車載動(dòng)力電池?zé)峁芾韺＠夹g(shù)路線綜述

崔巖　馬宏珺　郭耀斌

摘 要：車載動(dòng)力電池的安全、性能、壽命等均與電池的溫度密切相關(guān)。電池?zé)峁芾硎切履茉雌囓囕d儲(chǔ)能裝置安全的重要技術(shù)分支，受到新能源整車企業(yè)、電池廠商以及公眾的廣泛關(guān)注。該文針對(duì)動(dòng)力電池?zé)峁芾砑夹g(shù)，通過動(dòng)力電池?zé)峁芾淼募夹g(shù)發(fā)展路線、撰寫了動(dòng)力電池?zé)峁芾砑夹g(shù)綜述。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力電池 儲(chǔ)能裝置 熱管理 技術(shù)路線

中圖分類號(hào)：G306 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）01（c）-0046-03

1 車載動(dòng)力電池?zé)峁芾砑夹g(shù)

動(dòng)力電池作為新能源汽車的心臟，即動(dòng)力來源，因此其安全性對(duì)于新能源汽車的安全性而言是至關(guān)重要的。電池?zé)峁芾砑夹g(shù)，是根據(jù)溫度對(duì)電池性能的影響，結(jié)合電池的電化學(xué)特性與產(chǎn)熱原理，基于具有電池的最佳充放電溫度區(qū)間，通過合理的設(shè)計(jì)，建立在材料學(xué)、電化學(xué)、傳熱學(xué)、分子動(dòng)力學(xué)等多學(xué)科多領(lǐng)域基礎(chǔ)之上，為解決在溫度過高或過低情況下工作而引起熱散逸或熱失控問題，以提升電池安全性能的技術(shù)。

2 車載動(dòng)力電池技術(shù)發(fā)展路線

車載動(dòng)力電池?zé)峁芾砑夹g(shù)的發(fā)展主要涉及流道布置、空氣、液體和相變材料4條主線，四者作為一個(gè)統(tǒng)一的整體，共同影響著新能源汽車電池的安全性能。從技術(shù)發(fā)展路線來看，流道布置的發(fā)展注重和整車流道系統(tǒng)的結(jié)合，而空氣、液體和相變材料3個(gè)熱管理介質(zhì)的發(fā)展路線，注重取長(zhǎng)補(bǔ)短，采取兩兩配合的方式一起使用在電池的熱管理技術(shù)中。對(duì)于電池?zé)峁芾砑夹g(shù)發(fā)展路線的研究，有助于行業(yè)和企業(yè)理解熱管理技術(shù)的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀以及未來發(fā)展方向，從而引導(dǎo)行業(yè)和企業(yè)準(zhǔn)確把握技術(shù)發(fā)展方向，合理布局研發(fā)重點(diǎn)。

2.1 流道布置注重和整車流道系統(tǒng)的結(jié)合

首先，流道的布置決定了傳熱介質(zhì)流經(jīng)電池組不同位置的先后順序，從而影響不同位置的局部散熱速率。其次，流道的布置決定了傳熱介質(zhì)在不同位置的流速，而流速將影響局部對(duì)流換熱系數(shù)。再次，流道的布置決定了流道的局部形狀，該形狀也將影響到局部對(duì)流換熱系數(shù)的取值，因此流道布置的合理性對(duì)電池?zé)峁芾硇Ч挠绊懯诛@著。結(jié)合在新能源汽車領(lǐng)域，流道的布置和整車的流道系統(tǒng)的完美結(jié)合更是對(duì)電池的熱管理起著至關(guān)重要的作用，因此從流道布置的技術(shù)發(fā)展路線來看，其注重和整車流道系統(tǒng)的結(jié)合。

參見圖1，早期的流道布置還停留在電池組的流道本身的改進(jìn)，并沒有涉及和新能源汽車整車的流道系統(tǒng)的整合。例如多組電池的空氣冷卻通道布置，參見布朗勃法瑞在1982年申請(qǐng)的專利“高溫儲(chǔ)能電池”（DE3247969A1）。由于該專利僅是局限于電池組內(nèi)部的冷卻流道方式，對(duì)于整車的流道系統(tǒng)并沒有涉及，而本田顯然更注重電池組的流道系統(tǒng)和整車的流道系統(tǒng)的整合，例如本田于1991年申請(qǐng)的專利“用于電動(dòng)車電池冷卻裝置”（JPH05169981A）。這一時(shí)期的專利，雖然能夠?qū)㈦姵亓鞯篮驼嚵鞯老到y(tǒng)進(jìn)行整合，但是只是停留在電池機(jī)械布置在車架中的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)布置，并沒有和車輛其他系統(tǒng)的集成，整車系統(tǒng)的流道部件最重要的空調(diào)系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)等并沒有與電池的流道進(jìn)行結(jié)合布置，導(dǎo)致其系統(tǒng)集成度不夠，布置不夠便捷，并且該專利“用于電動(dòng)車電池冷卻裝置”（JPH05169981A）只是考慮了電池的冷卻問題，并沒有注意到電池的加熱問題。針對(duì)現(xiàn)有流道系統(tǒng)的問題，流道系統(tǒng)向更集成的方向發(fā)展，并且出現(xiàn)了與車輛發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的結(jié)合，例如三菱與通用于1999年申請(qǐng)的專利“車輛電池的溫度控制器”（EP1065354A2），采用發(fā)動(dòng)機(jī)的余熱來控制電池的溫度，其系統(tǒng)集成度更高，并且節(jié)省了熱源等其他部件，降低成本，并且給布置帶來了空間的便利。隨著新能源汽車在2005年之后的大幅度增長(zhǎng)，降低成本，節(jié)省空間等問題變得更為迫切，各個(gè)廠家分別提出更集成的流道布置方案，比如電裝于2007年申請(qǐng)的專利“用于車載電池組的溫度控制裝置”（US2009078400A1），該專利申請(qǐng)集成了發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)的流道，在節(jié)省成本和節(jié)省空間上優(yōu)勢(shì)更為明顯。通用于2011年申請(qǐng)的專利“用于基于空氣的混合動(dòng)力蓄電池?zé)嵴{(diào)節(jié)系統(tǒng)的分開的雙進(jìn)口殼體”（US2013327581A1），涉及一種基于空氣的混合動(dòng)力蓄電池?zé)嵴{(diào)節(jié)系統(tǒng)的分開的雙進(jìn)口殼體，其也是采用電池流道和整車流道的結(jié)合布置的。

綜上所述，流道布置從電池組內(nèi)部的流道設(shè)計(jì)，發(fā)展到與整車其他系統(tǒng)的結(jié)合的集成系統(tǒng)，其經(jīng)歷了從單一到集成從而使整車系統(tǒng)集成度提高的過程。純電動(dòng)汽車以后將不會(huì)采用發(fā)動(dòng)機(jī)，但是整車系統(tǒng)的集成一直是新能源汽車領(lǐng)域的發(fā)展方向，因此系統(tǒng)集成化的道路還可能會(huì)有更新的發(fā)展，比如電池的流道布置與電動(dòng)機(jī)和/或發(fā)電機(jī)冷卻流道以及空調(diào)系統(tǒng)的集成和結(jié)合將會(huì)是純電動(dòng)新能源汽車的未來集成方向。

2.2 流道布置根據(jù)電池的類型和車輛空間進(jìn)行演進(jìn)

參見圖1，隨著豐田公司于1997年推出了世界上首臺(tái)量產(chǎn)的新能源汽車普銳斯，日本的新能源汽車的發(fā)展開始大幅度領(lǐng)先于世界，無論整車企業(yè)還是電池配套企業(yè)在這一時(shí)期申請(qǐng)了大量的專利。這一期間的新能源汽車主要是以鎳氫電池為主，流道布置也是根據(jù)鎳氫電池的特點(diǎn)進(jìn)行布置的，比如松下于1995年申請(qǐng)的專利“具有通風(fēng)系統(tǒng)的電池”（US5800942A）。相對(duì)于鎳氫電池，鋰離子電池的體積小、質(zhì)量輕、循環(huán)壽命長(zhǎng)，自放電率低，無記憶效應(yīng)且污染相對(duì)較小。在2000年之后隨著鋰離子電池技術(shù)的快速發(fā)展，鋰離子電池逐漸取代了鎳氫電池應(yīng)用在新能源汽車上作為動(dòng)力電池使用。這一時(shí)期，疊層鋰離子由于體積上的優(yōu)勢(shì)，被廣泛地應(yīng)用于新能源汽車，其流道的布置的專利申請(qǐng)的隨之增多，比如日產(chǎn)于2004年申請(qǐng)的專利“蓄電池”（EP1583170A2），該電池組，其包括：堆疊于彼此之上的單元電池層，該技術(shù)方案在保證電池組小型化、輕型化的同時(shí)通過流道的設(shè)計(jì)，使該電池組散熱性能良好。疊層電池組具有每個(gè)電池單體排列緊湊的特點(diǎn)，但是隨之而來的問題就是不能對(duì)每個(gè)電池單體就行充分的冷卻，每個(gè)電池單體之間的溫度不均勻，針對(duì)這一問題，LG于2011年申請(qǐng)了專利“具有新型氣冷結(jié)構(gòu)的電池組”（WO2012177000A2），其采用新的單體電池布置方案，通過該技術(shù)方案保證了每個(gè)電池單體可以充分的冷卻，防止電池組溫度不均勻的現(xiàn)象發(fā)生。

由于在新能源汽車中，其空間是十分有限的，既要考慮整車的乘坐舒適性，又要保證各個(gè)系統(tǒng)可以緊湊的布置在車架的有限空間內(nèi)，因此，電池流道的布置要根據(jù)車型和車型的空間進(jìn)行調(diào)整。比如豐田為申請(qǐng)人于2000年申請(qǐng)的專利“一種能將冷卻空氣能夠從車輛地板的開口引入電池殼體中車輛儲(chǔ)能裝置”（EP1153803A2），其將電池流道的入口與車輛的地板上的開口相連通，不需要單獨(dú)設(shè)置一個(gè)開口部件，節(jié)省了流道布置的空間。隨著新能源汽車技術(shù)的發(fā)展，各種車型不斷推出，除了節(jié)省空間的需求外，還對(duì)冷卻流道的布置提出了新的要求，比如在最大化地利用空間的同時(shí)，避免與車輛的其他部件之間發(fā)生物理和傳熱的干涉，保證電池能夠良好地運(yùn)行。豐田公司又于2005提出了專利申請(qǐng)“用于二次電池的冷卻結(jié)構(gòu)”（EP1864845A1），冷卻流道結(jié)構(gòu)在駕駛員座椅與副駕駛座椅之間的地板上布置第一中心排出管以及第二中心排出管，該構(gòu)造使得冷卻結(jié)構(gòu)能夠不會(huì)受到來自布置在地板表面下方的排氣管的影響。并且隨著純電動(dòng)汽車的出現(xiàn)，需要電池能夠提供足夠大的驅(qū)動(dòng)力，對(duì)電池容量需求的提高，在電池的類型不發(fā)生變化的情況，只能通過增加電池的數(shù)量來解決，這樣不可避免地帶來電池體積的增大，如何在整車的有限空間內(nèi)布置體積越來越大的電池成為了迫切需要解決的問題，本田公司于2011年提出了專利申請(qǐng)“電動(dòng)車的電池包結(jié)構(gòu)”（WO2013084935A1），其通過使電池在車架的前后方向上布置，作為車輛的地板結(jié)構(gòu)，最大化地利用車輛的前后方向的長(zhǎng)度，以減小電池包的高度，同時(shí)隨著電池在車架前后方向上的加長(zhǎng)，保證了上流冷卻流道和下流冷卻流道的長(zhǎng)度，增加了整個(gè)電池組的冷卻能力。

綜上所述，新能源車的構(gòu)形不斷地出現(xiàn)，從混動(dòng)到純電動(dòng)，電池的技術(shù)總是在不斷地向前發(fā)展，從鎳金屬電池到鋰離子電池，未來可能會(huì)出現(xiàn)新車型和電池類型，為了適應(yīng)車型和電池類型的不斷出現(xiàn)，流道的設(shè)計(jì)和布置必須適應(yīng)車型和電池類型的發(fā)展歷程，只有這樣才能讓電池運(yùn)行在一個(gè)適宜的溫度范圍內(nèi)。

2.3 熱交換介質(zhì)從單獨(dú)使用向互相結(jié)合使用演進(jìn)

電池的熱交換介質(zhì)，主要分為3類：空氣，液體，相變材料。三者各自具有優(yōu)缺點(diǎn)，空氣的系統(tǒng)成本和系統(tǒng)復(fù)雜性都較低，傳熱效果較低，液體卻相對(duì)于空氣，其系統(tǒng)成本和復(fù)雜性都較高，傳熱效果也較高，而相變材料系統(tǒng)復(fù)雜性較低，但是其系統(tǒng)成本較高，傳熱效果也較高。

參見圖1，以空氣作為傳熱介質(zhì)出現(xiàn)的相對(duì)較早，如前文提到的布朗勃法瑞于1988年申請(qǐng)的專利“高溫儲(chǔ)能電池”（DE3247969A1），就是采用的空氣作為冷卻介質(zhì)的。上述冷卻對(duì)電池之間的流道沒有導(dǎo)向作用，可能導(dǎo)致冷卻的不均勻性，針對(duì)該問題，松下和豐田作為申請(qǐng)人于1997年提交了專利申請(qǐng)“用于電池電源裝置的端板及電池電源的冷卻裝置”（EP0892450A2），其采用強(qiáng)制風(fēng)冷，這樣就使電池的冷卻更加均勻。由于空氣的傳熱效率較低，隨著電池的容量越來越大，那么就需要采用傳熱效率更好的介質(zhì)與其進(jìn)行熱交換，以使電池在合適的溫度下工作。豐田作為申請(qǐng)人于2007年提交了專利申請(qǐng)“電源系統(tǒng)”（US2009233158A1），其將電池設(shè)置在熱交換液體中，從而，電池組件的溫度能夠被迅速調(diào)整到合適的溫度。隨著相變材料的出現(xiàn)，為了使空氣作為傳熱介質(zhì)能夠結(jié)合相變材料熱交換效率高的特征，豐田作為申請(qǐng)人于2011年提交了專利申請(qǐng)“電池殼體和車輛”（WO2013061132A2），在其電池的殼體外部設(shè)置有相變材料，并且采用強(qiáng)制風(fēng)冷的方式進(jìn)行熱交換，采用了相變材料和空氣兩種傳熱介質(zhì)，能夠結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)快速熱交換。

參見圖1，以液體作為傳熱介質(zhì)出現(xiàn)的也是相對(duì)較早，比如株式會(huì)社明電舍作為申請(qǐng)人于1985年提出的專利申請(qǐng)“用于電動(dòng)車的電池的冷卻方法”（JPS622471A），將冷卻劑送入到電池的冷卻劑槽中以冷卻電池，其采用非接觸式。但是其并不涉及在多個(gè)電池組之間的傳熱管路布置，可能會(huì)造出傳熱不均勻的情況。豐田作為申請(qǐng)人于1992年提出的專利申請(qǐng)“用于電動(dòng)車的升溫裝置”（US5624003A），其是在電池組之間布置管路，以將傳熱介質(zhì)液體引入管路中，使電池組和液體之間熱交換均勻，并且其采用水作為傳熱介質(zhì)，也為非接觸式。由于非接觸的傳熱效率相對(duì)于接觸式來說，是相對(duì)較低的，因此為了提高傳熱效率，戴姆勒作為申請(qǐng)人于1994年提交了專利申請(qǐng)“浸入冷卻液中的電池組”（GB2295264A），其把電池組浸入到冷卻液中以對(duì)電池進(jìn)行直接冷卻，采用接觸式的方式進(jìn)行冷卻，冷卻液采用鄰苯二甲酸二丁酯。采用接觸式傳熱，能夠大大地提高傳熱效率。為了進(jìn)一步提高傳熱液體在電池之間的循環(huán)能力，豐田作為申請(qǐng)人于2007年提交了專利申請(qǐng)“用于車輛的電源裝置”（JP2008251304A）以及專利申請(qǐng)“電源裝置”（JP2008192378A），都是把電池組浸入到冷卻液中以對(duì)電池組進(jìn)行直接冷卻，采用接觸式的方式進(jìn)行冷卻，冷卻液采用氟系惰性液體、自動(dòng)傳動(dòng)液或者硅油，為了提高傳熱效率，采用外部動(dòng)力對(duì)冷卻液進(jìn)行攪拌。隨著相變材料的出現(xiàn)，為了使液體作為傳熱介質(zhì)能夠結(jié)合到相變材料的優(yōu)點(diǎn)，通用作為申請(qǐng)人于2011年提交了專利申請(qǐng)“用于汽車蓄電池的具有微囊封裝的相變材料的液體冷卻劑”（專利公開號(hào)：US2013004806A1），其公開了與冷卻流體結(jié)合使用的微囊封裝的相變材料，微囊封裝的相變材料構(gòu)造為在較低的溫度和較高的溫度下具有增強(qiáng)的潛熱傳遞性質(zhì)，以致使用這種汽車電池組組件的車輛更能抵抗冰凍和過熱的環(huán)境，采用了相變材料和液體兩種傳熱介質(zhì)，形成了復(fù)合冷卻流體，能夠結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)快速熱交換。

參見圖1，相變材料作為傳熱介質(zhì)，其相對(duì)于空氣和液體來說，出現(xiàn)的相對(duì)較晚，比如寶馬作為申請(qǐng)人于1992年提出的專利申請(qǐng)“特別是用于驅(qū)動(dòng)車輛的電池”（EP0588004A1）。隨著鋰離子電池的出現(xiàn)，對(duì)電池的散熱性能提出了更高的要求，單純?cè)陔姵貧んw外部設(shè)置有相變材料已經(jīng)不能滿足電池?zé)峤粨Q的需求。日產(chǎn)作為申請(qǐng)人于2002年提出的專利申請(qǐng)“疊層電池”（專利公開號(hào)：EP1414084A2），其在制造極片時(shí)，在材料中混入了相變材料以提高熱交換性能。只是將材料混入了相變材料，相變材料較少，其熱交換能力具有一定的局限性。進(jìn)一步的，LG在其疊層電池中也采用了相類似的散熱技術(shù)，比如LG作為申請(qǐng)于2009年提出的專利申請(qǐng)“具有改進(jìn)的安全性的電池模塊”（EP2416438A2）。

綜上所述，通過傳熱介質(zhì)的演進(jìn)來看，在初期各傳熱介質(zhì)單獨(dú)的發(fā)展，隨著電池?zé)峤粨Q需求的逐漸提高，開始在電池上出現(xiàn)不同傳熱介質(zhì)的結(jié)合使用，這將是未來的發(fā)展方向，同時(shí)隨著新材料的不斷涌現(xiàn)，未來可能會(huì)出現(xiàn)新的傳熱介質(zhì)形式。

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