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什么是動力電池的熱特性

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2018年11月23日  

大學能做什么?我覺得大學更多還是做協助,為企業的產品研發做好協助和服務。大家對比一下中國和日本的產學研的態勢,經常有這樣的一個概念,日本最先進的科學成果都首先出現在企業里,日產發布了什么,Toyota發布了什么,日本的聲音更大一些,在中國相關的技術研究領域,地位更高一些,這種狀態應該逐步調整,高校還是做一些非常基礎的理論知識,比如大型設備,比如中子介入反應堆,比如一些通用方法模擬的一些軟件還有一些模型,可以做這樣的協助和服務的工作,企業還是研發的主體。

我們這里還涉及到電池管理:SOC幾十分鐘,中等的一個尺寸。考慮到梯次利用以后時間更長,可能是數十年的尺度。電池相關的研究和開發人員做的工作大概集中在哪幾個尺度上?

電池熱特性研究

第一個尺度從小到大是材料的尺度。這里畫的是一個單顆粒,數十到數百的納米。做電極的企業都知道,另外在混料的時候難免會團聚。顆粒形成的團聚體涂附在電極層上,它大概是在100微米的層次。

再下一個層次多個電極層通過其他零部件組成的,很多單體串成的一個系統大概在1米,他們都是兩兩之間相差兩個數量極,在這四個層次上都可以做。

在顆粒上面這部分在電芯廠或者電芯廠的供貨商去做,如何完善新材料的制備過程讓它變成的廉價高效,這個是典型的材料領域科學家做的事情,這部分工作長期以來是中國電池產業研究的一個重點,甚至大家覺得這個電池發展史就是材料的發展史。過去150年從最早的電池慢慢到鋰電池能量密度提高了三到五倍,未來更高的一些甚至更好的電池也有三到五倍的跨越。

下面還有一個層次它的效率不應該被忽略。尤其是在大型化的基礎下,在電極層次一個典型的工作是做一款高功率電極設計,在某一個SOC方面必須要有高質量的體現。升空的那種,這里面有鋰電池設計的問題,也有電極制造過程當中的工藝的問題。

第三個就是單體。單體上我們也和很多企業合作過類似的項目,希望做低溫差的單品,希望降低溫差,車輛對溫差有要求,兩度到五度的范圍,不要比五度高,如果單體就超過五度這個工作就很難做,電芯廠首先要控制溫差。

最后是Pack熱管理,單體的系統都是能源領域相關的研究問題,大家可以看看它不管是一個多尺度的過程,也是一個多學科的領域。在清華各個系都在爭能源這個詞。在電機、單體、系統上所要求的學科背景往往更加復雜,像企業招聘員工的時候,十年前要求的材料背景,現在要求的更高了一些,包括機械控制、車輛等等。

我們講一下第四個層次的典型工作,這是來自實驗室的工作,在電極層我們做這樣的一個事情,建立一款模型幫助企業進行開發。從供應商工藝設計的參數,在這個模型里面設計的東西非常有限,很大程度上制約了我們的嘗試。我們想做一款趨近于真實的模型,不做平均。另外還希望電極層模型能夠跟蹤和工藝的革新,做到這個事情。

我們有一些研究院常年工作在一線,去了解工作的缺陷,跟蹤企業各個板塊,隔膜的顆粒表面等等。之前的混漿涂抹的方式現在也有一些新的方法出來了,希望把這個電極模型做的真,可以給企業提供這樣一種幫助,我可以在模型中試一試。調哪個會優先帶來哪方面的效果,如果我想實現哪些特殊的目的可以優先設置哪些東西,我們前期的一些實踐表明,不變的電池材料顆粒,材料不動,不變電解液的基本組成,僅僅變的是參數,在能量不降低的情況下,比功率至少還有一倍的差異。如果我們能在設計層次上做一些工作,有一倍就可以了,應該是一個事半功倍的這么一個事情。

這是一些結果,大家可以看到電池放電過程當中速度控制是不一樣的,大家可以看到每一個固體顏色的顆粒是近似的,但是不同層次的顏色差別還是很大,這是液像控制的過程,每一個顆粒很像,但是內部每一個顆粒顏色差異很大,這就是典型的圖像控制過程,這個跟參數有關系。

在單體層次我們做的一件事情簡單來講就是調宏觀結構參數,我把它稱為3S。十年前我參加中國電池展會看到過幾百上千萬的一個大單品,為什么現在很少見這些單品呢?為什么大家都選了10-50kWH呢?其實電芯的結構也在不斷的成長,圓柱好還是方形卷繞好還是方形折疊的好?尺度假如我做這個形,有什么比例的調整,這些都可以在單體層次的熱模型當中得到回答。

最后一個層次是系統。我們把它分成了大概四類,第一類是分選與組配,電芯廠出廠都要分選,相同、近似的裝在一起。現在有一些文獻說由于并聯的單體處于不同的溫度下,就要裝不同的溫度不同的分配。

第二類是電能管理,其中最有特色的就是SOC,SOC準確估計的問題,第三點是熱管理,電芯廠都提出了我們要做全氣候的低溫差的單體,我是用空調風還是液冷還是用散熱條件還是像日產凌風那樣,干脆把整個盒子封起來,什么都不用,在熱管理上面有很多的門道可以講。最后一個就是安全管理,比如故障診斷到底哪一組壞了,這個最近也很火,這是我們對系統工作的一些理解。

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