電動(dòng)汽車動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)概述

張 微 溫 帥 王 旭 朱仲文 王維志

（1.中機(jī)車輛技術(shù)服務(wù)中心，北京 100070；2.中國(guó)汽車技術(shù)研究中心，天津 300300；3.中國(guó)汽車技術(shù)研究中心，天津 300300；4.中國(guó)汽車技術(shù)研究中心，天津 300300；5.中國(guó)汽車技術(shù)研究中心，天津 300300）

1 研究背景

隨著傳統(tǒng)石化能源的日趨衰竭以及環(huán)保意識(shí)不斷深入人心，電動(dòng)汽車應(yīng)運(yùn)而生并得到迅猛發(fā)展，世界各國(guó)政府及組織也在2017年頒布了本國(guó)傳統(tǒng)汽車全面退市的時(shí)間表。然而，目前制約電動(dòng)汽車走向更大市場(chǎng)的一個(gè)因素就是續(xù)航里程。動(dòng)力電池技術(shù)是電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)，作為電動(dòng)汽車的動(dòng)力源，動(dòng)力電池組的性能和壽命受到溫度的較大影響[1]，良好的電池狀態(tài)是保證電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程的前提。目前，動(dòng)力電池的研究主要集中在鋰電池和鎳氫電池兩種類型[2]，本文以鋰電池為研究對(duì)象，研究表明，在電池組工作時(shí)，電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)速率、電池循環(huán)壽命以及充放電能力均受溫度影響，溫度較高時(shí)[3]，易造成電池內(nèi)部不可逆反應(yīng)物增加，降低電池容量，嚴(yán)重時(shí)還有爆炸的危險(xiǎn)，相反，溫度較低時(shí)，電池組內(nèi)阻增加，充放電效率降低[4]。所以，電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)研究非常必要。

本文介紹的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)主要包括熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程、電池組產(chǎn)熱機(jī)理、電池?zé)嵝?yīng)模型建立以及一種低溫?zé)峁芾矸桨浮?/p>

2 動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)流程

電動(dòng)汽車從啟動(dòng)到行車再到停車的整個(gè)過程中，電池充放電過程實(shí)質(zhì)上一直伴隨著可逆的化學(xué)反應(yīng)和熱量變化，這些化學(xué)反應(yīng)包括電解質(zhì)自身的分解、正負(fù)極的熱分解及其與電解液的反應(yīng)，此外，電池內(nèi)阻產(chǎn)生的散熱也占一部分比例。

動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的開發(fā)流程與電池包的開發(fā)緊密相關(guān)，貫穿于整個(gè)電池包的設(shè)計(jì)過程[5]，首先，根據(jù)客戶的要求以及對(duì)電芯性能的了解，針對(duì)電芯的材料和特點(diǎn)，確定電池的冷卻方式，結(jié)合電池的冷卻負(fù)荷，確定每節(jié)電池需要的風(fēng)量，然后經(jīng)過一系列計(jì)算驗(yàn)證，選定關(guān)鍵零部件。

3 電池組產(chǎn)熱機(jī)理

在電池組工作時(shí)，電池組熱量來源于電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱和歐姆電阻生熱[6]，前者包括電池化學(xué)反應(yīng)熱Qr、電池極化反應(yīng)熱Qp及副反應(yīng)熱Qs三個(gè)主要部分，不可逆熱包括電池內(nèi)阻焦耳熱Qj。電池組實(shí)際產(chǎn)熱量為Qt與電池組熱量來源的關(guān)系如式（1）所示：

化學(xué)反應(yīng)熱Qr：指的是電池充放電過程中化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的熱，充電時(shí)為負(fù)值，放電時(shí)為正值，可通過式（2）計(jì)算：

式中：Q表示電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)總熱量，I表示充放電電流，F(xiàn)表示法拉第常數(shù)。

極化反應(yīng)熱Qp：指的是電池充放電過程中電極極化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量，該值為正數(shù)，可通過式（3）計(jì)算：

式中：Rp表示極化電阻，I為充放電電流。

副反應(yīng)熱Qs：指的是電池自放電導(dǎo)致電極分解反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量。

焦耳熱Qj：指的是電池充放電時(shí)由電池內(nèi)阻產(chǎn)生的熱量，該值為正數(shù)，可通過式（4）計(jì)算：

式中：Rc表示電池內(nèi)阻，I為充放電電流。

Bernadi基于電池內(nèi)部發(fā)熱均勻假設(shè)，忽略副反應(yīng)，提出了一種在電池正常充放電過程中的發(fā)熱計(jì)算公式（5）：

式中：前一部分為化學(xué)反應(yīng)可逆熵變，簡(jiǎn)稱可逆變熱，后一部分為不可逆變化歐姆內(nèi)阻產(chǎn)熱，簡(jiǎn)稱不可逆熱，其中：

電池在常溫下放電時(shí)，當(dāng)倍率＆lt;0.5C時(shí)，可逆熱占總熱量的比例可達(dá)1/3，是不可忽略的熱源項(xiàng)；當(dāng)倍率＆gt;1.5C時(shí)，可逆熱占據(jù)總發(fā)熱量的比例較小，可逆熱可以忽略。常溫下電池充放電的dE/dT曲線如圖1所示。

對(duì)電池施加恒定直流電流，測(cè)量此時(shí)電池兩端的電壓，并根據(jù)歐姆定律R=U/I計(jì)算出當(dāng)前電池的內(nèi)阻（DCR），DCR真實(shí)反映了電池在具體充電或放電過程中總內(nèi)阻。特定工況有特定的DCR曲線。DCR與電池的溫度、電流、SOC狀態(tài)、放電或充電時(shí)間，對(duì)于LPF/G、NCM/G、NCA/G鋰離子電池的影響有以下規(guī)律：溫度越高，DCR越小；電流越大，DCR越?。环烹?充電時(shí)間越長(zhǎng)，DCR越大。

圖1 常溫環(huán)境下電池充放電dE/dT曲線

電芯在不同溫度下10sHPPC的充電DCR和放電DCR如圖2與圖3所示，可見，溫度越低DCR越大。

圖2 不同溫度下充電DCR

圖3 不同溫度下放電DCR

4 電池?zé)嵝?yīng)模型建立

電池?zé)嵝?yīng)模型能夠模擬電池在不同應(yīng)用條件下的熱效應(yīng)行為，可以預(yù)測(cè)電池內(nèi)部溫度的分布與熱傳遞過程[7]，為提高電池安全性能提供保障，對(duì)電池管理系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)有重要意義。按模型的維數(shù)分類，可以分為一維模型、二維模型和三維模型；按原理分類，可以分為電化學(xué)-熱耦合模型、熱濫用模型和電-熱耦合模型[8]。

電池?zé)嵝?yīng)模型建立流程圖如圖4所示。

5 動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)熱管理方式

5.1 動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)冷卻方式

根據(jù)傳熱介質(zhì)不同，動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的散熱冷卻方式可以分為空氣冷卻、液體冷卻、相變材料冷卻以及熱管冷卻[9]。針對(duì)不同的工況的實(shí)際要求，可以靈活地采用一種冷卻方式或多種冷卻方式配合使用，熱管冷卻技術(shù)目前仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，所以，在電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)冷卻方式選擇方面，根據(jù)電池種類、形狀、電池包結(jié)構(gòu)等要求，主要使用前3種冷卻方式，表1為3種冷卻方式的對(duì)比。

圖4 電池?zé)嵝?yīng)模型建立流程

表1 冷卻方式對(duì)比

5.2 動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)加熱方式

電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的目標(biāo)是確保電池在任何正常使用環(huán)境和條件下不因過冷、過熱或溫差過大而出現(xiàn)安全隱患、動(dòng)力缺失、壽命加速衰減、SOC-SOH估算困難等問題[10]，所以，不僅高溫條件下需要冷卻降溫，在冬季溫度零下時(shí)，也需要對(duì)電池組加熱到特定的溫度，并保證在加熱過程中電池單體溫度的一致性。常用的加熱方式有加熱膜片加熱、PTC加熱、液體加熱，表2為3種加熱方式的對(duì)比。

加熱膜由均勻的金屬絲/片+絕緣材料構(gòu)成，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、發(fā)熱均勻、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，PTC主要由PTC基本單元+填充物+集流體+絕緣包覆層+鋁板構(gòu)成，結(jié)構(gòu)略復(fù)雜，溫度均勻性略差，較重，優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)溫度達(dá)到某值時(shí)，PTC溫度不在繼續(xù)上升。

表2 加熱方式對(duì)比

6 低溫?zé)峁芾矸桨?/h2>

電池在低溫條件下放電過程中，如果沒有任何預(yù)加熱措施，電池內(nèi)部增加，嚴(yán)重影響放電效率，同樣電池在低溫環(huán)境中充電時(shí)也會(huì)影響充電效率，電池的最大充電電流與溫度和充電時(shí)間有關(guān)。溫度越低，最大充電電流越小。超過最大充電電流充電，會(huì)導(dǎo)致電池陽(yáng)極低溫析鋰，造成容量加速衰減甚至內(nèi)短路。圖5是某款電池在不同溫度下的最大持續(xù)充電電流。

圖5 不同溫度下的最大持續(xù)充電電流

針對(duì)低溫下電池充電受限情況，首先根據(jù)電池包和電池模組的結(jié)構(gòu)，結(jié)合3種加熱方式的特點(diǎn)，選擇合理的加熱方式加熱電池，然后制定合理的低溫充電策略，根據(jù)不同的JR溫度，采取不同的充電電流，對(duì)于持續(xù)充電，就快充和慢充制定不同的加熱策略，除選擇熱源加熱電池外，還要設(shè)計(jì)合理的隔熱方案緩解低溫下熱量的散失，如可以在模組和箱體之間采用保溫棉、密封空氣、高溫耐火隔熱材料等方式進(jìn)行隔熱。

7 總結(jié)與展望

在國(guó)家政策的推動(dòng)鼓勵(lì)下，人們的環(huán)保觀念被提升到一個(gè)新高度，電動(dòng)汽車在未來的20年會(huì)逐漸取代傳統(tǒng)燃油車，作為電動(dòng)汽車最重要的組成部分，在復(fù)雜的行車環(huán)境中，單一的熱管理方式經(jīng)常無法滿足要求，必須采用多種熱管理技術(shù)相結(jié)合的方式設(shè)計(jì)高效的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)。

同時(shí)，目前的電池?zé)嵝?yīng)模型相對(duì)簡(jiǎn)單，模擬精度受限，可在電化學(xué)-熱耦合模型和電-熱耦合模型的基礎(chǔ)上，將兩種模型結(jié)合起來，采用多維模型，更精確地估算電池發(fā)熱量，從而確定最終的模型參數(shù)。