电池热管理（一） - 热管理的重要性与新参数CCC

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

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。

Lithium-ion battery development is conventionally driven by energy and power density targets, yet the performance of a lithium-ion battery pack is often restricted by its heat rejection capabilities. It is therefore common to observe elevated cell temperatures and large internal thermal gradients which, given that impedance is a function of temperature, induce large current inhomogeneities and accelerate cell-level degradation. Battery thermal performance must be better quantified to resolve this limitation, but anisotropic thermal conductivity and uneven internal heat generation rates render conventional heat rejection measures, such as the Biot number, unsuitable. The Cell Cooling Coefficient (CCC) is introduced as a new metric which quantifies the rate of heat rejection. The CCC (units W.K−1) is constant for a given cell and thermal management method and is therefore ideal for comparing the thermal performance of different cell designs and form factors. By enhancing knowledge of pack-wide heat rejection, uptake of the CCC will also reduce the risk of thermal runaway. The CCC is presented as an essential tool to inform the cell down-selection process in the initial design phases, based solely on their thermal bottlenecks. This simple methodology has the potential to revolutionise the lithium-ion battery industry.

摘要大致意思是，锂离子电池的开发通常以能量和功率密度为目标，但锂离子电池组的性能通常受到其散热能力的限制。因此，通常会观察到升高的电池温度和内部热梯度，鉴于阻抗是温度的函数，这会导致电流不均匀性并加速电池性能退化。冷却系数 (CCC) 被引入作为量化排热率的新指标。CCC对于给定的电池和热管理方法是恒定的，因此是比较不同电池设计和外形因素的热性能的理想选择。通过增强对整个电池组散热的了解，CCC也将降低热失控的风险。CCC 是在初始设计阶段仅根据其热瓶颈来通知单元向下选择过程的基本工具。这种简单的方法有可能彻底改变锂离子电池行业。

点击下方二维码关注IND4汽车人职聘公众号

了解最新汽车行业招聘信息