——來自英國倫敦帝國理工學院研究院的研究報道

作者：DR.Alastair Hales/Dr. Laura Lander

新能源汽車的熱管理系統還有很長的路要走。一個簡單、通用的標準也許可以幫助研發人員實現技術的改進。英國倫敦帝國理工學院助理研究員Alastair Hales博士和Laura Lander博士對電動車的熱管理的現狀做了分析，并且表示未來我們需要‘’更冷‘’，更優化的的電池來實現熱管理的安全性和可靠性。

高性能、安全性、可持續性和低成本是對任何電池的主要要求。盡管近年來電動汽車 (EV) 電池組的成本迅速下降，（線這主要是由于規模經濟和更高效的制造工藝），但電動汽車的購買價格仍無法與內燃機 (ICE) 汽車相提并論。為了促進更廣泛的市場滲透，電動汽車需要變得更實惠。

由于電池是EV車的重要部分，這將需要一再降低的電池的成本，包括購置成本和運營成本。因此，電池行業專注于進一步降低電池生產成本的戰略，全球以美元每千瓦時 (US$/kWh) 衡量。與此同時，電池壽命對整體成本的影響常常被忽略，這也忽視了該行業的一項重要增長戰略。

通過延長電池壽命，可以從電池本身提取更多價值，補償前期成本，從而降低整體生命周期成本。了解電池劣化的原因并采取緩解措施是關鍵，無論是在電池材料層面還是通過電池組工程。后者可以通過先進的熱管理系統來實現，證據表明，更有效的熱管理策略可以降低運行中鋰離子電池的退化率，從而延長電池組的使用壽命。

奧迪是目前專注于改進電動汽車熱管理系統的汽車制造商之一。

這表明，熱管理系統的改進不僅會影響電池的生命周期成本，還會擴及到電池在其整個周期過程中對環境的影響：電池生產過程中產生的環境足跡可以通過延長電池的使用壽命來抵消。此外，這提高了材料資源效率并減輕了鋰和鈷等關鍵原材料供應鏈的壓力。這顯示了熱管理系統對實現電池組的安全性、成本效益、高性能和可持續性的重大貢獻。

然而，當前一代的熱管理系統并不是最理想的。

“表面冷卻”在電動汽車市場占據主導地位，但已發表的研究表明，如果在電池組設計中有效實施電池片冷卻“Tab Cooling”，鋰離子電池的使用壽命可以延長三倍。鋰離子電池的形狀和尺寸在整個市場上千差萬別，導致熱性能有很大差異，例如當內部熱量產生使其溫度升高時電池的行為方式。

電池行業正在努力優化熱管理，因為沒有定義熱性能的標準。電池工程師可能會引用有效導熱系數、熱阻值或畢奧數。然而，這些是從其他工程部門借用的，在概念上存在缺陷，因為它們沒有考慮鋰離子電池本身產生的內部熱量。此外，這些指標非常難以計算，需要永遠不會出現在數據表中的信息，因為這是電池制造商嚴守的秘密。行業利益相關者陷入困境，無法比較不同的熱管理方法以找到最適合他們要求的方法。

2020 年以來，電動汽車市場的主要參與者開始規范熱管理，并取得了顯著進展。奧迪 e-tron、大眾 ID.3 和捷豹 I-PACE 包含類似的熱管理系統，同樣的概念也出現在亞洲市場，尤其是比亞迪的“刀片”電池。

然而，這種一致性是一個例外。

在當今的電池行業中，一切都與特定能量（有時稱為能量密度）有關。特定能量用于整個行業，并普遍以每千克瓦時 (Wh/kg) 為單位引用。松下或 LG Chem 等電池制造商在電池級別相互競爭，以確定誰可以將最多的能量裝入最小的電池中。同樣，特斯拉或大眾等電池組制造商也在電池組能量方面展開競爭。電池的比能量顯示在其數據表上，而 EV 組的比能量經常成為汽車研討會和更廣泛媒體報道的頭條新聞。對比能的廣泛認可，以及行業隨后將比能優化放在首位的趨勢，凸顯了簡單通用指標的重要性。

電池冷卻系數

電池冷卻系數 (The Cell Cooling Coefficient 簡稱CCC) 可以成為熱性能的通用指標。CCC 專為運行中的鋰離子電池而設計，考慮到獨特的發熱特性，而不需要有關電池的任何信息，而大多數制造商不愿透露這些信息。每個電池都有自己的電池冷卻系數，以瓦特每開爾文 (W/K) 為單位，定義電池所需的溫度梯度，以便從電池中去除一定量的熱量。 來自不同電池模組的電池冷卻系數總是可以直接相互比較；它們的幾何形狀或化學成分無關緊要。電池冷卻系數是推動不同電池制造商之間競爭的指標，也是電池組設計人員可以用來選擇最適合其應用的電池的比較工具。

雖然無法同時針對高能量和高熱性能進行優化，但是，必須達成一種妥協。活性材料——陽極、陰極和電解質——是絕熱的，而高功率應用所需的電流收集器是金屬的，具有很強的導熱性，需要較低的比能。因此，當電池制造商的唯一重點是最大限度地增加活性材料的數量時，不良的熱性能是不可避免的。最近發表的 CCC 分析針對特定案例量化了此問題。 特定電池的熱性能（即 CCC）可以提高 20%，而成本僅為比能量降低 0.7%。電池制造商必須采取措施實現這些設計變更，針對熱性能和比能進行設計。

專為熱性能設計的電池將改善電動汽車電池組。電池的比能略低，但這種損失將由電池組設計人員多次彌補，不再需要笨重且昂貴的熱管理系統。正是通過這種方式，改進的電池級熱性能將導致改進的電池組級比能量。2020 年以來，電動汽車市場的主要參與者開始規范熱管理，并取得了顯著進展。奧迪 e-tron、大眾 ID.3 和捷豹 I-PACE 包含類似的熱管理系統，同樣的概念也出現在亞洲市場，尤其是比亞迪的“刀片”電池。然而，這種均勻性是一個例外：在我們考慮優化熱管理之前，電池和系統設計還有很長的路要走。

電池冷卻系數專為運行中的鋰離子電池而設計，考慮到獨特的發熱特性，而不需要有關電池的任何信息，大多數制造商都不想透露這些信息。

電池冷卻系數很重要，因為它是整個行業可以用來評估電池級熱性能改進水平的指標。因此，采用 CCC 將有助于整體的系統級電池組設計，而不是為對系統有害的子系統優化設計。

電池化學和動力傳動系統設計的漸進式進步將繼續滲透到電池行業的各個層面。電動汽車市場將受益于更好的電池組和能夠在兩次充電之間行駛更遠的電動汽車。與此同時，電池組的使用壽命將更長，為最終用戶增加價值，減少原材料供應和回收服務的壓力，最終提高電動汽車的環境效益。

參考文獻

1.Lander, L.等人。EV 鋰離子電池的成本和碳足跡減少策略。申請 能源 289 , 116737 (2020)

2.Hunt, IA、Zhao, Y.、Patel, Y. 和 Offer, J. 與鋰離子軟包電池的極耳冷卻相比，表面冷卻導致加速退化。J.電化學。社會。163、A1846–A1852 (2016)

3.黑爾斯 A.等人。電池冷卻系數：定義鋰離子電池排熱的標準。J.電化學。社會。166、A2383–A2395 (2019)

4.黑爾斯 A.等人。電池冷卻系數作為優化電池組中鋰離子電池熱管理的設計工具。電子交通 6 , 100089 (2020)