純電動汽車電池散熱管理的對比研究

董玉燦 張禮憲 孟慶發(fā) 張景濤 楊繼群

摘 要：鋰電池由于其出色的電化學(xué)性能被廣泛應(yīng)用于純電動汽車，溫度是影響鋰電池儲電和安全的主要因素，在溫度過高下工作導(dǎo)致電池性能快速衰退，甚至引發(fā)熱失控。文章基于鋰電池儲電機理，分析了溫度及其他影響因素，對比研究電池散熱管理各方式特點，為電動汽車散熱系統(tǒng)的選擇和研發(fā)工作提供參考。關(guān)鍵詞：電動汽車;鋰離子電池;散熱管理;冷卻方案中圖分類號：U469.72 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）10-01-04

The Research on Battery Thermal Management of Pure Electric Vehicle

Dong Yucan， Zhang Lixian， Meng Qingfa， Zhang Jingtao， Yang Jiqun

（?Zhongtong Bus Holding Co.， Ltd， Shandong Liaocheng 252000?）

Abstract：?Lithium batteries are widely used in pure electric vehicles due to their excellent electrochemical performance. Temperature is the main factor affecting the storage and safety of lithium batteries. Working at high temperatures leads to rapid decline in battery performance and even thermal runaway. This article analyzes the temperature and other influencing factors based on the principle of lithium battery storage motors， and compares and analyzes the characteristics of various methods of battery heat management to provide a reference for the selection and research and development of heat dissipation systems for electric vehicles.Keywords： Electric vehicle; Lithium ion battery;?Thermal management; Cooling methodCLC NO.： U469.72??Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）10-01-04

前言

新能源汽車在環(huán)境保護和能源利用方面極具優(yōu)勢，我國作為全球最大的汽車生產(chǎn)和銷售國，在新能源乘用車發(fā)展道路上做出了卓越貢獻(xiàn)。動力電池是新能源汽車的唯一動力來源，其工作溫度直接影響整車的安全和續(xù)航里程等方面。已有研究者選擇兩種熱管理方式進(jìn)行比較^[1]，本文根據(jù)原理對比電池各散熱管理方式的特點，對新能源汽車選擇合理的方式控制電池的工作溫度具有重要意義。

1?溫度對鋰電池的影響機理

鋰電池中的磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池具有能量密度高、工作溫度范圍廣、循環(huán)壽命長和安全可靠的優(yōu)點，被廣泛用于新能源汽車的動力電池。但鋰電池在充放電過程中產(chǎn)生可逆反應(yīng)熱、歐姆熱、極化熱和副反應(yīng)熱，電池的發(fā)熱量主要受其內(nèi)阻及充電電流的影響。工作溫度過高一方面使長期處于低電位的陽極還原電解液，造成活性鋰離子的損失，導(dǎo)致電化學(xué)性能的下降;另一方面，高溫導(dǎo)致陽極還原電解液的副反應(yīng)增加，反應(yīng)的無機產(chǎn)物沉積在陽極表面，阻礙鋰離子的脫嵌，加速電池的老化^[2]。AhmadA. Pesaran研究表明，當(dāng)電池工作溫度超過40℃后，每增加10℃，電池的循環(huán)壽命就會減半。電池組在新能源汽車電池倉內(nèi)排列緊密，單體電池產(chǎn)生的熱量累積使電池組內(nèi)部出現(xiàn)溫差，導(dǎo)致單體電池衰減速率不同，破壞電池組的同一性，電池組性能降低^[3]。電池的溫度與充放電電流呈正相關(guān)，當(dāng)小電流充放電時，電池組的最高溫度位置在其中間不易與外界發(fā)生熱交換的位置，當(dāng)大電流充放電或極耳結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理時，電池組的最高溫度在極耳處。溫度過低時電化學(xué)反應(yīng)速率降低，還可能在陽極形成“鋰枝晶”，刺穿隔膜與陰極連接造成短路，甚至引起電池的爆炸。因此，根據(jù)動力電池的特性和工作環(huán)境合理設(shè)計電池散熱系統(tǒng)，不僅可提升整車?yán)m(xù)航性能，也可提升整車的安全可靠性。

2?動力電池的散熱方式

動力電池的熱管理方式有很多種，在系統(tǒng)內(nèi)部安裝蒸發(fā)器、水泵、加熱芯或燃料加熱器的方式稱為主動式冷卻，只利用動力電池周圍環(huán)境帶走熱量的方式成為被動式冷卻。按照傳熱的方式又可以分為空氣冷卻、液體冷卻、相變材料冷卻和熱管冷卻等。對比熱管理方式的特點，根據(jù)純電動汽車不同的工作環(huán)境和電池充放電倍率選擇合適的熱管理方法。

2.1 空氣冷卻影響因素

以空氣為介質(zhì)帶走熱量的方式稱為空氣冷卻，散熱原理如圖1所示。按照是否有能源驅(qū)動分為自然冷卻和強制冷卻，按照通風(fēng)方式分為串聯(lián)通風(fēng)（如圖2）和并聯(lián)通風(fēng)（如圖3）。自然冷卻依靠自然風(fēng)與電池的溫度差冷卻電池，由于自然風(fēng)速對流強度不夠，導(dǎo)致高倍率充放電時動力電池內(nèi)部熱量不能及時散出，強制冷卻采取加裝風(fēng)扇或鼓風(fēng)機的方式增加風(fēng)速來提升換熱效果。

研究者對風(fēng)冷結(jié)構(gòu)做了大量研究，白帆飛等人^[4]研究了上集流板傾斜角度、下集流板傾斜角度和電池組間距遞減幅度等結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對電池組溫度和進(jìn)出口壓差的影響，研究結(jié)果表明，上集流板傾斜角度增大不利于控制溫度場和進(jìn)出口壓差;下集流板傾斜角度增有利于溫度場，但會使進(jìn)出口壓差增大;電池組間距遞減幅度的增大有利于有效抑制最高溫度和模塊間的溫差，提高了溫度一致性，并且能夠降低進(jìn)出口壓差。彭影等人^[5]采用雙進(jìn)雙出的雙向液冷管道布置方式對比了自然對流、環(huán)境風(fēng)強制對流和空調(diào)風(fēng)強制對流的換熱效果。研究結(jié)果表明，強制對流冷卻能夠更有效地帶出熱量，滿足高倍率充放電的工作要求，使用空調(diào)風(fēng)強制對流，能夠有效減少強制對流風(fēng)扇噪聲和功率消耗。風(fēng)冷機組選擇應(yīng)注意結(jié)構(gòu)內(nèi)流道的尺寸、出風(fēng)口的尺寸和不同出風(fēng)口開閉策略，方凱等人^[6]的研究結(jié)果表明，當(dāng)系統(tǒng)為含有 4 個出口的風(fēng)冷電池箱體結(jié)構(gòu)時，以一定的周期規(guī)律性地開閉 1、2出風(fēng)口和3、4 出風(fēng)口，可以較好地改善電池組內(nèi)溫度不均勻的情況。

2.2 液體冷卻影響因素

隨著對電動車?yán)m(xù)航性能和快速充電的要求越來越高，空氣冷卻難以將動力電池的溫度控制在合理范圍內(nèi)，而且動力電池內(nèi)部的溫度一致性不理想。因此，液體冷卻逐漸發(fā)展起來。液體冷卻方式以液體作為冷媒帶走動力電池產(chǎn)生的熱量，按是否與電池接觸分為直接式液體冷卻和間接式液體冷卻，按液體流道的方式分為板式冷卻、管式冷卻等，按是否有動力源驅(qū)動液體流動分為主動式冷卻（如圖4）和被動式冷卻（如圖5）。

動力電池液冷系統(tǒng)的降溫效果和電池內(nèi)部溫度的均勻性受多種因素的影響。液冷系統(tǒng)的液體管道形狀影響冷卻效果，安治國^[7]等人研究發(fā)現(xiàn)，方形管道相比于圓形管道能夠降低動力電池組的最高溫度，但電池組內(nèi)的最大溫差增大。通過增大矩形管道的長寬比，能夠有效降低電池組的最高溫度，但同時電池組的均溫性能下降。液冷管道的布置方式影響溫度場分，伍川輝等人^[8]通過 ANSYS Fluent對雙進(jìn)雙出的液冷管道結(jié)構(gòu)的電池進(jìn)行溫度場仿真，研究結(jié)果表明，并聯(lián)雙向冷卻流道比并聯(lián)單向冷卻流道能更有效地降低電池的最高溫度，且電池單體間的溫差更小。并且，入口液體流量越大，控溫效果越好。液冷系統(tǒng)冷板流道數(shù)量、冷板流道長寬比、冷卻液初始溫度都影響散熱性能，葉海軍^[9]搭建電池組與微通道冷板組合的液冷散熱模型，研究結(jié)果表明電池組的最大溫差隨著流道數(shù)量的增多會出現(xiàn)先快速減小隨后小幅上升的情況。流道長寬比的增大導(dǎo)致系統(tǒng)的壓降越大，能耗增加，并且使電池組溫度的均勻性下降，因此，需要將冷板流道長寬比設(shè)置在合理的范圍內(nèi)。冷卻液初始溫度越低，雖然使電池的最高溫度下降，但是溫差卻增大，冷卻液初始溫度最佳設(shè)置為 20～25℃。謝金紅^[10]研究了研究發(fā)現(xiàn)，冷卻板最高溫度隨著管道管距的間距減小、冷卻板的壁厚增加而減小，隨著管徑的增大先減小后增大。實際工況下需要結(jié)合動力電池的發(fā)熱量選擇液冷系統(tǒng)功率，控制冷卻液初始溫度和流速，并安裝在車架中合適的位置，設(shè)計合理的控制策略節(jié)約能耗。

2.3 相變材料冷卻影響因素

采用相變材料冷卻（如圖6）的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，是利用冷卻材料的相變儲存或者釋放熱量來保持電池的正常工作溫度，當(dāng)電池的溫度高于材料的相變臨界溫度，材料通過改變自身的物理狀態(tài)儲存電池釋放的熱量，達(dá)到降溫的效果;當(dāng)電池表面溫度較低時，相變材料由于具有較大的比熱容，釋放熱量，給電池達(dá)到“保溫”的作用。

相比于空氣冷卻和液體冷卻電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，相變材料冷卻起步較晚，由于其綜合性能優(yōu)異，引起眾多研究者的關(guān)注和研究。相變材料主要采用石蠟及其復(fù)合材料作為導(dǎo)熱介質(zhì)，Kizilel^[11]等人分別在正常條件和極限條件下測試使用石蠟作為相變材料包裹的鋰電池，兩種條件下電池溫度分布較為均勻。Morteza 等^[12]采用數(shù)值模擬的方法研究了相變材料總類對散熱效果的影響，對純十八烷、鎵及十八烷和泡沫鋁復(fù)合相變材料的散熱效果進(jìn)行了比較，研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)合相變材料包裹的電池組之間溫差越小，溫度分布較均勻;復(fù)合相變材料熱管理系統(tǒng)的散熱優(yōu)于純十八烷電池散熱系統(tǒng)。采用較厚的相變材料能夠帶走更多的熱量，使電池在低于60℃的情況下工作時間更長。

2.4 熱管冷卻

采用熱管冷卻的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，主要分為蒸發(fā)端、絕熱段和冷凝端三部分，蒸發(fā)端采用導(dǎo)熱性良好的金屬材料與電池直接接觸，利用傳熱介質(zhì)在熱管內(nèi)發(fā)生液態(tài)到氣態(tài)的相變吸收電池的熱量，將氣態(tài)的傳熱介質(zhì)傳輸?shù)嚼淠?，冷凝端與空氣或者液體接觸，氣態(tài)的傳熱介質(zhì)在冷凝端放出熱量轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)后再循環(huán)到蒸發(fā)端。主要可分為脈動熱管、燒結(jié)熱管和重力熱管等。葉欣^[13]等人研究了微熱管陣列在鋰電池1C和2C充放電倍率下的散熱性能，研究結(jié)果表明能夠有效的降低電池模塊的溫度及電池間溫度差異，將溫度和溫度差值分別控制在40℃與5℃之內(nèi)，在2C充放電倍率下通過微熱管陣列的對流散熱量達(dá)到模塊生熱量的40%。Wang 等人^[14]設(shè)計了鋰電池?zé)峁芾鋮s與加熱方案，該方案能夠保持電池表面溫度低于 40℃。

3?結(jié)束語

上文闡述了空氣冷卻、液體冷卻、相變材料冷卻和熱管冷卻的特點及散熱影響因素。自然空氣冷卻能夠滿足鋰電池小功率充放電的散熱需求，強制空氣冷卻效果相對于自然空氣冷卻效果要好，能夠滿足鋰電池中小功率充放電的散熱需求，但是隨著充放電倍率提升，空氣冷卻條件下電池內(nèi)部溫差較大，不能滿足電池溫度均勻性的要求。液體冷卻能夠更快地帶走鋰電池產(chǎn)生的熱量，并且能夠保證電池內(nèi)部溫度均勻。但是，對電池的密閉性、絕緣性設(shè)計要求較高，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。強制空氣冷卻和液體冷卻目前市場應(yīng)用較為廣泛，雖然加快了電池散熱，但是提升了電動汽車的能耗。

相變材料冷卻的方式，相變材料比熱容大，儲存的熱容量大，一般不需要額外消耗泵功。但是，相變材料一般選用石蠟，石蠟的熱導(dǎo)率低，傳熱速度較慢，而且相變材料內(nèi)部熱量不能及時釋放。研究者們?nèi)灾铝τ谘芯渴灮鶑?fù)合相變材料及其他熱導(dǎo)率高、比熱容大的相變材料，并試圖在相變材料外增加空氣強制對流加快相變材料內(nèi)熱量的釋放。熱管冷卻能夠降低電池最高溫度，并保證電池內(nèi)部溫度均勻，但設(shè)計結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，對散熱系統(tǒng)的密閉性要求較高，設(shè)計成本較高。

參考文獻(xiàn)

[1] Duan X，Naterer G F.Heat transfer in phase change materials for thermal management of electric vehicle battery modules[J]. Interna?-tional Journal of Heat and Mass Transfer， 2010， 53（23-24）：5176-?5182.

[2] 楊洋.純電動汽車鋰離子電池組液冷散熱系統(tǒng)研究[D]， 2018.

[3] Kizilel R ， Lateef A ， Sabbah R ， et al. Passive control of temperature excursion and uniformity in high-energy Li-ion battery packs at high current and ambient temperature[J]. Journal of Power Sources， 2008， 183（1）：370-375.

[4] 白帆飛，陳明彪，宋文吉，et al.鋰離子電池組風(fēng)冷結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化[J].新能源進(jìn)展， 2016（4）：363.

[5] 彭影，黃瑞，俞小莉，et al.電動汽車鋰離子動力電池冷卻方案的對比研究[J].機電工程，2015（04）：101-107.

[6] 方凱，徐屾，湯玉婷.電池組風(fēng)冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真優(yōu)化研究[C]//第十屆全國流體力學(xué)學(xué)術(shù)會議.

[7] 安治國，丁玉章，劉奇，et al.液冷管道對動力鋰電池組溫度場影響研究[J].電源技術(shù)， 2018， 42（6）.

[8] 伍川輝，孫琦，于蘭英.工程機械動力電池液冷結(jié)構(gòu)分析及溫度優(yōu)化[J].機械， 2019（8）.

[9] 葉海軍.鋰離子電池組微通道液冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化[D]， 2018.

[10] 謝金紅.電動汽車鋰離子電池組散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[D]，2018.

[11] Kizilel R， Lateef A， Sabbah R， et al. Passive control of temperature

excursion and uniformity in high-energy Li-ion battery packs at high current and ambient temperature[J]. Journal of Power Sources， 2008， 183（1）：370-375.

[12] Alipanah M， Li X. Numerical studies of lithium-ion battery thermal management systems using phase change materials and metal foams[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer， 2016， 102：1159-1168.

[13] 葉欣，趙耀華，全貞花，et al.微熱管陣列應(yīng)用于鋰電池模塊的散熱實驗[J].工程科學(xué)學(xué)報， 2018（1）：120-126.

[14] Wang Q， Jiang B， Xue Q F， et al. Experimental investigation on EV battery cooling and heating by heat pipes[J]. Applied Thermal Engineering， 2014：S1359431114008679.