熱管理的重要性
近年來電動(dòng)汽車電池組的成本迅速下降，這主要是由于規(guī)模效益和更高效的制造工藝造成的。但電動(dòng)汽車與內(nèi)燃機(jī)汽車相比，購(gòu)買價(jià)格仍顯昂貴。為了電動(dòng)汽車市場(chǎng)更進(jìn)一步，電動(dòng)汽車的價(jià)格需要變得更加實(shí)惠。
由于電池是新增成本的大頭，因此，電池行業(yè)專注于如何降低電池成本，全球以美元/千瓦時(shí) (US$/kWh) 作為價(jià)格通用衡量標(biāo)準(zhǔn)。其中，電池壽命對(duì)成本的影響往往被忽視，從而忽視了該行業(yè)的一項(xiàng)重要增長(zhǎng)戰(zhàn)略。實(shí)際上，通過延長(zhǎng)電池壽命，可以從電池本身提取更多價(jià)值，補(bǔ)償前期成本，從而降低整體生命周期成本。
延長(zhǎng)電池壽命不僅會(huì)影響生命周期成本，還會(huì)影響電池在整個(gè)生命周期中對(duì)環(huán)境的影響，提高了材料資源效率，并減輕了鋰和鈷等關(guān)鍵原材料供應(yīng)鏈的壓力。
那么如何延長(zhǎng)電池壽命？有充分證據(jù)表明，更有效的熱管理策略可降低運(yùn)行中鋰離子電池的降解率，從而延長(zhǎng)電池組的使用壽命。

革命性新參數(shù) —CCC
可以說，當(dāng)前主流的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)是次優(yōu)的。“Surface Cooling”在電動(dòng)汽車市場(chǎng)占據(jù)主導(dǎo)地位，現(xiàn)有研究表明，如果在電池組設(shè)計(jì)中有效地實(shí)施所謂“Tab Cooling”，鋰離子電池的壽命可以延長(zhǎng)三倍。什么意思呢？通俗的講，現(xiàn)有電池冷卻僅僅在電池包外輪廓，并沒有深入每塊電池單元。
電池?zé)峁芾淼碾y度很大的一個(gè)原因是，各家鋰離子電池的形狀和尺寸有很大差異，所以基于此開發(fā)的電池包熱性能出現(xiàn)相當(dāng)大的差異，當(dāng)內(nèi)部發(fā)熱升高溫度時(shí)電池的表現(xiàn)也各不相同。
另一個(gè)難點(diǎn)是，沒有定義熱性能的標(biāo)準(zhǔn)。電池工程師可以引用有效熱導(dǎo)率、熱阻值或比奧數(shù)等參數(shù)，但這些參數(shù)沒有考慮鋰離子電池本身產(chǎn)生的內(nèi)部熱量?？梢哉f它們?cè)诟拍钌洗嬖谌毕荨４送?，這些指標(biāo)非常難以計(jì)算，需要的信息永遠(yuǎn)不會(huì)出現(xiàn)在數(shù)據(jù)表中，因?yàn)檫@是電池制造商的秘密。業(yè)內(nèi)的利益相關(guān)者于是陷入困境，無法比較不同的熱管理方法以找到最適合他們要求的方法。
基于上述種種，倫敦帝國(guó)理工學(xué)院部分研究人員于2019年發(fā)布了一項(xiàng)新的學(xué)術(shù)研究，該研究定義了一個(gè)新參數(shù)，稱為電池冷卻系數(shù) (Cell Cooling Coefficient，CCC)。其目的是對(duì)所有電池設(shè)計(jì)的熱性能進(jìn)行普遍基準(zhǔn)測(cè)試。如果將其作為標(biāo)準(zhǔn)，它可以證明與能量或功率密度一樣重要。發(fā)布這項(xiàng)新參數(shù)的研究團(tuán)隊(duì)還通過對(duì)電池片冷卻（Tab Cooling）的研究而受到重視。這為表面冷卻提供了一種有趣的替代方案，可以降低整個(gè)電池的溫度梯度并延長(zhǎng)其使用壽命。

電池冷卻系數(shù) (CCC) 可以成為熱性能的通用指標(biāo)。CCC 這個(gè)指標(biāo)專為鋰離子電池設(shè)計(jì)，可考慮獨(dú)特的發(fā)熱特性，而無需任何大多數(shù)制造商都不想透露的有關(guān)電池單體的機(jī)密信息。每種電池都有自己的 CCC，以瓦特每開爾文 (W/K) 為單位給出，定義了電池所需的溫度梯度，以便從中去除一定量的熱量，但它們的幾何形狀或化學(xué)成分無關(guān)緊要，無需考量。CCC 是推動(dòng)不同電池制造商之間競(jìng)爭(zhēng)的指標(biāo)，也是電池組設(shè)計(jì)人員可以用來為其應(yīng)用選擇最合適電池的比較工具。
一般來說，我們無法同時(shí)將電池的能量和熱性能進(jìn)行優(yōu)化，必須達(dá)成妥協(xié)?；钚圆牧?，包括陽(yáng)極、陰極和電解質(zhì)是熱絕緣的，而集電器是金屬的并且非常導(dǎo)熱。因此，當(dāng)電池制造商的重點(diǎn)是最大限度地提高現(xiàn)有活性材料的數(shù)量時(shí)，降低熱性能是不可避免的。最近有論文利用 CCC 分析特定案例首次量化了這個(gè)問題 ：某鋰電池的熱性能提高 20%，而代價(jià)是能量密度僅降低0.7%。有了這樣的理論基礎(chǔ)，電池制造商才可以更好的采取措施進(jìn)行設(shè)計(jì)變更，針對(duì)熱性能和能量密度進(jìn)行設(shè)計(jì)。
考慮了熱性能而設(shè)計(jì)的電池單體將極大改善其表現(xiàn)。表面上，電池單體的能量密度降低了，但這一點(diǎn)損失完全能夠彌補(bǔ)，比如電池組不再需要笨重且昂貴的老式熱管理系統(tǒng)，電池組的能量密度反而提高了，再加上更好的熱性能，整個(gè)電池組性能會(huì)有極大的提升 。2020年，電動(dòng)汽車市場(chǎng)的主要參與者紛紛開始規(guī)范熱管理，并取得了顯著進(jìn)展。奧迪 e-tron、大眾 ID.3 和捷豹 I-PACE 都包含類似的熱管理系統(tǒng)，同樣的概念也出現(xiàn)在我國(guó)，尤其是比亞迪的“刀片”電池。
電池冷卻系數(shù)CCC 很重要，因?yàn)樗钦麄€(gè)行業(yè)可以用來評(píng)估電池級(jí)熱性能改進(jìn)水平的指標(biāo)。因此，采用 CCC 將有助于整體的系統(tǒng)級(jí)電池組設(shè)計(jì)，而不是對(duì)系統(tǒng)有害的子系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。
有從業(yè)者表示，CCC 的出現(xiàn)是一項(xiàng)革命，它沒有缺點(diǎn)。其論文摘要如下所示，全文可在期刊上獲得。