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电池热管理（一） - 热管理的重要性与新参数CCC
2021-07-03 15:40:57· 来源：IND4汽车人
热管理的重要性近年来电动汽车电池组的成本迅速下降，这主要是由于规模效益和更高效的制造工艺造成的。但电动汽车与内燃机汽车相比，购买价格仍显昂贵。为了电动
热管理的重要性
近年来电动汽车电池组的成本迅速下降，这主要是由于规模效益和更高效的制造工艺造成的。但电动汽车与内燃机汽车相比，购买价格仍显昂贵。为了电动汽车市场更进一步，电动汽车的价格需要变得更加实惠。
由于电池是新增成本的大头，因此，电池行业专注于如何降低电池成本，全球以美元/千瓦时 (US$/kWh) 作为价格通用衡量标准。其中，电池寿命对成本的影响往往被忽视，从而忽视了该行业的一项重要增长战略。实际上，通过延长电池寿命，可以从电池本身提取更多价值，补偿前期成本，从而降低整体生命周期成本。
延长电池寿命不仅会影响生命周期成本，还会影响电池在整个生命周期中对环境的影响，提高了材料资源效率，并减轻了锂和钴等关键原材料供应链的压力。
那么如何延长电池寿命？有充分证据表明，更有效的热管理策略可降低运行中锂离子电池的降解率，从而延长电池组的使用寿命。
革命性新参数 —CCC
可以说，当前主流的电池热管理系统是次优的。“Surface Cooling”在电动汽车市场占据主导地位，现有研究表明，如果在电池组设计中有效地实施所谓“Tab Cooling”，锂离子电池的寿命可以延长三倍。什么意思呢？通俗的讲，现有电池冷却仅仅在电池包外轮廓，并没有深入每块电池单元。
电池热管理的难度很大的一个原因是，各家锂离子电池的形状和尺寸有很大差异，所以基于此开发的电池包热性能出现相当大的差异，当内部发热升高温度时电池的表现也各不相同。
另一个难点是，没有定义热性能的标准。电池工程师可以引用有效热导率、热阻值或比奥数等参数，但这些参数没有考虑锂离子电池本身产生的内部热量。可以说它们在概念上存在缺陷。此外，这些指标非常难以计算，需要的信息永远不会出现在数据表中，因为这是电池制造商的秘密。业内的利益相关者于是陷入困境，无法比较不同的热管理方法以找到最适合他们要求的方法。
基于上述种种，伦敦帝国理工学院部分研究人员于2019年发布了一项新的学术研究，该研究定义了一个新参数，称为电池冷却系数 (Cell Cooling Coefficient，CCC)。其目的是对所有电池设计的热性能进行普遍基准测试。如果将其作为标准，它可以证明与能量或功率密度一样重要。发布这项新参数的研究团队还通过对电池片冷却（Tab Cooling）的研究而受到重视。这为表面冷却提供了一种有趣的替代方案，可以降低整个电池的温度梯度并延长其使用寿命。
电池冷却系数 (CCC) 可以成为热性能的通用指标。CCC 这个指标专为锂离子电池设计，可考虑独特的发热特性，而无需任何大多数制造商都不想透露的有关电池单体的机密信息。每种电池都有自己的 CCC，以瓦特每开尔文 (W/K) 为单位给出，定义了电池所需的温度梯度，以便从中去除一定量的热量，但它们的几何形状或化学成分无关紧要，无需考量。CCC 是推动不同电池制造商之间竞争的指标，也是电池组设计人员可以用来为其应用选择最合适电池的比较工具。
一般来说，我们无法同时将电池的能量和热性能进行优化，必须达成妥协。活性材料，包括阳极、阴极和电解质是热绝缘的，而集电器是金属的并且非常导热。因此，当电池制造商的重点是最大限度地提高现有活性材料的数量时，降低热性能是不可避免的。最近有论文利用 CCC 分析特定案例首次量化了这个问题 ：某锂电池的热性能提高 20%，而代价是能量密度仅降低0.7%。有了这样的理论基础，电池制造商才可以更好的采取措施进行设计变更，针对热性能和能量密度进行设计。
考虑了热性能而设计的电池单体将极大改善其表现。表面上，电池单体的能量密度降低了，但这一点损失完全能够弥补，比如电池组不再需要笨重且昂贵的老式热管理系统，电池组的能量密度反而提高了，再加上更好的热性能，整个电池组性能会有极大的提升 。2020年，电动汽车市场的主要参与者纷纷开始规范热管理，并取得了显著进展。奥迪 e-tron、大众 ID.3 和捷豹 I-PACE 都包含类似的热管理系统，同样的概念也出现在我国，尤其是比亚迪的“刀片”电池。
电池冷却系数CCC 很重要，因为它是整个行业可以用来评估电池级热性能改进水平的指标。因此，采用 CCC 将有助于整体的系统级电池组设计，而不是对系统有害的子系统优化设计。
有从业者表示，CCC 的出现是一项革命，它没有缺点。其论文摘要如下所示，全文可在期刊上获得。
近年来电动汽车电池组的成本迅速下降，这主要是由于规模效益和更高效的制造工艺造成的。但电动汽车与内燃机汽车相比，购买价格仍显昂贵。为了电动汽车市场更进一步，电动汽车的价格需要变得更加实惠。
由于电池是新增成本的大头，因此，电池行业专注于如何降低电池成本，全球以美元/千瓦时 (US$/kWh) 作为价格通用衡量标准。其中，电池寿命对成本的影响往往被忽视，从而忽视了该行业的一项重要增长战略。实际上，通过延长电池寿命，可以从电池本身提取更多价值，补偿前期成本，从而降低整体生命周期成本。
延长电池寿命不仅会影响生命周期成本，还会影响电池在整个生命周期中对环境的影响，提高了材料资源效率，并减轻了锂和钴等关键原材料供应链的压力。
那么如何延长电池寿命？有充分证据表明，更有效的热管理策略可降低运行中锂离子电池的降解率，从而延长电池组的使用寿命。
革命性新参数 —CCC
可以说，当前主流的电池热管理系统是次优的。“Surface Cooling”在电动汽车市场占据主导地位，现有研究表明，如果在电池组设计中有效地实施所谓“Tab Cooling”，锂离子电池的寿命可以延长三倍。什么意思呢？通俗的讲，现有电池冷却仅仅在电池包外轮廓，并没有深入每块电池单元。
电池热管理的难度很大的一个原因是，各家锂离子电池的形状和尺寸有很大差异，所以基于此开发的电池包热性能出现相当大的差异，当内部发热升高温度时电池的表现也各不相同。
另一个难点是，没有定义热性能的标准。电池工程师可以引用有效热导率、热阻值或比奥数等参数，但这些参数没有考虑锂离子电池本身产生的内部热量。可以说它们在概念上存在缺陷。此外，这些指标非常难以计算，需要的信息永远不会出现在数据表中，因为这是电池制造商的秘密。业内的利益相关者于是陷入困境，无法比较不同的热管理方法以找到最适合他们要求的方法。
基于上述种种，伦敦帝国理工学院部分研究人员于2019年发布了一项新的学术研究，该研究定义了一个新参数，称为电池冷却系数 (Cell Cooling Coefficient，CCC)。其目的是对所有电池设计的热性能进行普遍基准测试。如果将其作为标准，它可以证明与能量或功率密度一样重要。发布这项新参数的研究团队还通过对电池片冷却（Tab Cooling）的研究而受到重视。这为表面冷却提供了一种有趣的替代方案，可以降低整个电池的温度梯度并延长其使用寿命。
电池冷却系数 (CCC) 可以成为热性能的通用指标。CCC 这个指标专为锂离子电池设计，可考虑独特的发热特性，而无需任何大多数制造商都不想透露的有关电池单体的机密信息。每种电池都有自己的 CCC，以瓦特每开尔文 (W/K) 为单位给出，定义了电池所需的温度梯度，以便从中去除一定量的热量，但它们的几何形状或化学成分无关紧要，无需考量。CCC 是推动不同电池制造商之间竞争的指标，也是电池组设计人员可以用来为其应用选择最合适电池的比较工具。
一般来说，我们无法同时将电池的能量和热性能进行优化，必须达成妥协。活性材料，包括阳极、阴极和电解质是热绝缘的，而集电器是金属的并且非常导热。因此，当电池制造商的重点是最大限度地提高现有活性材料的数量时，降低热性能是不可避免的。最近有论文利用 CCC 分析特定案例首次量化了这个问题 ：某锂电池的热性能提高 20%，而代价是能量密度仅降低0.7%。有了这样的理论基础，电池制造商才可以更好的采取措施进行设计变更，针对热性能和能量密度进行设计。
考虑了热性能而设计的电池单体将极大改善其表现。表面上，电池单体的能量密度降低了，但这一点损失完全能够弥补，比如电池组不再需要笨重且昂贵的老式热管理系统，电池组的能量密度反而提高了，再加上更好的热性能，整个电池组性能会有极大的提升 。2020年，电动汽车市场的主要参与者纷纷开始规范热管理，并取得了显著进展。奥迪 e-tron、大众 ID.3 和捷豹 I-PACE 都包含类似的热管理系统，同样的概念也出现在我国，尤其是比亚迪的“刀片”电池。
电池冷却系数CCC 很重要，因为它是整个行业可以用来评估电池级热性能改进水平的指标。因此，采用 CCC 将有助于整体的系统级电池组设计，而不是对系统有害的子系统优化设计。
有从业者表示，CCC 的出现是一项革命，它没有缺点。其论文摘要如下所示，全文可在期刊上获得。
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