未来全固态电池需要冷却吗？

未来全固态电池，真得不需要冷却吗？

                                   ----高效节能热管理系统仍是当下发展趋势

平全文  2019.03.06

 锂离子电池，通过一定数量串并组合，装配在汽车上，成为动力电源的哪一刻，高成本、大体积、高质量、温度适应敏感、热失控安全等问题，就一直困扰着我们。

 全固态电池能提供更好的安全、更大的容量、更快的充电，被公认是下一代电池技术路线的发展方向。

 韩国的三大电池巨头联手；日本23家车企、电池、材料公司、科研院校单位联合；欧美研发规划；德国大众豪掷1亿美元投资电池技术公司，他们之所以瞄准和布局固态电池，并且加速核心技术攻克走向商业化，都是想在未来动力电池市场竟争中抢得先机。

全固态电池“让各路英雄竟折腰”，其中作为电池的保镖，安全保障、功能保障的热管理系统发展趋势，又该是什么样的景象呢？

丰田提出全固态电池不需要冷却

前期，丰田在各种不同场合，多次阐述其研发的全固态电池特点，除了重要的高安全特性，还解决和满足了长续驶里程需求，快充电特性，同时，还不需要冷却，体积可以缩减一半。（下图为目前应用典型的电池系统冷却板体积）

在早期，丰田执行副总裁勒罗伊(Didier Leroy)这样描述，丰田在固态电池技术的知识产权方面处于领先地位，可以让电池更安全，体积变的更小。

“Executive Vice President Didier Leroy believesToyota is the leader in solid-state battery technology in terms of intellectualproperty. He sees them as a "game-changer" with the potential todramatically improve driving range.

Leroy said：Toyota's solid-state batteries are based onlithium ion technology but can operate at a higher temperature than currentlithium ion batteries. They do not require cooling and thus are much smaller.”

让我们掀开全固态电池关键指标一角，探究一下这些特点生成原因。

全固态电池耐热特性、低温特性、倍率特性突出

来自Kentaro YOSHIDA and Keizo HARADA “All-Solid-StateLithium Batteries with Wide Operating Temperature  RangeMitsuyasu”对基于硫化物全固态电池做的几项测试（主要针对小容量电池的测试）：

高温耐受性测试：从下图示，电池在高温170℃规定的充放电（The test conditions were a constant current of0.3 mA charge/discharge, charged to 0.3 mAh, and discharged to 3.0 V）、循环条件下，可以观察到，容量在高温下，非常稳定，变化很小，也就是说，副反应并没有显著的增加。

 

低温耐受性测试：从下图示，电池在低温-40℃规定的充放电（The test conditions were a constant current of0.02 mA, charged to 0.02 mAh, and discharged to 3.0 V）、循环（试验条件为恒流0.02mA，充至0.02 mAh，放电至3.0 V）条件下，可以观察到，容量因低温影响，也是非常小的，仍然有很稳定的放出和充入。 

放电倍率特性：如下图示，常温下，在24C高倍率下放电，容量为低速率0.5C下的89%，说明该电池具有优良的功率特性。

上述测试条件，相比现在的商业化动力电池确实还有很大的局限性和差距，但是固态电池从娘胎里带来的优点还是非常明显的，在如此高的温度条件，表现如此稳定，安全性可见一斑。

对于一般液态电解质电池，其策略保护，高温＞50℃进入报警状态；70℃进入热失控风险区。低温环境， ＜0℃限制充电电流。电池在很窄的15～45℃范围内才能稳定的工作。同时，为了保证电池系统的寿命，温差范围要求控制在＜5℃。

其实，热管理的作用，首先是保障电池安全，其次才是保障特性功能的最好发挥。如果电池本身在高低温下就很安全。哪么，对热管理的需求会相应降低。

全固态电池大大降低了对冷却系统的依赖

有资料显示，全固态电池耐热性在（80～120℃）、阻燃性（200℃），均远远高于现有应用的液态电解质的锂离子电池。这主要与电解质形态和结构有直接的关系。

全固态电池使用的固体电解质，是区别于液态有机电机解质的主要特征材料，现在主要研究的有两种类型，氧化物和硫化物。目前包括丰田的全固态电池，主要是基于硫化物类型全固态电池研究。

现在应用的液态电解质电池，也并非都是装备有水冷板的热管理系统。早在日本Nissan leaf EV车上，一直延续着没有冷却板，依靠电池壳体自然冷却的产品设计（如下图）。

对于EV电池系统，主要满足较低倍率的充放电功率需求，在冷却方面对热管理表现的没有功率型的HEV明显。但是在低温环境，环境适应性是得不到满足的。所以说，对于全温度的工况需求，更多的增加了水冷板式的热管理系统。

这本身也是矛盾的。现有庞大的水冷系统，从成本角度，体积方面，都是不利的。

全固态电池耐热性温度范围放大，安全性得到了保障。削弱了对水冷系统的依赖性。契合了解决成本和体积矛盾的想法。

尽管全固态电池如此诱人，但是，还不能停止现有热管理技术的发展的脚步。

丰田表示，其全固态电池仍需10年的发展和成熟

全固态电池要想全面大批量投入生产和应用，还需要很长的一段时间。

丰田表示：“我们确实说过，希望在本世纪20年代初提供固态电池。但事实上，这不会是大规模生产的基础上。我们将小批量的试产开始，用于试点项目，我们永远不会在客户身上做实验。2030年，可能是更现实的时间节点”。下图是丰田技术路线规划表。

热管理高效和节能，需要继续探索和研究

从Tesla车型演变案例观察分析：

Tesla产品，一直以来引起地球人足够的好奇。其设计的精妙也确实堪称典范。正如Elon Musk 对团队的管理和要求一样，在他们眼里“没有做不到的事情”。

在热管理功能单元组合中，透过产品的演变状态，可以看出一些端倪。

来自Tesla 官方论坛中，也对model 3 热管理的演变做了阐述：

“What you may have heard is there is noresistive heater, like the S/X. Instead, Tesla uses the motor as the heater - avery clever design. I wouldn't be surprised if they move the M3 system to theS/X in the future. While it does saves a little amount of money, it also shouldincrease the range a little, and improves the overall system reliabilityslightly as well.”

“There are at least two types of batterymanagement; temperature and cell balancing. The Model 3 employs both of these.The temperature management is a little different than that in the S and X. The3 doesn’t have a dedicated battery heater. Instead it generates heat by sendingpower to the motor (even when not moving) this heat is channeled to the batteryusing a fluid. All three models use a heat pump for battery cooling. All threemodels use a cell balancing algorithm as well”

关于电池加热形式的变化，由PTC加热改变为利用电机接通电流零扭矩加热，其技术优缺点有待于后期进一步研究分析，现在还不能量化和说清楚。

其中一点是肯定的，提高热系统效能的同时，一定是做到了降本。是双赢的结果。这种“没有做不到”的创新精神，值得学习。

结束语

全固态电池通过不断的研究，商业思路已非常清晰。其中，配套的热管理系统，也需要同步的跟进和发展。“不需要冷却”的说法，难免有断章取义之嫌，我想丰田应该也不是这个意思，一定是有所限，有所指，留得后期认真思考和启发。

同时，在目前的热管理应用方面，做到高效、节能，仍然有很多工作需要做：从终端的冷却板结构，到管理的控制技术，电池温度精准采集传感技术、温度异常热失控主动防御技术，管理策略等等，都在等着我们研究和分析。