎn)，一般在-20℃到45℃之間。北方用戶都知道智能手機(jī)冬季在戶外時(shí)不時(shí)會(huì)黑屏重啟或者直接就開(kāi)不了機(jī)，這就是因?yàn)殡姵貎?nèi)部活性已經(jīng)沒(méi)了；放電高溫就更好理解了，用手機(jī)玩?zhèn)€手機(jī)就能感受到溫度急劇上升，筆記本電腦運(yùn)作大型游戲也會(huì)過(guò)熱甚至自動(dòng)關(guān)機(jī)。

　　今天我們只聊高溫保護(hù)與降溫方式，低溫保護(hù)留到之后另辟一篇細(xì)聊。

　　上文我們分析了高溫會(huì)嚴(yán)重影響鋰離子電池的充放電性能，實(shí)際上高溫還會(huì)嚴(yán)重影響循環(huán)壽命。

　　下圖是不同溫度下磷酸鐵鋰配方鋰離子電池經(jīng)歷多次循環(huán)之后的電池性能，可見(jiàn)高溫（綠色60℃、紅色120℃）在控制變量下是極具摧毀性的性能衰減因素。

　　當(dāng)然，特殊電池也是有的，比如軍事用途的電池可以承受-50℃或85℃的極端溫度，注意是“或”，要么是超低溫電池，要么是超高溫電池。這些電池可以給我們的高原戰(zhàn)士提供單兵信息化裝備的超低溫電源，給陸海空軍甚至火箭軍部隊(duì)提供耐受超高溫的電源。

　　但價(jià)格就……

　　嗨，這種開(kāi)銷(xiāo)是不算成本的，但我們民用領(lǐng)域的乘用車(chē)必須算成本，所以各位也不要埋怨新能源車(chē)子在極端氣溫下不好使了，花多少錢(qián)辦多大事。

　　此外，還有一種寬溫電池，能做到-40℃到70℃左右，它不是一個(gè)電池單體，而是一種非常貴的裝置，里面有條件讓電池耐受更寬的溫域。 

　　美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室曾在2019年發(fā)布過(guò)一種從20 ℃到120 ℃都能用的電池，電解液是二草酸硼酸鋰（LiBOB）和多種高沸點(diǎn)碳酸酯溶劑的混合物，江湖傳說(shuō)是“扔到火里都不會(huì)燒起來(lái)”，老牛了。

　　所以那些總是吹美帝要完蛋了的朋友可以歇著點(diǎn)了，美帝完成工業(yè)化比我們?cè)炝艘话俣嗄?，咱全民吃飽才多少年，可不能盲目自信?/p>

　　這幾年，說(shuō)3分鐘能充滿的新聞已經(jīng)夠多了，3分鐘可是20C充電倍率啊，發(fā)熱量是1C充電的400倍，你是想充電還是引爆車(chē)載動(dòng)力電池呢？

　　Q=I²Rt公式這么快就還給高中物理老師了？

　　電池工作是有電流通過(guò)的，必然會(huì)發(fā)熱。注意，I頭上是二次方……

　　我們一般用的18650電芯，在滿電狀態(tài)下93℃開(kāi)始產(chǎn)生放熱反應(yīng)，123℃產(chǎn)生熱失控，而一般電池怎么充電和放電都不會(huì)直接打到93℃高溫的，除非幾種過(guò)載疊加在一起。平時(shí)我們有哪些情況會(huì)引起電池過(guò)載并過(guò)熱呢？

　　1、理想的鋰離子充電過(guò)程應(yīng)該是“涓流充電-恒流充電-恒壓充電-涓流充電-充滿”，其中恒流充電階段的電流非常高，這時(shí)候就會(huì)有大量熱量產(chǎn)生，多數(shù)熱量來(lái)自?xún)?nèi)阻焦耳熱和電池化學(xué)反應(yīng)生熱。

　　2、同理，鋰離子大電流放電時(shí)，比如你深踩電門(mén)老長(zhǎng)一段時(shí)間，也會(huì)產(chǎn)生大量熱量。

　　3、或是大電流充電之后立刻大電流放電。

　　4、或者周遭氣溫過(guò)高時(shí)進(jìn)行大電流充放電。

　　5、過(guò)充電的副反應(yīng)生熱，之后還來(lái)一個(gè)大電流放電。

　　6、電池本身內(nèi)部結(jié)構(gòu)受損，內(nèi)阻R極大，不需要I足夠大就能提高溫度。

　　有大量熱被鎖定在高壓電池包當(dāng)中，如果不及時(shí)解散這幫反動(dòng)分子，就有可能會(huì)造成：

　　1、電池壽命縮短：溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部發(fā)生副反應(yīng)，材料性能退化，循環(huán)壽命大大縮短。

　　2、大電流引起極化：大電流快充時(shí)，可能引起電極處的濃差極化現(xiàn)象，局部過(guò)熱，電極材料被破壞，鋰枝晶快速產(chǎn)生，有短路風(fēng)險(xiǎn)。

　　3、過(guò)充電引起熱失控：即是充滿了還繼續(xù)充，電池過(guò)熱，正極中的鋰離子過(guò)度脫出，正極最終腎透支，其晶格結(jié)構(gòu)塌陷并析出氧氣，氧氣的釋放還會(huì)進(jìn)一步造成電解質(zhì)分解，電池內(nèi)部壓力增加，輕則鼓包漏液，重則短路熱失控。

　　4、SEI膜的分解：下一步就是短路和熱失控。

　　5、嵌入鋰與電解液反應(yīng)：破壞電池結(jié)構(gòu)，容量降低甚至電池?fù)p壞；若電解液放熱分解，熱失控速度更快。

　　6、嵌入鋰/金屬鋰與氟化物粘結(jié)劑反應(yīng)：放熱，或熱失控。

　　7、正極活性材料分解：破壞電池結(jié)構(gòu)，容量降低甚至電池?fù)p壞。

　　8、PE和PP隔膜融化：130-190℃之間的熱失控，之后電池結(jié)構(gòu)進(jìn)一步損壞，造成完全失控。

　　目前在新能源領(lǐng)域，有4種主流的電池冷卻方案，其中風(fēng)冷系統(tǒng)還能細(xì)分為被動(dòng)風(fēng)冷與主動(dòng)風(fēng)冷。下表是各種方案的簡(jiǎn)述，嫌文章太長(zhǎng)的朋友看完表格就可以直接跳到最后結(jié)論那里了。

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　　冷卻原理：心靜自然涼

　　冷卻效率：非常原始 非常弱雞

　　系統(tǒng)成本：四舍五入就是不花錢(qián)

　　現(xiàn)實(shí)案例：老年代步車(chē)、高爾夫球車(chē)、早期的新能源車(chē)

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　　自然冷卻就是“心靜自然涼”，類(lèi)似于在無(wú)風(fēng)環(huán)境下靜坐（專(zhuān)門(mén)找了張水面無(wú)波紋的圖片）追求心靈平靜，散熱方向和散熱效率相當(dāng)于“隨緣”，特別佛。

　　最近筆者很想了解內(nèi)置電池款的行車(chē)記錄儀，里面的電池為什么能耐受前擋風(fēng)玻璃下的高溫。百家號(hào)作者 @木棉花在路上 就拆過(guò)一款行車(chē)記錄儀換掉鼓包的鋰離子電池，我們可以看到電池在機(jī)子里面根本就沒(méi)散熱裝置，就是簡(jiǎn)單粘在主板旁邊而已。這就是典型的自然冷卻方案。

　　自然冷卻方案的效率最低，是因?yàn)楦緵](méi)有設(shè)置散熱措施，只是簡(jiǎn)單讓電池被動(dòng)地向所有接觸它的氣體固體界面?zhèn)鬟f熱量。如果遇上積熱的情況，是無(wú)法有效被散走的。

　　日常生活中，我們會(huì)講到很多采取自然冷卻方案的電動(dòng)車(chē)輛，比如電池發(fā)熱量本身就不大的電動(dòng)兩輪車(chē)，比如驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率很低因此電池發(fā)熱量也不大的老年代步車(chē)和高爾夫車(chē)，以及早期的新能源乘用車(chē)型，主要集中在混動(dòng)車(chē)領(lǐng)域，因?yàn)榛靹?dòng)車(chē)高壓電池包的工作壓力比純電動(dòng)車(chē)的小很多。

　　雖然自然冷卻弱雞，但自然冷卻方案下電池包熱失控的概率反而很低，上述車(chē)型絕大多數(shù)熱失控案例都不是因?yàn)殡姵爻浞烹娖陂g過(guò)熱導(dǎo)致的，這么低功率的能量包根本整不出什么大動(dòng)靜來(lái)。

　　冷卻原理：讓空氣流動(dòng)起來(lái)，部分熱量隨著空氣流動(dòng)被帶走。

　　冷卻效率：一般般（被動(dòng)風(fēng)冷）/正常用是不會(huì)過(guò)熱的（主動(dòng)風(fēng)冷）

　　系統(tǒng)成本：很便宜（被動(dòng)風(fēng)冷）/便宜（主動(dòng)風(fēng)冷）

　　現(xiàn)實(shí)案例：半數(shù)市售的新能源車(chē)

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　　風(fēng)冷系統(tǒng)在各行各業(yè)運(yùn)用都非常廣泛，這里面還分為被動(dòng)風(fēng)冷和主動(dòng)風(fēng)冷。

　　被動(dòng)風(fēng)冷就是拿一碗粥放桌面等它涼，主動(dòng)風(fēng)冷就是用嘴吹一下粥讓它涼得更快些。吃過(guò)粥的朋友一定很清楚，主動(dòng)風(fēng)冷方案肯定是更高級(jí)的，能讓我們更快吃上粥。（圖片 @快廚房）

　　被動(dòng)風(fēng)冷方案我們實(shí)在見(jiàn)太多了，下圖是摩托車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)冷散熱片，在缸套上有一層層的金屬散熱片，把散熱面積盡可能整大一些，提升散熱效率。

　　如果連散熱片都沒(méi)有的，那就連被動(dòng)風(fēng)冷都不是，而是最基礎(chǔ)的自然冷卻方案。

　　別小看被動(dòng)風(fēng)冷方案，成本低但收益很高，算得上性?xún)r(jià)比之王。

　　這就類(lèi)似中國(guó)古代皇帝背后那兩把“五明扇”，多數(shù)人都以為它是主動(dòng)風(fēng)冷系統(tǒng)，實(shí)際上是皇帝出行是被動(dòng)風(fēng)冷的——小皇得靠吹來(lái)的風(fēng)來(lái)散熱，這兩把大扇子只是堯舜帝傳下來(lái)宣示皇權(quán)的禮儀扇子。

　　同理，諸葛村夫白羽扇不離手，不是因?yàn)樗麩幔枰鲃?dòng)風(fēng)冷，那玩意是拿來(lái)對(duì)三軍指手畫(huà)腳用的，孔明乘涼依然依靠被動(dòng)風(fēng)冷。

　　風(fēng)冷就更好理解的，凡是裝過(guò)臺(tái)式電腦的朋友都會(huì)有印象，在CPU表面涂一層導(dǎo)熱導(dǎo)熱硅脂之后，就能往上碼一個(gè)風(fēng)扇，風(fēng)扇得接上電源，因?yàn)樗侵鲃?dòng)風(fēng)冷你方案。

　　比如下圖豐田普銳斯的主動(dòng)風(fēng)冷電池包，結(jié)構(gòu)其實(shí)跟CPU散熱風(fēng)扇是一模一樣的，不需要多加解釋。

　　另有一種主動(dòng)風(fēng)冷方案，進(jìn)氣之后會(huì)先將空氣進(jìn)行冷卻，增加空氣與電池之間的溫差，在接下來(lái)的對(duì)流中帶走更多熱量。

　　目前市面上半數(shù)新能源車(chē)都采用風(fēng)冷方案，比如日產(chǎn)Leaf聆風(fēng)、日產(chǎn)e-NV200、本田Insight、本田飛度EV、雷諾Zoe、現(xiàn)代Ioniq等。其中舊一點(diǎn)、功率低一點(diǎn)的車(chē)會(huì)用被動(dòng)風(fēng)冷，新一代的、功率高一點(diǎn)的用主動(dòng)風(fēng)冷。

　　冷卻原理：跟風(fēng)冷一樣，只不過(guò)液體比熱容更高，因此冷卻效率更高。

　　冷卻效率：很好

　　系統(tǒng)成本：貴

　　現(xiàn)實(shí)案例：特斯拉全系、蔚來(lái)全系等，長(zhǎng)續(xù)航新能源車(chē)基本都用液冷

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　　裝機(jī)的朋友會(huì)說(shuō)，功率大了是不是得上液冷呀？是的，兄弟。

　　液冷方案更好理解，我們民族的祖?zhèn)骷妓囍弧Ｌ瞥L(zhǎng)安城里面的一些富貴人家就會(huì)用水車(chē)把水送上樓頂來(lái)散熱。（本圖作者 @這知識(shí)好冷）

　　同樣的結(jié)構(gòu)也可以通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將有用功轉(zhuǎn)移到屋子里面，驅(qū)動(dòng)大扇子旋轉(zhuǎn)，這就成了主動(dòng)風(fēng)冷。

　　老舊的特斯拉車(chē)型用18650電芯，7000多個(gè)電芯組建一個(gè)矩形的高壓電池包，冷卻系統(tǒng)的復(fù)雜性讓人發(fā)指。

　　下圖可以看到老款特斯拉Model S的液冷方案，用一種蛇形冷卻管穿過(guò)電池組，利用水-乙二醇冷卻液帶走熱量。

　　蔚來(lái)的液冷方案也非常復(fù)雜，因?yàn)檫@是市面上絕無(wú)僅有的可換電液冷方案，每次換電都要斷開(kāi)液冷系統(tǒng)的回路，3分鐘后又重新連接上去。為何要斷開(kāi)呢？因?yàn)榘颜滓豪湎到y(tǒng)都裝在高壓電池包上面是不現(xiàn)實(shí)的，熱交換還是得依靠車(chē)載系統(tǒng)，而且換電站的體積和器械負(fù)荷也不能無(wú)休止增大。

　　再比如雪佛蘭Volt增程式混動(dòng)車(chē)的液體冷卻方案，利用一塊鋁制的板材容納五條單獨(dú)的冷卻液通道，以此運(yùn)輸熱量。

　　還有奇葩的玩法，就是把電芯都浸泡在高沸點(diǎn)、非導(dǎo)電的液態(tài)冷卻液當(dāng)中，直接“躺平”就不理會(huì)了。

　　下圖是XING Mobility的電池冷卻方案，冷卻劑是3M Novec 7200電子氟化流體，整個(gè)巨型的電池包可以容納4200個(gè)18650電芯。

　　液冷方案比風(fēng)冷方案要笨重很多，結(jié)構(gòu)也復(fù)雜很多，這也解釋了為何熱衷于賽車(chē)運(yùn)動(dòng)的保時(shí)捷這么遲才把911的水平對(duì)置六缸推進(jìn)水冷時(shí)代，保時(shí)捷-皮耶希家族一直都很崇尚輕量化。

　　電池液冷方案需要用到一套冷卻液管道、一套電動(dòng)泵、一套電子風(fēng)扇、一套電控系統(tǒng)以及一套水箱散熱器，重量與造價(jià)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于風(fēng)冷，但換熱效率與系統(tǒng)穩(wěn)定性也高出一截。

　　除了剛剛提到的車(chē)型之外，福特?？怂?/a>EV、奧迪R8 e-tron、沃爾沃T8插混系列、雪佛蘭Bolt等等，都使用了液冷方案。

　　筆者單方面認(rèn)為，液冷方案的動(dòng)力電池，循環(huán)壽命會(huì)比風(fēng)冷方案的高出不少。

　　因?yàn)橐豪浞桨缚梢愿咝У?ldquo;延緩”鋰枝晶的生成與蔓延（注意是“延緩”而非“阻止”），電池容量衰減減緩，電池?zé)崾Э仫L(fēng)險(xiǎn)降低。

　　冷卻原理：利用流體的相變，大批量吸熱、運(yùn)熱、散熱。

　　冷卻效率：很高

　　系統(tǒng)成本：死貴

　　現(xiàn)實(shí)案例：寶馬i3、寶馬i8、寶馬X5 PHEV、奧迪A6 e-tron、奔馳S400 Blue等

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　　“相變”的概念聽(tīng)著玄乎，其實(shí)不難理解。比如水有三相（也叫“三態(tài)”），氣態(tài)水、液態(tài)水、固態(tài)水（冰），三相之間轉(zhuǎn)換是要吸熱或者放熱的。

　　眾所周知，“變態(tài)”需要很大的勇氣，因此“相變”需要吸收/放出很多熱量，才能完成“相”的變化。

　　這么說(shuō)來(lái)，相變冷卻比液態(tài)冷卻的換熱效率更高，因?yàn)橐豪湟恢倍际且后w而已。

　　雖然物質(zhì)有氣相、液相、固相，但相變冷卻系統(tǒng)要保證相變介質(zhì)的流動(dòng)性，就只能讓流體在氣相和液相之間轉(zhuǎn)換，這與空調(diào)壓縮機(jī)的工作原理是一模一樣的：液體吸熱汽化成氣體并帶走了熱量，到冷凝器那里液化成液體并釋放了熱量（且排到系統(tǒng)之外）。

　　有些媒體喜歡將相變冷卻翻譯成“直接冷卻”，可能翻譯自詞匯“Refrigerator Direct Cooling”，不過(guò)筆者認(rèn)為不是很直觀。

　　雖然古代沒(méi)有氟利昂和壓縮機(jī)，但中國(guó)北魏朝代開(kāi)始就有專(zhuān)門(mén)給皇帝乘涼用的、裝了冷氣設(shè)備的夏宮（凌云臺(tái)涼風(fēng)觀冰室），下面是一口冰井，很深，像我這種沒(méi)文化的一般簡(jiǎn)稱(chēng)其為“深井冰”。

　　冰塊在冬季就要開(kāi)采，采夏季用冰量三倍作為儲(chǔ)量，放在20米以下的深井當(dāng)中窖藏。

　　用時(shí)就拿出來(lái)放在夏宮的冰井下面，冰融化成水會(huì)吸收熱量，從固相變成液相的過(guò)程中帶走了熱量。此外，冰水蒸發(fā)過(guò)程中，從液相變成氣相的過(guò)程中也會(huì)帶走熱量。

　　同理，剛剛提到的液冷方案中，殘留在房頂上的水持續(xù)蒸發(fā)，也會(huì)帶走一定熱量。因此往房頂澆水的冷卻方案，準(zhǔn)確來(lái)說(shuō)是“液體冷卻+相變冷卻”。

　　目前使用相變冷卻方案的乘用車(chē)基本集中在BBA三家德系廠商這里。相變冷卻系統(tǒng)雖然貴，但體積相比液冷要小，因此在豪華品牌這里吃香。有海外機(jī)構(gòu)表示，相變冷卻系統(tǒng)未來(lái)有望大幅度降價(jià)。

　　下方這張曝光的圖中顯示，i3采用了R-134a制冷劑進(jìn)行相變冷卻，從液相變成氣相的過(guò)程中帶走電池?zé)崃俊?/p>

　　下圖就是冷媒走的通道，4+4條管，4進(jìn)4出。

　　“稱(chēng)職”的意思是在成本合適的前提下動(dòng)力電池在絕大多數(shù)工況下不會(huì)過(guò)熱。

　　冷卻系統(tǒng)占據(jù)新能源驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的總成本比例不高，每一臺(tái)車(chē)在標(biāo)定時(shí)都會(huì)監(jiān)測(cè)動(dòng)力電池在不同工況下的發(fā)熱量，像那些老年代步車(chē)或者普通買(mǎi)菜車(chē)的發(fā)熱量就沒(méi)必要上液冷系統(tǒng)了，像蔚來(lái)特斯拉這些專(zhuān)門(mén)整大功率電動(dòng)車(chē)的就不能只用風(fēng)冷系統(tǒng)了。

　　冷卻系統(tǒng)的工況標(biāo)定也是很大的難題，因?yàn)閯?dòng)力電池包不是單一整體，里面有模組，模組里面有電芯，微觀的發(fā)熱量各不相同（電芯各個(gè)部件的實(shí)時(shí)溫度不同），宏觀的發(fā)熱量各處不均勻（比如串聯(lián)式冷卻，進(jìn)風(fēng)/進(jìn)液端的電芯肯定比出風(fēng)/出液端的電芯涼快），如何實(shí)現(xiàn)高效可控的冷卻是頭疼的事情。

　　再者，三電系統(tǒng)的冷卻可以是單獨(dú)的論題，也可以是綜合的論題，有些車(chē)企會(huì)將某些總成的冷卻系統(tǒng)合并，以求更輕量化的整備質(zhì)量。

　　當(dāng)前的文章并不算特別完整，有些知識(shí)點(diǎn)也會(huì)有疏漏，敬請(qǐng)雅正。接下來(lái)的工作中，筆者也會(huì)找到車(chē)企或電池企業(yè)的工程師朋友請(qǐng)教相關(guān)內(nèi)容，并將實(shí)時(shí)更新到本文內(nèi)。

（圖/文/攝：太平洋汽車(chē)網(wǎng) 黃恒樂(lè)）