電動(dòng)汽車(chē)鋰電池冷卻方式綜述

吳博

（重慶交通大學(xué) 機(jī)電與車(chē)輛工程學(xué)院，重慶，400074）

主題詞：電動(dòng)汽車(chē) 鋰電池 冷卻方式

1 前言

隨著傳統(tǒng)能源的日漸枯竭，空氣污染問(wèn)題日益嚴(yán)重，新能源汽車(chē)行業(yè)受到各汽車(chē)廠商的關(guān)注和政府的大力扶持。而眾多新能源汽車(chē)中，電動(dòng)汽車(chē)的技術(shù)相對(duì)成熟。電動(dòng)汽車(chē)相對(duì)于傳統(tǒng)燃油車(chē)輛，杜絕了尾氣的排放。另外，隨著國(guó)家對(duì)電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域科研資金的投入加大，電動(dòng)汽車(chē)的安全性能和傳統(tǒng)汽車(chē)的差距越來(lái)越小，逐漸得到了廣大人民的認(rèn)可，在中國(guó)汽車(chē)市場(chǎng)的占比也越來(lái)越大。

同時(shí)由于電動(dòng)汽車(chē)在行駛過(guò)程中，電池會(huì)產(chǎn)生大量的熱。如果不能快速有效地對(duì)電池進(jìn)行散熱、均衡單體電池內(nèi)部的溫差，就會(huì)造成熱堆積，嚴(yán)重的還會(huì)導(dǎo)致爆炸，所以明確動(dòng)力電池的發(fā)熱和傳熱行為以及對(duì)電池?zé)峁芾磉M(jìn)行研究設(shè)計(jì)，對(duì)整車(chē)安全以及電池?zé)峁芾淼膶?shí)施意義重大。

2 鋰電池生熱機(jī)理分析

鋰電池產(chǎn)熱機(jī)理主要是指電池內(nèi)部進(jìn)行的各種電化學(xué)反應(yīng)而引起的熱行為和鋰離子在各組成結(jié)構(gòu)材料內(nèi)嵌入、脫嵌以及轉(zhuǎn)移時(shí)受到的物理阻力而產(chǎn)生的歐姆內(nèi)阻熱。通過(guò)相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，鋰電池產(chǎn)生的熱主要由4 部分組成[4-5]：反應(yīng)熱(Qr)、極化熱(Qp)、焦耳熱(Qj)和副反應(yīng)熱(Qs)。所以電池發(fā)熱的總熱量為

3 鋰電池散熱方式分析

根據(jù)熱力學(xué)第二定律可知，熱量不能自發(fā)地從低溫物體轉(zhuǎn)移到高溫物體。熱量的傳遞主要有3 種方式：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射。

熱傳導(dǎo)實(shí)質(zhì)是由物質(zhì)中大量的分子熱運(yùn)動(dòng)互相撞擊，而使能量從物體的高溫部分傳至低溫部分，或由高溫物體傳給低溫物體的過(guò)程[6]。

熱對(duì)流是指靠氣體或液體的流動(dòng)來(lái)傳熱的方式。液體或氣體中較熱部分和較冷部分之間通過(guò)循環(huán)流動(dòng)使溫度趨于均勻的過(guò)程。

熱輻射是指物體因自身的溫度而具有向外以電磁波的形式發(fā)射能量的能力。與其他2種傳遞方式不同的是它能不依靠媒質(zhì)把熱量直接從一個(gè)系統(tǒng)傳給另一系統(tǒng)。

4 電池冷卻的方式

電池冷卻技術(shù)已成為各個(gè)電池生產(chǎn)廠商、汽車(chē)生產(chǎn)廠商、各研發(fā)和科研單位爭(zhēng)相投入的熱點(diǎn)技術(shù)。目前，鋰電池散熱形式主要采用風(fēng)冷、液冷、相變材料冷卻、熱管冷卻和多種方式組合冷卻。

4.1 風(fēng)冷

風(fēng)冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，所以廣泛地應(yīng)用于電池的熱管理系統(tǒng)[7-8]。目前國(guó)內(nèi)汽車(chē)廠商廣泛采用風(fēng)冷式散熱，風(fēng)冷是以低溫空氣為介質(zhì)，利用空氣和電池模組間的熱對(duì)流，降低電池溫度的一種散熱方式。該散熱方式雖然散熱效率較液冷散熱差，但結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、研發(fā)成本較低，廣泛應(yīng)用于市場(chǎng)上的新能源車(chē)型。如日產(chǎn)聆風(fēng)（Nissan Leaf）、起亞Soul EV 等，目前的城市大巴中也被廣泛應(yīng)用。風(fēng)冷按照通風(fēng)方式可分為串行式風(fēng)冷散熱和并行式風(fēng)冷散熱[9]，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 2種通風(fēng)方式[9]

Park 等人[10]采用強(qiáng)制空氣冷卻對(duì)矩形電池進(jìn)行降溫，最優(yōu)的冷卻工況能夠保證電池的正常工作溫度，但卻消耗額外的能量。Na等人[11]在電池箱內(nèi)加隔板，在2 邊通過(guò)反復(fù)式進(jìn)風(fēng)，如圖2 所示。電池組的最高溫度能降低0.5°C，同時(shí)電池之間的溫差能降低0.6 °C（55.5%）。強(qiáng)制的空氣冷卻效率受到空氣低熱導(dǎo)率的影響[12]，其限制了冷卻系統(tǒng)的性能。此外，空氣在出口和入口之間的溫度差會(huì)導(dǎo)致電池組內(nèi)溫度分布的不均勻。綜上風(fēng)冷系統(tǒng)的成本低，但冷卻效率不高，不適合高功率的動(dòng)力電池和電子元器件。

圖2 往復(fù)式通風(fēng)[11]

4.2 液體冷卻

與空氣冷卻技術(shù)相比，液體冷卻系統(tǒng)更加復(fù)雜，可以通過(guò)在電池之間插入微通道冷板或?qū)㈦姵亟](méi)在電介質(zhì)流體中，從而提供更高的冷卻能力[13]。關(guān)于微通道冷板這個(gè)概念最早在1981 年被Tuckerman 和Paise[14]提出，傳統(tǒng)的液冷板結(jié)構(gòu)，如圖3 所示。Huo[15]通過(guò)優(yōu)化通道數(shù)，冷卻液的入口溫度、流向，使動(dòng)力電池溫度分布更加均勻。針對(duì)EV（電動(dòng)汽車(chē)）的動(dòng)力電池的熱管理，Jin[16]設(shè)計(jì)了一種新的帶有陣列翅片的二維液體冷板模型，并對(duì)翅片的角度和寬度進(jìn)行了優(yōu)化，以獲得更好的傳熱性能，如圖4所示。

圖3 傳統(tǒng)液冷板三維模型[15]

圖4 二維液冷板模型[16]

Beng[17]，Li[18]等人提出了一種新穎的腔與肋結(jié)合的設(shè)計(jì)方案，它能引起微通道內(nèi)部冷卻液的混合和流動(dòng)中斷，從而提高傳熱效率。另外腔體的形成增加了流動(dòng)面積，從而減小了微通道的壓降，即減小了泵的功率損失。Pan 等人[19]研制了一種扇形空腔微通道換熱器，并與傳統(tǒng)的矩形直管微通道換熱器進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，采用扇形空腔的微通道換熱器性能優(yōu)于不采用扇形空腔的微通道換熱器，且壓降較小。研究還表明，扇形空腔的偏離度、重合度和分布對(duì)傳熱性能有重要影響。也有如Abubakar[20]的相關(guān)學(xué)者從流體種類(lèi)的角度進(jìn)行了相關(guān)研究，提出了使用納米流作為冷卻劑來(lái)吸收熱量，并將熱流從熱表面擴(kuò)散走。由于固體納米顆粒的導(dǎo)熱系數(shù)要高于流體和流體中的納米顆粒的存在增加了流體的傳熱系數(shù)，所以提高了冷卻效率。然而人們發(fā)現(xiàn)納米流體在高溫時(shí)能帶走大量熱量的同時(shí)，也容易聚集和沉積。又有Hung等人[21]提出了一種Al2O3/Water冷卻液在槽道散熱器中的使用,發(fā)現(xiàn)比純水的傳熱效率提高了21.6%。同時(shí)，Azizi 等人[22]在實(shí)驗(yàn)中準(zhǔn)備了水力直徑為0.56 mm 的喉式微通道，以不同濃度Cu-Water 的納米流體作為35 kW/m2和50 kW/m2熱流密度工況的冷卻劑。他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)流體的納米濃度為0.3%，其傳熱效率能增加23%。另一方面，也有一部分學(xué)者從二次流動(dòng)的角度切入，大多通過(guò)在微通道內(nèi)引入翅片。Shi等人[23]利用梯形狀翅片形成了2 次通道,并與傳統(tǒng)通道相比，在設(shè)定的冷卻液的質(zhì)量流量范圍內(nèi)，優(yōu)化后的熱阻和配置泵的功率可以最大限度地降低28.7%和22.9%。Lin[24]提出了一種多孔翅片波狀微型通道散熱器，通過(guò)沿流動(dòng)方向改變波長(zhǎng)和振幅來(lái)進(jìn)行優(yōu)化，解釋了傳熱的增強(qiáng)是由于彎壁引起的通道截面渦的形成，從而促進(jìn)了冷卻劑的混合，提高了冷卻劑與通道壁之間的對(duì)流換熱效率。Chai 等人[25]設(shè)計(jì)了5 種不同肋型和4 種沿流向的、不同長(zhǎng)度肋型的微通道散熱器，并分析了在間斷室中的熱工水力性能。研究結(jié)果表明：相比直通道，帶間斷肋的微通道散熱器的總熱阻降低了4～31%，總熵產(chǎn)率降低了4～26%。而Zhai 等人[26]設(shè)計(jì)了雙層通道,每層具有不同的通道幾何結(jié)構(gòu),研究了平行流、逆流對(duì)不同通道結(jié)構(gòu)換熱特性的影響,并從熱力學(xué)的角度解釋了傳熱的實(shí)質(zhì)?？傊后w冷卻效率高，同時(shí)可以結(jié)合液體種類(lèi)進(jìn)行優(yōu)化，是主流的冷卻方式。

4.3 相變材料冷卻

相變材料（PCM）是一類(lèi)特殊的功能性材料，能在恒溫或近似恒溫的情況下發(fā)生相變，同時(shí)伴隨有較大熱量吸收或釋放。PCM 最初是用來(lái)作為儲(chǔ)存熱量的介質(zhì)，主要的目的是平衡熱能的供需差異，PCM 應(yīng)用的基礎(chǔ)有2個(gè)。

（1）PCM 相變過(guò)程的等溫性，這種特性有利于將溫度變化控制在較小的范圍內(nèi)，可以用來(lái)控制溫度；

（2）PCM 有很高的相變潛熱，少量的材料可以?xún)?chǔ)存大量的熱量，在系統(tǒng)中的應(yīng)用可以顯著減輕重量。

所以也有相關(guān)學(xué)者把它應(yīng)用在電池?zé)峁芾眍I(lǐng)域。如Samimi 和Li[27-28]指出相變材料目前被認(rèn)為是在BT?MS 應(yīng)用的一種流行的冷卻方法，因?yàn)樗梢栽诠桃合嘧冝D(zhuǎn)換中吸收大量的熱量,其在電池的應(yīng)用如圖5所示。然而，相變前的低熱導(dǎo)率阻礙了電池的散熱，這可能會(huì)限制其作為BTMS 冷卻策略的應(yīng)用[29]?？傊嘧儾牧弦蚱湎嘧儌鳠岬倪t緩性，會(huì)限制其在某些場(chǎng)合的應(yīng)用。

圖5 相變材料冷卻[28]

4.4 熱管冷卻

近幾年，熱管冷卻在電動(dòng)汽車(chē)BTMS 中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。熱管具有高效散熱的特點(diǎn)。從結(jié)構(gòu)上，熱管可以分為蒸發(fā)段、絕熱段和凝結(jié)段。熱管可以在不使用活動(dòng)部件的情況下，以比類(lèi)似尺寸的固體金屬棒高出一個(gè)數(shù)量級(jí)的速度傳遞熱量[30-31]。Rao 等人[32]研究了振蕩熱管（OHP）的BTMS，并得出結(jié)論：電池最高溫度可控制在當(dāng)發(fā)熱量小于50 W 時(shí)，低于50 °C。Thanh-Ha Tran[33]采用平板熱管作為一種有效的低能降溫裝置,研究了為混合動(dòng)力汽車(chē)設(shè)計(jì)的蓄電池模塊，比較了平板熱管冷卻系統(tǒng)與常規(guī)熱管冷卻系統(tǒng)的熱性能，結(jié)果表明熱管在自然對(duì)流和低風(fēng)速冷卻的條件下，比普通散熱器的熱阻要低20%,其熱管結(jié)構(gòu)如圖6所示。綜上,熱管冷卻方式,其效率高,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜,制造成本較高。

圖6 熱管結(jié)構(gòu)[33]

4.5 多種方式結(jié)合冷卻

針對(duì)多種冷卻方式結(jié)合的情況，部分學(xué)者認(rèn)為組合式散熱效果更佳。Wu[34]介紹了一種基于熱管輔助相變材料的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)(BTMS)旨在實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)的綜合能源利用電動(dòng)汽車(chē)。得出BTMS 中熱管輔助相變材料的方法是可行和有效的，能夠使動(dòng)力電池的工作溫度維持在合理的范圍內(nèi)。An[35]研究了不同放電速率下純相變材料和液冷系統(tǒng)中電池模塊的最高溫度分布，如圖7 所示。通過(guò)改變液體流速、通道布局、PCM、乙二醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)和充放電倍率，分析電池模塊溫度。Song[36]提出了一種利用相變材料和液冷技術(shù)的新型共軛冷卻結(jié)構(gòu)，并對(duì)電池模塊的熱性能進(jìn)行了研究。106個(gè)圓柱電池通過(guò)散熱板和相鄰的熱柱連接到底部的冷板，在間隙之間填充相變材料，形成的冷卻系統(tǒng)。

圖7 液冷和相變材料耦合冷卻[35]

5 總結(jié)

不同的電池冷卻方式都存在優(yōu)缺點(diǎn)。風(fēng)冷方式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，耗能較小，但對(duì)電池包溫度均勻性的控制差；液冷方式，結(jié)構(gòu)相對(duì)較復(fù)雜，成本較高，導(dǎo)熱率高，單體鋰電池之間的溫度差較小，同時(shí)耗能較高；風(fēng)冷和液冷這2種冷卻方式均屬于被動(dòng)冷卻，都要消耗額外的能量；相變材料和熱管冷卻靠著本身的熱循環(huán)系統(tǒng)，不需要消耗額外能量，屬于主動(dòng)冷卻方式。相變材料冷卻可以在固-液相變轉(zhuǎn)換中吸收大量的熱量，其效果好，但相變前的低熱導(dǎo)率阻礙了鋰電池的及時(shí)散熱，另外易泄露。這些問(wèn)題目前還沒(méi)有得到有效的解決。至于熱管冷卻，其優(yōu)點(diǎn)是熱傳導(dǎo)率較高，本身的熱阻較低，具有較好的等溫性，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，從而導(dǎo)致整個(gè)的冷卻系統(tǒng)較復(fù)雜，成本高。

綜上所述，多種方式耦合冷卻能夠解決單一冷卻方式所存在的問(wèn)題，同時(shí)能夠提升BTMS的效果，這也是未來(lái)電動(dòng)汽車(chē)鋰電池?zé)峁芾淼内厔?shì)。