純電動(dòng)汽車用鋰離子電池?zé)峁芾砭C述

蔡飛龍，許思傳，常國峰

（1.同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海 201804；2.同濟(jì)大學(xué)新能源汽車工程中心，上海 201804）

動(dòng)力蓄電池作為純電動(dòng)汽車(EV，Electric Vehicle)的動(dòng)力來源，是提高整車性能和降低成本的關(guān)鍵一環(huán)，其溫度特性直接影響EV的性能、壽命和耐久性。鋰離子電池因比能大、循環(huán)壽命長、自放電率低、允許工作溫度范圍寬、低溫效應(yīng)好等優(yōu)點(diǎn)是EV目前首選的動(dòng)力蓄電池[1-2]。鋰離子電池包熱管理的要求是根據(jù)鋰離子電池發(fā)熱機(jī)理，合理設(shè)計(jì)電池包結(jié)構(gòu)，選擇合適的熱管理方式，合理設(shè)計(jì)熱管理策略，保證電池包內(nèi)各個(gè)單電池工作在合理溫度范圍內(nèi)的同時(shí)盡量維持包內(nèi)各個(gè)電池及電池模塊間的溫度均勻性[3]。

1 鋰離子電池?zé)崽匦?/h2>

1.1 鋰離子電池產(chǎn)熱機(jī)理

電池在充放電過程中都會(huì)發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)，從而產(chǎn)生反應(yīng)熱。鋰離子動(dòng)力電池的主要產(chǎn)熱反應(yīng)包括：電解液分解、正極分解、負(fù)極與電解液的反應(yīng)、負(fù)極與粘合劑的反應(yīng)[4]和固體電解質(zhì)界面膜的分解。此外，由于電池內(nèi)阻的存在，電流通過時(shí)，會(huì)產(chǎn)生部分熱量。低溫時(shí)鋰離子電池主要以電阻產(chǎn)生的焦耳熱為主，這些放熱反應(yīng)是導(dǎo)致電池不安全的因素。電解液的熱安全性也直接影響著整個(gè)鋰離子電池動(dòng)力體系的安全性能。

實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中，動(dòng)力系統(tǒng)需要鋰離子電池具備大容量與大倍率放電等特點(diǎn)，但同時(shí)產(chǎn)生的高溫增加了運(yùn)行危險(xiǎn)。所以，降低鋰離子電池工作溫度，提升電池性能至關(guān)重要。

1.2 電池產(chǎn)熱量、產(chǎn)熱速率計(jì)算

電池的反應(yīng)熱用Qr來表示；由電池極化引起的能量損失用Qp來表示；電池內(nèi)存在典型的電解液分解和自放電副反應(yīng)，副反應(yīng)引起的能量損失用Qs表示；電池的電阻產(chǎn)生焦耳熱為Qj。則，一個(gè)電池總熱源可由以下公式來表示：

式中：V為平均產(chǎn)熱速率；Q為電池工作時(shí)間內(nèi)電池的總熱量；t為電池工作時(shí)間。電池的平均產(chǎn)熱速率(W)=產(chǎn)生的熱量(J)/循環(huán)時(shí)間(s),則由以下公式表示：

2 BTMS傳熱冷卻方式

BTMS中按照能量提供的來源分為被動(dòng)式冷卻和主動(dòng)式冷卻，其中只利用周圍環(huán)境冷卻的方式為被動(dòng)式冷卻；組裝在系統(tǒng)內(nèi)部的、能夠在低溫情況下提供熱源或在高溫下提供冷源，主動(dòng)元件包括蒸發(fā)器、加熱芯、電加熱器或燃料加熱器等的方式為主動(dòng)式冷卻。按照傳質(zhì)的不同可以分為空氣強(qiáng)制對流、液體冷卻、相變材料（PCM，Phase Change Material）、空調(diào)制冷、熱管冷卻、熱電制冷和冷板冷卻等。根據(jù)不同的放電電流倍率、周圍溫度等應(yīng)用要求選擇不同的冷卻方式。

2.1 空氣強(qiáng)制對流

空氣作為傳熱介質(zhì)就是直接讓空氣穿過模塊以達(dá)到冷卻、加熱的目的。很明顯空氣自然冷卻電池是無效的，強(qiáng)制空氣冷卻是通過運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的風(fēng)將電池的熱量經(jīng)過排風(fēng)風(fēng)扇帶走，需盡可能增加電池間的散熱片、散熱槽及距離，成本低，但電池的封裝、安裝位置及散熱面積需要重點(diǎn)設(shè)計(jì)?？梢圆捎么?lián)式和并聯(lián)式通道，如圖1所示。

圖1 空氣冷卻電池流道

Chen等[5]提出了精確的和簡化的模型，仿真結(jié)果研究得出了電池的散熱特性：1）在自然冷卻下熱輻射占整個(gè)散熱的43%～63%；2）強(qiáng)化傳熱是降低最高溫度的有效措施，但擴(kuò)大強(qiáng)化傳熱的范圍并不會(huì)無限地提高溫度一致性。

KennethJ.Kelly等[6]利用空氣強(qiáng)制冷卻方法對豐田Prius和本田Insight混合動(dòng)力車用電池進(jìn)行熱管理，分別在0、25、40℃下以FTP-75和US06循環(huán)工況測試熱電偶分布點(diǎn)的溫升，并且控制風(fēng)扇從低功率4 W到中等功率14 W，實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明US06工況（包括更多的加速、減速和高速運(yùn)行條件）下電池溫升明顯比FTP-75工況下高，但溫升都在5℃之內(nèi)。

此外，Mao-Sung Wu等[7]驗(yàn)證在極端條件下，尤其在高放電倍率、高的運(yùn)行環(huán)境溫度（＞40℃）時(shí)，空氣冷卻不再適用，而且電池表面的不均勻性也成為必然。Paul Nelson等[8]提出對于正常運(yùn)行需要25 kW的電堆，－30℃時(shí)冷啟動(dòng)只需要5 kW，但是電池不能通過自身的I2R來實(shí)現(xiàn)快速加熱。在這種情況下，他們提出了兩種可能的加熱方式：(1)電池包內(nèi)固定電熱絲；(2)以熱傳遞的形式加熱電池冷卻液。由于空氣很難快速加熱電池，我們可以考慮利用高傳導(dǎo)率的液體來實(shí)現(xiàn)電池?zé)峁芾怼?/p>

2.2 液體冷卻

在一般工況下，采用空氣介質(zhì)冷卻即可滿足要求，但在復(fù)雜工況下，液體冷卻才可達(dá)到動(dòng)力蓄電池的散熱要求。采用液體與外界空氣進(jìn)行熱交換把電池組產(chǎn)生的熱量送出，在模塊間布置管線或圍繞模塊布置夾套，或者把模塊沉浸在電介質(zhì)的液體中。若液體與模塊間采用傳熱管、夾套等，傳熱介質(zhì)可以采用水、乙二醇、油、甚至制冷劑等。若電池模塊沉浸在電介質(zhì)傳熱液體中，必須采用絕緣措施防止短路。傳熱介質(zhì)和電池模塊壁之間進(jìn)行傳熱的速率主要取決于液體的熱導(dǎo)率、粘度、密度和流動(dòng)速率。在相同流速下，空氣的傳熱速率遠(yuǎn)低于直接接觸式流體，這是因?yàn)橐后w邊界層薄，導(dǎo)熱率高。

Pesaran等[9]討論了液體冷卻與空氣冷卻、冷卻及加熱與僅有冷卻系統(tǒng)的效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明相對于液體冷卻/加熱，空氣介質(zhì)傳熱效果不是很明顯，但是系統(tǒng)不太復(fù)雜。對于并聯(lián)型混合動(dòng)力車，空氣冷卻是滿足要求的，而純電動(dòng)汽車和串聯(lián)型混合動(dòng)力車，液體冷卻效果更好。

David R.Pendergast等[10]利用松下(CGR18650E)單元電池包裹在三角形鋁模塊中，然后放在水中。該系統(tǒng)理論數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果都說明電池棒內(nèi)溫度不會(huì)低于/高出工作溫度范圍（－20～60℃），該實(shí)驗(yàn)可被認(rèn)為是簡單的水冷卻系統(tǒng)。

Paul Nelson等[8]分別用空氣和聚硅酮電解流體作為電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的冷卻介質(zhì)，驗(yàn)證了電解流體能顯著降低電池過高的溫度，還可以使電池模塊有較好的溫度一致性，此外，聚硅酮電解流體也因不溶于水而更加安全。

張國慶等[11]設(shè)計(jì)了一種液體冷卻與相變材料冷卻結(jié)合的裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)電動(dòng)汽車電池在比較惡劣的熱環(huán)境下電池裝置整體有效地降溫，又能滿足各單體電池間溫度分布的均衡，同時(shí)易循環(huán)利用，從而達(dá)到最佳運(yùn)行條件，并降低成本，增強(qiáng)經(jīng)濟(jì)性。

目前制造商不愿意選擇液體冷卻是因?yàn)槊芊獠缓脮?huì)導(dǎo)致液體泄漏，所以密封設(shè)計(jì)是極其重要的。

2.3 相變材料冷卻（PCM）

一個(gè)理想的熱管理系統(tǒng)應(yīng)該能以低容積，減少質(zhì)量及成本增量的情況下維持電池包在一個(gè)均勻溫度。就鼓風(fēng)機(jī)、排風(fēng)扇、泵、管道和其他附件而言，空氣冷卻和液體冷卻熱管理使得整個(gè)系統(tǒng)笨重、復(fù)雜、昂貴[12]。相變材料由于其巨大的蓄熱能力，開始被應(yīng)用于動(dòng)力電池包熱管理系統(tǒng)[13]，相變冷卻機(jī)理是靠相變材料的熔化（凝固）潛熱來工作，利用PCM作為電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)時(shí)，把電池組浸在PCM中，PCM吸收電池放出的熱量而使溫度迅速降低，熱量以相變熱的形式儲(chǔ)存在PCM中，在充電或很冷的環(huán)境下工作時(shí)釋放出來。

在相變材料電池?zé)峁芾碇?，所需的PCM質(zhì)量計(jì)算如下：

式中：Qdis(J)是電池釋放的熱量；MPCM(kg)是相變材料質(zhì)量；Cp(J·kg－1·K－1)是相變材料的比熱；Tm(℃)是相變材料初始溫度；H(J·kg－1)相變材料的相變潛熱。

Selman and Al-Hallaj等[14]比較了四種不同模式散熱的實(shí)驗(yàn)：1）自然冷卻；2）發(fā)泡鋁矩陣熱傳遞；3）相變材料石蠟冷卻；4）結(jié)合發(fā)泡鋁和相變材料。結(jié)果證明把石蠟與發(fā)泡鋁的結(jié)合能更有效改善PCM低導(dǎo)熱能力的問題，冷卻效果最好，且達(dá)到了電池模塊溫度一致，效果對比如圖2所示。

Kizilel R等[15-16]通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定了利用相變材料對高能量鋰離子電池包在一般和強(qiáng)化工況下熱管理的有效性，并使用相變材料對一個(gè)緊湊的18650電池(4S5P)模塊進(jìn)行熱管理，說明了如果使用被動(dòng)熱管理系統(tǒng)，電池包有可能獲得溫度一致性。

Sabbah Rami等[17]通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)對比了PCM和空氣強(qiáng)制冷卻的效果，證明了在6.67C(10 A/cell)倍率持續(xù)放電下PCM冷卻能保持電池在55℃以下。

圖2 放電循環(huán)時(shí)不同熱傳遞系統(tǒng)的鋰電池模塊實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在寒冷的條件或電池溫度顯著下降的應(yīng)用場合時(shí)，PCM對于電動(dòng)汽車是非常有利的，因?yàn)榇鎯?chǔ)在相變材料里的小部分潛熱會(huì)被傳遞到周圍空間。當(dāng)電池溫度下降到PCM熔點(diǎn)以下時(shí)，存儲(chǔ)的熱量就會(huì)傳遞到電池模塊中。

2.4 熱管冷卻

熱管是由R.S.Gaugler在1942年提出的利用相變來傳熱的一種熱管理系統(tǒng)。它是一種密封結(jié)構(gòu)的空心管，一端是蒸發(fā)端，一端是冷凝端，冷卻電池的原理是當(dāng)熱管的一端吸收電池產(chǎn)生的熱量時(shí)，毛細(xì)芯中的液體蒸發(fā)汽化，蒸汽在壓差之下流向另一端放出熱量并凝結(jié)成液體，液體再沿多孔材料依靠毛細(xì)作用流回蒸發(fā)端，如此循環(huán)，電池發(fā)熱量得以沿?zé)峁苎杆賯鬟f，如圖3所示。熱管可按照所需冷卻物體的溫度進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)。

圖3 熱管式冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖[18]

張國慶等[18]采用熱管冷卻后，電池放電過程溫升降低了許多。與自然對流冷卻相比，溫升降低10℃以上，而且處于同一模塊中各單體電池間的溫度波動(dòng)不大，溫差趨于平衡，有利于實(shí)現(xiàn)電池模塊間的溫度平衡，從而保證電池模塊工作穩(wěn)定。

Mao-Sung Wu等[7]把兩個(gè)帶有金屬鋁翅片的熱管貼到電池（Li-ion，12 Ah，圓柱形，直徑40 mm，長度110 mm）壁面降低溫升。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明在金屬鋁翅片的幫助下，熱管能有效降低電池溫升。

Swanepoel等[19]為蓄電池的熱管理和混合動(dòng)力車元件的控制設(shè)計(jì)了脈動(dòng)熱管（PHP,Pulsating Heat Pipe），并將電池放在車后備箱，如圖4所示。該仿真和實(shí)驗(yàn)說明了PHP的寬度應(yīng)控制在d＜2.5 mm時(shí)允許氨水作為流體介質(zhì)，并且通過好的設(shè)計(jì)能使PHP用于電池?zé)峁芾怼?/p>

2.5 空調(diào)制冷

圖4 應(yīng)用于HEV的PHP原理示意圖

空調(diào)制冷方式冷卻電池包可以使用裝載在整車上的空調(diào)系統(tǒng)，是通過空調(diào)壓縮機(jī)進(jìn)行制冷，通過水冷器將水中的熱量（來自于電池包）帶走，并通過空調(diào)冷凝器將熱量散發(fā)出去。當(dāng)壓縮機(jī)開始工作時(shí)，壓縮空調(diào)制冷劑，壓縮過的制冷劑流入冷凝器中，經(jīng)冷卻后復(fù)原為液態(tài)，將壓縮機(jī)傳給制冷劑的熱量散發(fā)到空調(diào)系統(tǒng)外。液態(tài)的制冷劑流到水冷器中再行蒸發(fā)，所需的蒸發(fā)熱從冷卻水中吸收，因此冷卻了冷卻水，氣態(tài)的制冷劑重新流回空調(diào)壓縮機(jī)。與此同時(shí)，冷卻后的水流到高壓電池包內(nèi)進(jìn)行熱交換，吸收高壓電池包內(nèi)的熱量。電池包的冷卻可以采用水冷和風(fēng)冷，即冷卻水經(jīng)內(nèi)部管道與電池?fù)Q熱和周圍空氣由冷卻水經(jīng)過熱交換器降低溫度后再用風(fēng)扇吹入電池包，其原理示意圖如圖5所示。

圖5 空調(diào)制冷水冷/風(fēng)冷電池包原理示意圖

2.6 冷板冷卻

在電池堆中，冷板（一個(gè)或多個(gè)帶有制冷劑內(nèi)流管道的薄壁金屬結(jié)構(gòu)件）能提供冷卻功能，其原理是熱量從電池單元傳導(dǎo)至冷板，然后通過冷卻液導(dǎo)出熱量。冷板的運(yùn)行特性在某種程度上由管道的幾何特征、流道樣式、流道寬度和長度等決定。

Anthony Jarrett等[20]利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD,Computational fluid dynamics)對不同的模型參數(shù)下的蛇形流道模擬。定義壓力損失、平均溫度和溫度均勻目標(biāo)函數(shù)后通過改變流道寬度和位置進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果是為了保證最小的壓降Pfluid和平均溫度Tavg，冷卻流道近似占據(jù)最大的面積；而為了保證溫度分布盡可能均勻，應(yīng)盡可能使流道寬度最小，僅在流道出口加大寬度，如圖6所示。整個(gè)結(jié)論表明一個(gè)簡單的設(shè)計(jì)能滿足壓力和平均溫度目標(biāo)，但是要損失一定的溫度一致性。

圖6 冷板設(shè)計(jì)優(yōu)化參照幾何特征

2.7 兩種冷卻方式結(jié)合

考慮到一定質(zhì)量的相變材料的潛熱利用有限，在極端工況下相變材料完全熔化后需要另外一種方法來補(bǔ)充冷卻電池包，有人提出了結(jié)合相變材料與被動(dòng)式空氣強(qiáng)制冷卻的方法。

Rami Sabbah等[21]提出了PCM冷卻配合風(fēng)機(jī)一起對電池包進(jìn)行熱管理，證明了強(qiáng)制空氣冷卻/相變材料冷卻比單獨(dú)的空氣冷卻的溫度一致性較好，且瞬態(tài)溫度變化值較單獨(dú)空氣冷卻小很多。

Said Al-Hallaj等設(shè)計(jì)了PCM/空氣冷卻實(shí)驗(yàn)，如圖7所示。在放電時(shí)PCM以高速率吸收熱量并短暫保存，以穩(wěn)定的速率傳到空氣冷卻系統(tǒng)，且設(shè)計(jì)的電池包預(yù)測的熱分布滿足了重載公共交通應(yīng)用要求。

圖7 PCM/空氣冷卻LiFePO4電池

3 總結(jié)

電池是目前電動(dòng)汽車中三大關(guān)鍵技術(shù)之一。隨著電池模塊容量的增大，惡劣環(huán)境下運(yùn)行對電池性能的要求越來越苛刻，高效的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)極其重要?？諝鈴?qiáng)制冷卻由于其冷卻能力不強(qiáng)只能在小型功率且良好工況下使用；液體冷卻需要消耗增加水泵、管路等附件而變得復(fù)雜；相變材料冷卻由于其成本低廉、質(zhì)量輕、無額外能量消耗、冷卻效果好，是未來電池?zé)峁芾淼闹匾芯糠较?；空調(diào)制冷能直接利用整車?yán)锏目照{(diào)系統(tǒng)，只需增加一套電池包冷卻的循環(huán)回路，控制策略較為復(fù)雜?？紤]到車用工況的復(fù)雜，未來的熱管理系統(tǒng)應(yīng)該滿足不同條件下對電池的冷卻/加熱，故未來的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)可能是結(jié)合兩種冷卻方式為一體，例如相變材料與風(fēng)冷/水冷結(jié)合，既可以滿足一般條件下的熱管理，也能在極端工況下排除電池產(chǎn)生的高熱量?？傊?，開發(fā)兩者為一體的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)是適應(yīng)未來電動(dòng)汽車發(fā)展的重要方向。

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