奥地利 AVL 李斯特公司电池产品经理郭茹：电池浸泡冷却：技术亮点及量产开发中的挑战

导  读

2021年6月7日-9日，第四届先进高功率电池国际研讨会The 4th International Conference on Advanced High Power Battery（CHPB-4）在苏州顺利成功召开。本届研讨会由中国化学与物理电源行业协会、中国电子科技集团公司第十八研究所共同主办，先进电池材料/北京中联毅晖国际会展有限公司承办，并得到了无锡先导、骆驼集团、欣旺达、天鹏电源、新能安科技、青岛蓝科途、奥科希艾尔、沁新集团、中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所等协办单位的支持。本届会议邀请了来自国内外汽车领域、无人机、电动工具、动力电池、BMS及相关关键材料、大专院校和科研院所等270家单位，600位嘉宾出席了此次国际研讨会。会议共安排了10场分会42篇报告两个圆桌讨论会（1、先进高功率电池在电动工具应用讨论会，2、“碳达峰、碳中和”对混合动力车辆市场发展影响及其高功率先进电池技术发展与应用趋势）。分别在第一天的主会场和第二天的二个分会场进行。

在Session5“先进锂电池体安全体系设计与评价研究进展”分会主题上，来自奥地利AVL李斯特公司 电池产品经理郭茹做了“电池浸泡冷却：技术亮点及量产开发中的挑战”的主题发言。


奥地利AVL李斯特公司 电池产品经理郭茹

大家好，今天很高兴能够代表奥地利AVL李斯特公司跟大家一起分享一下我们在电池浸泡冷却技术亮点，以及我们在量产开发中碰到的一些挑战。我叫郭茹，我是AVL的电池产品经理，今天的议题首先会先简单的跟大家介绍一下我们公司，以及我们在电池技术方面的一些创新技术，会着重强调一下在电池量产开发中碰到的流程、技术上的一些挑战，以电池浸泡冷却的特别案例详细讲一下在整个开发流程中需要注意的关键技术要点，最后是一个简单的总结。

首先介绍一下我们公司，我们公司已经有超过70多年的历史，现在全球有超过1万多的员工，在中国大概有八九百人，在上海、天津有技术中心，北京、成都有办事处。我们公司的业务领域主要分成三大块，第一块是关于工程技术开发，我们并不是TR1公司，并不生产电池包或者电芯，更多的是做工程服务，比如设计开发，工程咨询。第二大业务主要做测试设备，像做电池的充放电设备，电机，整车以及动力总成的测试设备。第三块是提供一些仿真软件。



AVL在新能源领域包括混合动力，微混48伏到纯电动车的开发，还有燃料电池整个的技术能够涵盖整个车的动力总成，包括车的领域。电池方面我们包括电池对标，如果你们对哪一款车或者电池、电芯，我们会有包括详细的拆解，对于技术的分析，还有很多测试，是有非常大的对标数据库。我们也是做了非常多电池量产的开发项目，一会有一些案例介绍。概念开发会跟客户一起做一些非常前沿的技术，比如像C2P、C2C这样不同的一些电芯到整包的集成技术，我们也提供电池管理系统，这块是可以把软件作为一个白盒子给客户，他们能够快速的建立自己的技术平台，缩短产品开发周期。我们也提供很多仿真服务，像热仿真、电池的安全仿真，比如热失控仿真，我们在国内也可以做一些小批量样件的装配，在上海技术中心还可以提供电池的充放电测试的服务。因为我们会做量产设计，所以成本开发，工艺工程也是我们可以提供的。



这边介绍几个案例，这款车是英国JLR的IPACE纯电动的SUV，这款车去年还是前年就已经量产了，这也是业内第一块底部大的纯电动电池包，这也是AVL帮他们去设计的。

FUSO这是一个商用车的应用，它是能够支持不同的轻卡或者不同的车型，电池包是比较灵活的，可以配置不同的车型空间。

接下来介绍一下一些电池的新技术的应用，现在对于电池包的开发周期要求越来越短，怎么样缩短开发周期？在A样时候尽可能用一些仿真技术，不用等到做实际的测试就可以知道它安全结果的评估。对于一些新电池的概念，比如固态电池，AVL也是跟一些包括整车厂以及固态电池的合伙伙伴一起在做固态电池的系统开发，它本身对于电芯的工作温度可能要到100多度，怎么样在整车系统里面去集成它？通过一些虚拟的验证，缩短整个DVP的验证时间和成本。

AVL在奥地利有一个电池创新中心，会专门去尝试一些电池的新型装配技术和工艺，这个是像C2P、C2C的概念设计以及超前的技术，还有像电池管理系统，除了现在在本地的，也有一些云端大数据以及电池寿命预估，预测型能量管理这样一些比较前沿、智能的预测技术。

接下来说到今天的重点，电池浸泡式冷却，电池浸泡式冷却是把电池放在一个矿物油里面把它直接进行冷却，它的优点有几点：

第一，对于热管理系统的效率会更高。

第二，因为本身的高压间隙可以减少，缩小整个电池的尺寸。

第三，因为你的Busbar热量可以被直接带走，所以Busbar的尺寸是可以减小的，也能够有效的优化成本和重量。

第四，它本身的安全性比较高，比如一段电池发生热失控，油能够很有效的阻挡热失控热传播的速率。



电池的浸泡冷却技术是电池的热管理技术的一种，电池热管理其他的方式可能大家也比较熟悉，包括没有加热管理的自然冷却，强制风冷，这个应用比较少的是制冷剂制冷以及现在比较常用的液冷，液冷里面可能的冷却方式通过水和乙二醇的混合物来做，它的一个缺点是如果一旦你的水发生泄漏，可能会造成电池内部的电器短路，风险是比较大的。

电池浸泡冷却本身通过矿物油可以直接和电芯以及里面的Busbar或比较发热之间直接接触，所以它的导电热阻是非常小的，这个应用通常目前来说支持比较高倍率的充放电，比如一些快充的应用，或超跑的应用，混合动力的一些应用。

这项技术也不算完全全新的技术，在早几年也有一些客户在做，在AVL我们在以前一些赛车的项目中已经把电池的油冷技术应用上去了，但是因为赛车不差钱，第二，它本身的量没那么高，当后来有量产的客户找到我们，我们会评估他如果把这项技术作为一个量产化，本身的复杂度还是挺高的，如果这样，我们需要考虑它整个的成本，整个的开发周期以及复杂度。

电池系统本身来说它是一个非常复杂的一个系统，我们会把它分成6个系统，比如电芯、模组、外壳、热管理系统、高低压部分等，它本身也会有17个主要的功能，这几个会互相映射，我们会把它分成43个子功能，AVL我们用一套自己独立的开发，基于模型的开发，能够保证这些复杂的方面都考虑到。



这也是为什么当我们有一项新的技术，如果你只是做预研，并没有那么复杂，但是如果你把预研的东西一直推进到量产，一般一个电池开发的流程有一个可行性分析，概念阶段，一直到量产。每一个阶段都是一个小V的流程，我们要包括它功能的集成，测试验证，会分成虚拟仿真、实物测试、如何考虑它的工业化、量产的制造性。

接下来我会以流程中的每一点，看一下我们的浸泡冷却系统。首先对于需求管理和电池的布局，并不是所有的项目都适合用油冷，所以我们一开始会分析包括你对于这个电池系统的峰值功率的需求，他常用的功率，可能这个车一些常用的工况，对于电芯本身发热特性的研究，判断什么样的技术是适合的。

接下来这块也是非常重要的——材料的兼容性，尤其对于浸泡式冷却，电池本身里面的材料还是比较多样的，除了电芯，本身还有很多像塑料、胶水、金属件，可能还有一些橡胶，这些材料长期互相接触，到底可不可能会发生一些互相腐蚀性或其他的化学反应，我们这边除了会有理论，也会有很多实验的测试来支持。

第三，还是需要去评估整个管理系统到底是不是能符合，比如说对于电池本身发热功率判断，以及到底需要什么样的热管理回路，需要一个多大的泵来推动循环，以及热交换效率。

这一点可能也是很多供应商比较关注的，到底什么样的矿物油合适，矿物油种类也会分成很多种。比如说现在有像硅化油，基于一些碳基油，还有一些合成酯。这些油本身都是有非常多不同的特性，如果把特性分成五大类，除了刚才第一个介绍的材料兼容性，包括油的成本，可燃性，包括油密度，以及导热效率这都是需要我们考察的。我们跟很多不同供应商有合作，一起探索他们材料的一些优缺点，以及适配性。



前面是做可行性预言阶段，设计不会做那么多细化。A样阶段我们对具体设计做了优化，首先是流道优化，浸泡式冷却矿物油会充满整个电池包，流道设计是至关重要的。如果流道设计过大对于整个电池重量影响也是会非常大，还有怎么保证里面这些温度均一性，非常多的像流体仿真判断这个设计是不是合理。

A样也是会做一些样件制造，包括对于设计有一个初步评估，以及对于装配工艺，以及本身性能做一些摸底的测试。这一点也是强调一下，对于电池安全特性，我们在A样阶段也是会做一些测试，我们会把电芯或者模组放在油里面判断当电池热失控时候，这个油是不是阻燃，是不是能够很好保证不会进行热扩散。通过实验也可以看到，当一个电芯在油里面，当它发生喷气时候，本身会在油里面形成很多非常小的气泡，相比于在空气下面，高温气体会自由流动，在油情况下它的热失控可以大大延缓的。

B样阶段更多是需要考虑实际一些工艺，还有一些制造问题，对于浸泡式冷却密封性是非常重要的，还有一个压力。本身油在泵推动下是有一定压力的，同时因为我们电芯本身也是会呼吸，会膨胀，所以对于整个压力影响到底能承受多大压力是需要做考量的。

还有其他一些安全，因为电池包不是静止的，是在车上面。有一些不同振动的影响，对于可靠性，耐久性，当它发生碰撞以后，碰撞点会不会造成外壳破裂，以及造成内部的干涉。我们间隙相对可以小一点，本身是绝缘介质，我们也需要考虑到在碰撞情况下有没有可能发生短路和导电情况，我们主要通过方针评判设计上到底要留多大的余量。



在B样也会初步对整个安装的流程，以及产线规划，到底使用什么样自动化系统，以及大概产线布局会做一个设计。还有一点比较重要的，虽然油本身是不导电，因为长期在循环回路里面，可能会带走一些电荷或者可能影响不断的摩擦本身会有污染。整个循环系统里面，包括泵，包括热交换器需要对于它可能产生带电物质，或者杂质需要做一个处理和判断的。

对于供应商管理，供应商整个质量，材料一致性，AVL能够提供一整套供应商管理的方法。C样，如何提供自动化制具，包括工艺或者设备，我们能够提供推荐或者设计。还有一个可维修性，对于浸泡式冷却这个油并不像机油一样定期更换，设计目标是伴随整个电池生命周期是不需要更换的。如果我们发现油里面有杂质，或者量有了明显缩小，怎样能够有效把这个油进行维修和更换，也是设计中需要考虑的一个点。

最后是关于准入测试，我们会通过一些包括方针，以及预测试保证电池包符合国家法规要求。对于一个新技术要推到量产，对于安全性，流程需要一些综合考虑。AVL也是这样一个公司，我们能够把一些新的方法，能够帮助客户落地，然后实现目标的公司。如果未来客户有需求，我们可以一起合作，做一些新的技术开发，

这是我汇报的主要内容，谢谢大家。

主持人：时间还有几分钟，有问题的可以提问。

Q：您讲有关油来冷却我非常感兴趣，我有一个问题，油是你们公司开发，还是市场上能买到的？油的成本能占整个电池百分之多少？冷却和导热系数有没有关键指标？

郭茹：我们跟很多不同供应商合作，现在油厂商有这么几大类，一类可能是一些汽油供应商，还有一些是传统一些润滑油。其实这个油技术本身在变压器里面很多年了，像车一些应用，电机或者其他一些应用有非常多不同供应商，本身他们产品类别相差很大的。目前并没有划上一个具体线，一定要达到某一个线才可以，因为它是综合评估的。

我们现在合作方式，我们有一种合作方式跟主机厂，跟油供应商一起做三方合作。比如说评估这个产品是不是合适，最后决定供应商可能也是要在主机厂判断，技术特性，还有价格因素。这块最终决定权会有一个三方合作的结果。

Q：据我所知，国内有一些研究所也开展了相关工作，你们有没有对比过硅基液冷？

郭茹：目前这个项目是一个欧洲项目，在国内这边还没有直接的项目，我也不能给你一个直接的回答。

Q：我有一个疑问请教一下，用矿物质油跟高压变压器油，这个早期同行有一些案例，但是做的不是特别好，我想AVL，您开发这个东西是很有经验的。我的问题是，有没有跟它和水冷却做过一些比较？有多大的优势？

郭茹：首先这个东西应用场景可能不太一样，油冷更多是会非常大倍率的充放电。我们通过这样一个方针测试来说，本身导热效率比水高很多，如果你是用传统液冷板，本身电芯到模组之间，模组到底板之间中间隔了很多层，本身导热效率跟这个比肯定是差一个数量级的，还是要看具体应用场景。