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电动皮卡Rivian的 21700电芯底部冷却设计

 知化汽车 2021-07-30

自特斯拉Model3的大模组设计披露以来,有关圆柱电芯底部冷却的技术就不断被提及,很有可能取代当前的蛇形管方案。

蛇形管方案的冷却是圆柱电芯的径向冷却,即热量从电芯的中心部分,经过正负极卷层、电解液、隔离膜等,到达圆柱侧面,与水冷管接触;底部冷却的是圆柱电芯的轴向冷却,即热量分别沿着正负极、电解液、隔离膜等向下传递,到达电芯壳体底部,与水冷板接触。

与业内的多位专家讨论过这两种方案,就导热率来说,底部冷却方案肯定是优于侧面冷却的(很可惜,没有给出定量的比较),之所以底部冷却没有率先采用,在于原有的圆柱电连接必须上、下两端均进行连接,形成正、负输出,所以,底部无法被冷却使用。

这一状况到了Model 3被解决,它采用在正极端进行电芯的正、负输出连接,从而释放出了底部,这让底部冷却成为可能。参考《特斯拉对电池包上“胶”应用的态度》

我原猜测特斯拉会在下一代电池包技术中采用改方案,现在被美国的另一家电动皮卡公司Rivian率先采用了。

Cybertruck之前,业内关注度最高的电动皮卡就出自Rivian,当时最高的电量为180kWh,确实很惊人。

Rivian电动皮卡共分3个级别:

入门级:105kWh7个模组,续航230+英里

中级:135kWh9个模组,续航300+英里

高级:180kWh12个模组,续航400+英里

核心的设计也集中在模组上,Rivian的模组为双层设计,即有两排电芯,每一层是432个电芯,每个模组共计864个电芯,每个模组的电量为15kWh。这样,Rivian将水冷板放在两层电芯之间,同时冷却上、下层电芯底部,一个推测的方案示意图如下,冷却板的厚度大约是7mm,这也意味着,上层电芯的正极端面向箱体上盖。

Rivian的实际模组方案如下,可以看出模组应该是一端进出水,电芯之间的连接、低压采样均在正极端完成,这与特斯拉专利上的思路很类似。

除了导热率,另一个影响冷却效果的是电芯与冷板的接触面积,对于底部冷却,这个面积是不变的,即底面的面积,以21700为例:3.14*10.5*10.5346.2mm^2,以18650为例:3.14*9*9254.3 mm^2。作为对比,Model 3的侧面接触面积为621mm^2Model X/S的侧面接触面积为227.3mm^2

Model 3增加了冷却板的高度,提高了接触面积,这点来说,侧面冷却的一个优点在于可以通过调整接触面积来控制冷却效果。

底部冷却带来的优点在于,电芯可以排布得更为紧密,这样能够在给定的体积空间内,安放更多的电芯,从而获得更高的电量。根据Rivian的说法,要比市面上的同类产品高20-25%

不过,排布的紧密需要克服另外一个问题,热失控,在之间,水冷板或一定的空气间隔有助于阻断或减缓热失控的蔓延。现在,去掉了水冷板,就需要考虑间隙留多大,增加何种阻燃防护设计。

Rivian的这个设计还有两处问题需要额外解决,一是上层电芯正极直接面对箱体上盖,在热失控时会直接喷向上盖,容易烧穿,直接威胁到上面的乘客;二是水冷板同时也要作为承重结构,当然有可能Rivian并没有将其作为承重件,这样就需要再设计一层结构承重件。

从而让整个Z向的高度变得很大,这对整车内部空间布置是不利的。



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