打铁还需自身硬：论800V电池快充冷却

最近电池4C快充的话题比较火热，找了几款车子对标，其中有个现代IONIQ 5的快充案例，电池包是800V平台，总电量达到72.6kWh，亮点之一是S0C10-80快充只要18min。

在起始温度最高28-29℃的情况下实际测下来20.47min，下图可以看到整个充电过程电池温度一直在上升，最高温度达到52～53℃的样子。在刚开始大倍率充电阶段发热量非常高，预估发热量在十几千瓦，在这样的数量级面前，电池和空调压缩机都没有这个能力将热量带走（整个系统的驱动力还是压缩机，电池热管理和chiller等只是热量的搬运工），所以该阶段温升很快，所产生的热量大部分转化成电池温升。随着充电倍率下降，发热量下降，同时电池温度与冷却液温差增大后换热量才开始增大，电池的温升斜率变小，直到最后阶段电池温度才下降。

我们再来看下模组的导热路径，从示意图来看是底部液冷，模组底部与水冷板之间有导热胶，总体热阻比Taycan小。从电池的温差大致推测，预计峰值换热量在4kW左右（纯盲猜，因为并不知道进出口水温和流量）。

1800V电池包的发热量

从IONIQ 5的案例来看，热管理单块冷板“轻松”搞定了20分钟的快充，是不是因为电压平台的提高，降低电流使电池包发热减少了呢，我们来做个简单的计算。假设57.6Ah三元电芯10sDCR内阻1.4mΩ左右，通过如下串并联关系计算得整包内阻126mΩ，算上电连接和接触电阻等估计在130mΩ以上。

要知道差不多同样电量的400V电池包内阻一般在40mΩ左右，可见800V平台电池包内阻会是400V平台的3~4倍的样子。可以通过如下图电路图发现，虽然电流减小了一半，但是内阻增加到了4倍，发热量是一样的。所以，同样的充电功率400V和800V电池包发热量应该说是属于同一水平线。

制冷需求影响因素

这么看来，800V电池做20分钟快充和400V电池做20分钟快充是一回事。那么影响电池热管理设计目标（电池包换热能力），以及整车空调需要提供多大制冷量给电池，可以通过如下公式做初步计算：

当然也可以利用系统仿真进行初步评估，以及研究各参数对于系统性能的影响。

① 快充时间&电流曲线

快充时间和快充电流首当其冲，个人觉得是影响最大，因为快充时间的缩短意味着短时间内充电功率会增大，发热量会以指数增长，以IONOQ5为例，SOC10-80%20分钟如果需要最大5kW的冷量的话，15分钟可能需要最大10kW以上，直接翻倍。（注：如下计算，不同电池包电量内阻按安时折算，且假设最大冷量能被带走。）

②电池电量

至于电池包电量的话，影响的主要还是充电电流的大小，同体系50度电和100度电的电池包做快充，虽然50度电的整包内阻会大一些，但是发热量还是电量多的包大。

③电池类型（电池内阻）

电芯内阻也绝对是发热量的重要影响因素，同等情况下内阻大10%，就是意味着发热量大10%。不过这里要说的电池内阻主要是NCM和LFP的区别，众所周知，铁锂的内阻要比三元大很多，可能70度电的LFP电池比100度电的NCM电池同样快充时间需求的冷量可能更大。

④最高温度

控制电池最高温度意味着电池吸收的热量减少，冷却系统需要带走的越多，从IONIQ 5的案例看，中间过程的最高温度并不低，高温使用势必会加速电芯老化。这个每家的开发策略不一样，需要从各个维度去平衡。

总体起来就是一句话，快充时间越短，内阻越大，电量越大，需求的冷量就越大；快充充电曲线不一样，对电池温度也有影响，若想将电池控制在越低的温度，需求的制冷量也会增加。

为了进一步提升快充功率，在电流提升受限制的情况选择提升平台电压，这就是800V电池包出现的一方面原因，在整包电流目标500-600A的背景下，单电芯倍率需达到4C及以上。虽然主要压力还是在电芯，但超级快充对冷却系统的设计也带来了前所未有的挑战，发热量增大需要更强大的换热能力来支持高倍率充电，下面我们来分析下如何提升电池包“热量搬运能力”。

短时间的超级快充（数分钟，一般小于5分钟）可以选择电池自身的热容来扛，但是电池热管理若想支持更长时间更大倍率的快充，还是很有必要提升换热能力。今天就来讲讲如何提高这个换热能力，并且来剖析下未来电池热管理可能的发展方向。

3电池系统热阻

说到换热，总离不开一个关键词“热阻”，就像金属导电有电阻的概念一样，是评价整个换热能力的关键指标。

举个电池底部水冷的例子来算下综合热阻，常见的底部水冷结构是电芯与水冷板之间会用界面导热材料（TIM），由于水冷板导热系数比较高且冷板较薄，可以忽略这部分的热阻，综合热阻即电芯、界面材料和冷却液三部分串联而成（姑且忽略接触热阻）。

由于电芯导热系数偏低，本身的热阻占了较大比重（上图饼图显示），这也解释了为什么单冷板冷却提升流量或者增加导热胶导热系数对整体换热能力提升效果不佳。所以，重点是解决电芯本体散热的热阻问题。注意：理论计算仅代表单一方向热阻，真实热阻考虑三方向换热及冷板设计会有一定的差异。

①方向一：增加水冷板

既然热量从电芯的单一方向出来有点“困难”，那么是不是可以换个方向，或者从多个方向讲热量带出来，这就是增加水冷板的原因。现以某款电芯三方向热阻计算不同方向的总热阻：

通过计算上述电芯不同位置冷板的换热热阻。从结果看到，最优解就是大面双面水冷，若不考虑界面热阻的话，单电芯热阻可以是底部冷却热阻的1/3，基于流量提升等手段，实际换热能力可提升至原先的4倍左右，这个提升还是蛮大的。所以CATL的麒麟电池宣传资料里写了4倍制冷，急速控温之类的。

当然，圆柱、刀片、方壳和软包的三方向导热系数大不相同，布置多块冷板的方式也不一样，若以刀片电池为例，最佳方案应该是上下两块冷板。前不久刚发布的蜂巢龙鳞甲和之前广汽的6C电池都是上下双冷板设计。

电池热管理的钎焊冲压板和口琴管搞了这么多年，工艺相对来说成熟些，所以增加水冷板的数量还是比较容易实现的，通过与其他零部件的整合，比如和上盖、和电芯间隔板，来达到控制整包重量的目的。

②方向二：浸没式冷却

相对于传统的水冷板非直接式冷却，浸没式是将电芯浸泡在特殊的工质，让电芯直接与冷却液换热，相当于热量能从电芯的各个面出去，进一步提升系统换热能力。

从某厂家单个block的仿真云图看，运用浸没冷却控制最高温度效果较底部水冷提升了8℃，且单电芯温差＜3℃。这就意味着浸没冷却在换热能力和控制温差上潜力巨大，能够满足更大倍率的快充以及更长使用寿命的要求。

但是，浸没冷却液电池包系统设计挑战非常大：浸没式冷却电芯间需要间隙才能保证液体流过来增加换热面积，那就要解决电芯膨胀和整包刚度的问题，整包又需要在换热性能和重量之间做取舍，并且若整包做了密封处理热失控的排气问题也是难题。针对冷却液，绝缘性、密封性、材料兼容性性、重量、闪点、成本和维护等问题也需要考虑。

市面上已经开始有浸没式冷却的电池包开始量产，奔驰AMG高性能电池包在迭代了几个版本后最终还是进化成浸没式冷却，从介绍文档看整包最大换热能力达到10kW,非常优异的换热能力。说不定不久的将来纯电冷却架构在结合电机热管理的优化，整车热流体会演变成下图的形态 ^[1]。

③方向三：直冷

电池热管理直冷技术就是将冷媒直接通到电池包内，利用气化潜热来满足电池换热需求，而且省去了冷却液这个回路，使热管理系统零部件大大减小，还能改善热滞后性。早些年比较知名的就是宝马i3的电池包，近些年南方某厂直冷应用比较多。

Seong Ho Hong ^[2]等人搭建了一个纯电电池包冷却测试台架，通过一系列测试对比了底部液冷和直冷的冷却效果。从文章的主要结论看，电池直冷在不同倍率充电温度均比液冷的要低，最佳效果要低4.1℃，特别是在2C倍率下能将电池控制在45℃以下。

不过直冷技术也有一些技术难点：首先是均温性能的挑战非常大，管内沸腾传热和单相液热原理完全不同。随着流动进行，流阻导致饱和压力降低，同时饱和温度也降低，所以最低温度是冷板内某个位置，比进口温度还低。而干度上升到某一临界点时，制冷剂流型发生变化，传热恶化导致换热系数下降，冷板温升上升。

另外，制冷剂相变对流换热系数可以达到流体换热系数的数倍甚至几十倍，但是没有根本解决电芯本身热阻较大的问题，他之所以能够提升一定的换热能力，一是得益于流固热阻分非常小，二是可以将液体温度拉得比较低，利用温差大的原理带走更多的热量。

在我看来，若直冷想匹配纯电大电量超级快充的需求，还得增加一定的换热面积来实现。但是总体来说，直冷在系统成本和包内重量（口琴管）上很有优势，具有一定的应用前景。

4总结

电池超级快充的出现给热管理的设计带来了机遇和挑战。就目前市面上的产品而言，以C为代表的多冷板设计开始崭露头角，后续不知道会有其他亮点设计出现，期待百家争鸣的场面。

最后作者想说的是，电池包作为高度集成的产品，大部分零部件都不会为了单一功能而存在，热管理零部件往往也需要兼顾结构强度和安全等等其他属功能，从这个角度出发说不定更能“创新”。