摘要现有的动力电池及模组设计方案中，单体电池的采样仅对电压、以及部分单体电池的温度信号进行采集和传输，无法精准地向外界提供和传递热失控信号。
随着动力电池能量密度越来越高，安全防控要求也越来来越高。
关于安全防控，主要是电池的热失控。热失控，是电池温度达到一定值后，系统不可控，进而直线上升，起火燃烧。诱发热失控的因素各种各样，有过热、过充、内短路、机械碰撞等。
从单体电池层面看，其内部包括多个极芯单元。一旦电池面临热失控威胁，极芯单元的热量会依次传递。
比如遭受外部火烧时，最接近火焰的极芯单元受热失控后，将依次传递给相邻的极芯，接二连三的引发单体电池整体完全失控。
对电池模组及电池包而言，单体电池发生热失控后，会快速的形成高温及火苗。然后在整个电池系统中蔓延，其破坏力极强，容易引发极大的安全事故。
现有的动力电池及模组设计方案中，单体电池的采样仅单纯对电压、以及部分单体电池的温度信号进行采集和传输，无法有效、准确地向外界提供和传递热失控信号。同时也不能大幅度减缓热失控的传播速度。
涉及热失控方面研究的动力电池公司有CATL（宁德时代）、BYD(比亚迪)、合肥国轩、中航锂电、亿纬锂能、珠海冠宇、微宏动力等。
高工锂电查阅最新专利，发现其中典型代表有宁德时代和比亚迪，分别代表两种解决动力电池热失控思路。
相同点是，宁德时代和比亚迪都意识到单体电池是引发热失控的最大风险，全都是从单体电池出发去解决。
不同点是宁德时代在专利上倾向于用热敏电阻，通过传递热失控信息来预警。比亚迪则安装隔热层，阻碍和减缓热失控速度，降低电池热失控风险，提高电池模组及电池包的安全性。
宁德时代：热敏信号传递
宁德时代发明的一种电池模组及电池包专利，能够提供单体电池的热失控提示信号。
如图1所示，宁德时代发明的专利结构中，热敏组件位于盖板与单体电池之间。同时热敏组件与电池管理系统BMS模块连接。
具体过程是当单体电池发生热失控时，其防爆阀爆喷使热敏组件受热。热敏组件中的热敏导线在受到加热的部分会转变为熔融状态，从而断开或熔融搭接，形成断路或短路的信号。
该短路或者断路信号作为提示信号，能准确有效地向外界传递单体电池发生热失控的信息，使得电池模组在使用中具有热失控预警性能。
另外当单体电池发生热失控时，盖板具有防火和隔热能力，可避免单体电池热失控形成的火苗蔓延至电池模组外，提高电池模组在使用中的安全性。
还有热敏组件与盖板可以模块化集成设计。标准模块化的设计能更大程度的实现生产通用性、装配一致性，以及保证不同设计方案的可操作性。
同时由于标准化，模块化，能减少电池模组产品的设计成本以及加快单一产品的生产效率，可有效降低物料的成本。
图1宁德时代电池组结构
（1-电池模组，13-热敏组件，111-单体电池，1111-防爆阀，12-盖板）
比亚迪：隔热层阻断
比亚迪发明的电池极芯及电池模组专利，提供一种单体电池，能提高电池包整体的热稳定性，降低热失控速度，从而避免电池包热失控。
该项专利的单体电池，是由多个极芯并联，加电池盖板以及外壳等辅助元件构成。
其单一极芯外侧表面堆叠布置有隔热层。隔热层能隔绝热量的进一步传播，增加单体电池对热危害的抵抗性。
这样单个电池发生热失控，由于隔热层阻挡，其热失控就会受到控制。
一方面热量不能直接传递给相邻单体电池，降低电池模组及电池包的热失控风险，提高电池包安全性能。
另一方面单体电池内部极芯的热量不能直接传递给相邻电池极芯，从而降低单体电池内部热失控传播速度。
值得注意的是，该专利中极芯外侧表面的隔热层是依次交替布置，能够确保单体电池的电化学性能和能量密度，不会影响各项性能正常发挥。
图2电池极芯简图（网站不清，未找到清晰图）
参考文献：
[1]宁德时代新能源科技股份有限公司 电池模组及电池包[P].CN209822756U 2019-12-20
[2] 惠州比亚迪实业有限公司 电池极芯及其单元、单体电池、电池模组、电池包和车辆[P]. CN209843865U 2019-12-24
纯干货：什么是新能源汽车动力电池热管理？在造车新势力中，威马汽车给人的印象很像小米：零部件都是挑好的去买，最终产品也不算贵。当然，从好的零部件到好的产品，中间还有很多路要走，这正是考验主机厂水平的重要环节。CATL的电芯又不是只卖给威马一家，那么除了用料好、价格实惠之外，威马EX5的三电系统还有什么独到的优势吗？
今天的文章里，北京紫晶立方科技有限公司联合创始人张抗抗，会从他的从业视角和大家聊聊：
"新能源汽车动力电池的若干关键议题中的电池热管理问题。"
什么是电池热管理？
电池的习性与人相似，它既受不了太热，也不喜欢太冷，最适宜的工作温度在10-30°C之间。而汽车的工作环境非常宽广，零下20-50°C都很常见，那怎么办呢？那就给电池配个空调吧，以实现热管理的3个功能：
温度一致性有多重要？
从“质”与“量”两个角度来看，如果说散热与加热功能是热管理的“量”，那么保持温度一致性就是热管理的“质”。
在架构设计阶段，电池被当作一个整体看待，从外部定义冷却/加热水流量、进水口温度和出水口温度等指标。设计的热管理能力越强，电池系统的适应性就越强：夏天能够正常输出大功率，冬天也能快速启动。
打个比方，同样大的客厅，5匹的空调就是会比3匹空调更凉快。评价散热与加热功能，就是考量它能否实现更强的散热/加热“量”，同时尽可能地不增加太多重量、体积、能耗、制造与维护成本。比方说，我曾经在https://zhuanlan.zhihu.com/p/53625217 这篇文章中比较过冬季加热的办法，如果是在东北极寒之地，再牛逼的PTC、热泵，加热能力都不如一台粗暴的柴油加热器啊。
对空调来说，最重要的是制冷制热是否给力，至于变频与环绕吹风功能，至少对我这个大老爷们来说，是可有可无的。但是，对于电池来说，保持温度一致性与前两个功能同等重要，这源于以下三点：
电池副反应及反应温度[3]
链式反应的第二个含义是指，单体电池的热失控会大量放热，若单体电池之间的隔热/散热条件不好，热量有可能引发相邻电池的热失控，进而引发整个模组(module)甚至整个电池包(Pack)的热失控。上海特斯拉自燃事故中，总共烧掉了4个模组，如果不是采取了消防措施，大量喷水使其降温，最可能的结果是其他模组也被引燃烧光。
单体电池热失控引发相领单体的热失控[3]
由此可见，作为电池热管理的代表性功能，温度一致性可以作为衡量电池管理技术高低的核心指标之一。考虑到木桶效应、二次不一致性和链式反应，若温度一致性做得不好，后果不仅仅是性能衰退那么简单，甚至可能会带来“千里之堤，毁于蚁穴“的惨案。
保证温度一致性难度有多大？
降低单体电池间的温度差异，主要取决于散热流道设计。
首先考虑最简单的一维设计，图(a)是最简单的设计，冷却载体(风冷为空气、液冷为水或冷却液)从左向右流动，这会带来一个问题：右侧的冷却液温度较高，散热效果较差，最右侧单体电池的温度就会显著高于最左侧。
图(b)进行了一些改良，楔形流道使得右侧的冷却载体流速加快，对冲了冷却液温度较高的因素，从而使得效果好于图(a)。问题是电池包内部是寸土寸金，楔形的角度不可能设计得很大，所以这种设计的效果也不会比图(a)好太多。
图(c)是设计了一个往复流道，冷却液周期性地改变流向，从而削弱了一半的温度差异。然而，这种方案也有代价，如果是风冷可以使用风扇交替吹风来实现，但如果是液冷，在工程上就很难实现。
(a)简单流道 (b)楔形流道 (c)往复流道 [4]
如果说一维设计似乎也不难理解，用大白话就能讲清楚，那我们再看看二维的情况：左侧为对齐排列，右侧为错开排列。那我们还能凭直觉回答出来以下问题吗？
事实上这就很难凭直觉来回答了，而需要借助计算流体力学与传热学，用一堆偏微分方程来仿真了。
说到偏微分方程，我的头已经开始大了……那我们还直接看看文献[5]的结论吧：
实际工程是比二维还要复杂的三维情况，而且还要考虑整车布置的影响，电芯成组后的形状可能不是完整的长方体，都会给电芯热管理带来更大的挑战。例如特斯拉的电池组就是不规则分布，热管理设计、仿真与测试的难度难以估量。
图片来源[6]
讲到这里，就可以体会到电池热管理的难度了，我甚至开始庆幸自己不是干这个岗位的，因为这是真的难！
控制温差的业界标杆
一般来说，合格的电池组要将温度差异控制在±5°C以内[1]。如果可以做到±2°C以内，那可以称为是优秀，能达到这个标准的有传统车企巨头通用汽车和造车新势力的领路人特斯拉。
圆柱电芯的特斯拉
特斯拉使用的圆柱形电池接触面比较小，散热是个难点；18650单体电池容量小，所以电池组内的单体电池数量尤其多，更是增加了电池温度一致性的难度。因此，特斯拉费了不少心思进行热管理设计，从公开的专利中可以看出一些设计思路。
其一，特斯拉设计了蛇形散热片。这样每个散热片的曲度和圆柱形吻合，大概可以做到大半个圆的接触面积，促进电芯和外界的导热，降低热阻；每一条金属片都会和左右两边的主散热通道连接。
从实际的拆解图来看，是每两层之间有一个大的散热带，可能主要是为了节约空间和重量。而实际散热带的布置和走向，也并非像专利示意图中这么规整，而是呈现环状。
其二，特斯拉采用类似前面提到的“双向冷却”方法，即对左右散热通道的方向取反，左边自下往上流，而右边自上往下流，以防止上下温度的不均衡。
从实际拆解的图片来看，确实每个散热单元都有四根水管接口，两进两出。
从另一张论文中的图片可以看出，虽然原理很简单，但两路相反回路的缠绕和布置是相当复杂的，通过相反回路来保证每个电芯散热/加热相对均衡。
这种设计，对详细的热流阻分析也是非常必要的，这是一个更复杂的学问(类似前面提到的二维情况下的计算流体力学与传热学仿真)，在此不再展开。
方形电芯的通用Volt
相比于激进的特斯拉，GM的Volt使用了较为稳妥的方形电芯，同样在热管理方面下了不少功夫。由于方形电芯接触面比较大，GM直接在每两片电芯之间加了一个散热棘片，通过棘片把热量传递到下面的冷却回路里面。
可能是由于散热棘片的效果比特斯拉那种蛇形的接触面更大，且热阻更小，通用并没有设计双向的流动来控制温差，这可能也和Volt的电池包没那么多单体，整体均衡性比较好有关。
威马Ex5的热管理设计
在控制温差的热管理设计方面，除了上面提到的特斯拉、通用Volt两个优秀案例，达到±2°C水平的还有威马EX5. 除温差控制外，威马内部测试显示16万公里电池最大衰减率＜5%，给出了8年15万公里质保承诺，高于工信部的要求，信心应该是源自于自身的热管理设计水平。
数据均来源于威马官网及内部测试结果
图片来源：威马汽车官网
回到文章开头的问题，作为“性价比旗舰“，除了用料好、价格实惠之外，热管理设计可能是威马Ex5三电系统的独到技术。可惜在公开资料中找不对劲的细节设计并不多，不知道是不是出于保密的考虑，因此在此只能做一个简单分析：
并联布置的铝制水冷板
每个模组内部布置2个温度传感器
除了热管理的温度一致性功能之外，威马EX5在散热、加热这两个功能上也有独到的设计。
在令电动汽车最头疼的冬季低温续航锐减的问题上https://zhuanlan.zhihu.com/p/53625217，除了预装PTC加热功能之外，针对东北极寒地区还配备了柴油加温系统：6升柴油燃烧放热，大约相当于一个80kWh电池包的所有能量完全用来制热，从而实现了在极寒地区的快速启动与充电; 尤其是冬天，快速加热意味着大大缩短充电时间。电动汽车的柴油加热系统由威马首次在量产车上应用，这是柴油加热系统由威马实现首次在量产车上应用。
由此可见，威马EX5的三电系统除了在看得见的地方用料好、价格实惠之外，在诸如热管理、一致性管理等看不见的”软实力”方面，也下了不小功夫。据悉，在造车新势力排行榜中，威马暂居2019年总销量第一的位置，这并不出人意料。
参考文献：
[1] 张剑波, 卢兰光, 李哲. 车用动力电池系统的关键技术与学科前沿[J]. 汽车安全与节能学报, 2012, 3(2):87-104.
[2]姚昌晟，特斯拉自燃的幕后黑手——说说锂电池热失控. https://zhuanlan.zhihu.com/p/44220201
[3] 冯旭宁. 车用锂离子动力电池热失控诱发与扩展机理、建模与防控[D].
[4] Xia G, Cao L, Bi G. A review on battery thermal management in electric vehicle application[J]. Journal of Power Sources, 2017, 367: 90-105.
[5] Yang N, Zhang X, Li G, et al. Assessment of the forced air-cooling performance for cylindrical lithium-ion battery packs: A comparative analysis between aligned and staggered cell arrangements[J]. Applied thermal engineering, 2015, 80: 55-65.
[6] Adams DT, Berdichevsky G, Colson TE, Hebert A, Kohn S, Lyons D, et al. Battery pack thermal management system. US Patent 20090023056, vol. A1; 2009.
