新能源汽車大功率充電對(duì)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的影響

關(guān)鍵詞：大功率充電；熱管理系統(tǒng)；優(yōu)化策略

0前言

國(guó)際能源署發(fā)布的預(yù)測(cè)結(jié)果表明，預(yù)計(jì)到2030 年，世界各國(guó)新能源汽車保有量總和將達(dá)到2.4 億［1］。在電池材料技術(shù)暫未實(shí)現(xiàn)突破性進(jìn)展的前提下，動(dòng)力電池大功率充電技術(shù)得到行業(yè)和市場(chǎng)的重點(diǎn)關(guān)注。充電功率的增大能極大地提升用戶的使用感受，但對(duì)電池包的一致性、耐久性和穩(wěn)定性影響較大［2］。本文在解析鋰電池產(chǎn)熱機(jī)理的基礎(chǔ)上，對(duì)現(xiàn)有的動(dòng)力電池?zé)峁芾砑夹g(shù)進(jìn)行分類，歸納其優(yōu)缺點(diǎn)及適用場(chǎng)景，重點(diǎn)分析大功率充電技術(shù)對(duì)動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)帶來的挑戰(zhàn)并提出相應(yīng)的解決措施。

1鋰電池產(chǎn)熱機(jī)理

鋰電池在充放電過程中進(jìn)行復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，鋰離子在電解質(zhì)中不斷地遷移。電解液反應(yīng)、電池內(nèi)阻耗能等會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，其可分為反應(yīng)熱、焦耳熱、極化熱和副反應(yīng)熱［3］。目前最通用的鋰離子電池產(chǎn)熱模型為1985 年D. BERNADI 提出的產(chǎn)熱功率公式［4］，其表達(dá)式為：

2鋰離子電池?zé)峁芾砑夹g(shù)

鋰離子電池因自身材料特性，在充放電過程中不可避免地產(chǎn)生大量熱量，若產(chǎn)生的熱量不能散失且熱量累積到一定量，則會(huì)導(dǎo)致熱失控問題。鋰離子電池?zé)峁芾砑夹g(shù)中的主動(dòng)式熱管理利用不同性質(zhì)的流體將電池外表面的熱量傳遞出去，進(jìn)而達(dá)到降溫的效果。根據(jù)流體的性質(zhì)，主動(dòng)式熱管理可分為空氣冷卻技術(shù)和液體冷卻技術(shù)。被動(dòng)式熱管理則是采用具有較高相變潛熱的材料或能夠主動(dòng)傳導(dǎo)熱量的結(jié)構(gòu)等方式形成無需消耗額外能量的熱管理技術(shù)，具體包含相變冷卻技術(shù)和熱管冷卻技術(shù)［5］。上述4 種冷卻技術(shù)的特點(diǎn)、性能和使用場(chǎng)景見表1。

2. 1 空氣冷卻

空氣冷卻技術(shù)利用空氣的流動(dòng)性將電池包內(nèi)部的熱量以對(duì)流的形式排出，對(duì)流形式通常分為自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流2 種。自然對(duì)流冷卻技術(shù)由于散熱量小、空氣流動(dòng)速率低等缺點(diǎn)并不適用于車載動(dòng)力電池的冷卻。強(qiáng)制對(duì)流冷卻技術(shù)運(yùn)用風(fēng)扇加速電池包內(nèi)部的空氣流動(dòng)，其熱量被排出的同時(shí)也將新的冷空氣灌入電池包內(nèi)并形成循環(huán)冷卻。

目前針對(duì)空氣冷卻技術(shù)的研究主要集中于對(duì)電池包內(nèi)部模組的排列方式、空氣對(duì)流通道的路線、冷卻風(fēng)扇的分布進(jìn)行優(yōu)化以提高電池包均溫性。強(qiáng)制對(duì)流空氣冷卻技術(shù)是一種通用的冷卻方式，但由于空氣的傳熱系數(shù)較低、電池包內(nèi)部溫度分布不均勻等缺陷，該技術(shù)通常適用于室外環(huán)境溫度低、電池包總能量較低、小功率充電等場(chǎng)景。

2. 2 液體冷卻

液體冷卻技術(shù)將傳熱介質(zhì)換成比熱容更大、傳熱效率更高的液體，并建立合適的管道通路與電池接觸進(jìn)行熱交換。該技術(shù)還需要配備額外的泵和閥門來調(diào)節(jié)液體流速和流向。液體冷卻可分為直接接觸式和間接接觸式2 類。間接接觸式液冷系統(tǒng)無需建立冷卻板及電池包內(nèi)部管道，其冷卻液通常是絕緣性好、比熱容大、流動(dòng)黏度低的礦物油（如硅油變壓器油等），能增大熱量交換面積，提高換熱效率，但對(duì)電芯的密封性工藝要求更高。

間接接觸式液冷系統(tǒng)是目前市面上使用最廣泛的，其冷卻效果受冷卻液泵功率、冷卻液入口溫度、冷卻管道分布等因素的影響。為進(jìn)一步增強(qiáng)冷卻效果和改善電芯溫度一致性，從優(yōu)化冷卻管道的分布和形狀尺寸、研制導(dǎo)熱性更高且黏度更低的新冷卻液材料、利用液冷和其他冷卻技術(shù)進(jìn)行耦合等方面進(jìn)行大量研究。除了溫度一致性較差等問題外，液體冷卻系統(tǒng)的泵運(yùn)轉(zhuǎn)需要消耗額外的能量，冷卻板、冷卻管道、換熱器、閥門等裝置也增加了制造成本和系統(tǒng)布置難度。

2. 3 相變冷卻

相變冷卻技術(shù)利用高相變潛熱材料通過固液兩相轉(zhuǎn)變進(jìn)行熱量的存儲(chǔ)和釋放，因其在對(duì)電池進(jìn)行升降溫過程中無需消耗額外的電池能量，屬于理想的動(dòng)力電池?zé)峁芾砑夹g(shù)并受到研究者的青睞。通常使用電芯包裹相變材料，以增大接觸面積，提高換熱效率，但若升溫過大相變材料轉(zhuǎn)為液態(tài)，則會(huì)引起泄漏風(fēng)險(xiǎn)。目前研究方向主要集中在石蠟材料及其復(fù)合相變材料，通過在石蠟中添加膨脹石墨、碳納米管、金屬翅片、金屬泡沫等材料來提高石蠟的導(dǎo)熱性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度［6］。在動(dòng)力電池領(lǐng)域，基于相變材料的熱管理系統(tǒng)尚處于研發(fā)階段，無法獨(dú)立應(yīng)用于電池溫度快速上升、產(chǎn)熱量過大和冷啟動(dòng)等場(chǎng)景，故需要與其他熱管理系統(tǒng)配合使用。

2. 4 熱管冷卻

熱管冷卻技術(shù)廣泛應(yīng)用于航空航天和電子設(shè)備領(lǐng)域的熱管理系統(tǒng)，該技術(shù)同樣利用傳熱工質(zhì)的相變潛熱來傳導(dǎo)熱量，具有高導(dǎo)熱性、高循環(huán)可逆性、無源性、成本較低等優(yōu)勢(shì)，但因其自身結(jié)構(gòu)限制在動(dòng)力電池?zé)峁芾眍I(lǐng)域運(yùn)用不多，目前尚處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段。熱管冷卻技術(shù)屬于無源性熱管理技術(shù)，散熱能耗低，但會(huì)造成動(dòng)力電池包體積過大、總體能量密度降低，且無法通過熱管進(jìn)行預(yù)熱等問題。

3 大功率充電對(duì)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)帶來的挑戰(zhàn)

車用動(dòng)力鋰離子電池的最佳工作溫度為25～40 ℃，溫度過低或過高都會(huì)顯著地影響電池充放電性能。目前市面上電動(dòng)汽車熱管理通常采用液冷方式，但隨著電池單體能量密度越來越高，電池包總能量越來越大，加大充電功率、加快充電時(shí)間成為各大車企研究的熱點(diǎn)，同時(shí)也帶來了諸多問題和挑戰(zhàn)。

3. 1 電池內(nèi)部產(chǎn)熱量急劇增加，加速電池老化

在大功率充電過程中，電池的內(nèi)阻值與充電功率呈正相關(guān)，極化現(xiàn)象加劇。隨著充電功率的增加，電池內(nèi)部快速產(chǎn)生大量的焦耳熱和極化熱，導(dǎo)致電池溫度急劇上升。同時(shí)大功率充電會(huì)極大地提升鋰離子的遷移速度，但鋰離子的遷移速度受材料特性的限制，導(dǎo)致在負(fù)極產(chǎn)生析鋰現(xiàn)象，加速了電池老化程度。在大功率充電過程中如何快速有效地減少電池內(nèi)部產(chǎn)生的大量熱量和合理調(diào)控充電速度以避免出現(xiàn)析鋰現(xiàn)象是熱管理系統(tǒng)面臨的主要挑戰(zhàn)。

3. 2 電池包內(nèi)部溫差過大，增加熱失控風(fēng)險(xiǎn)

在大功率充電過程中，增大冷卻液的流速會(huì)增大水泵的工作功率，這將消耗額外的電池能量，且較快的流速易導(dǎo)致電池包冷卻水管出入口區(qū)域的電池溫差較大，電池包內(nèi)部溫度的均勻性變差。由于冷卻液流速加快會(huì)帶著電芯表面的大量熱量，而對(duì)電芯內(nèi)部熱量的影響較小，故導(dǎo)致電芯內(nèi)外溫差較大。熱管理系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的是外表面溫度，而無法準(zhǔn)確檢測(cè)電芯內(nèi)部溫度，若電芯內(nèi)外溫差較大，則增加了電池?zé)崾Э氐娘L(fēng)險(xiǎn)。如何在體積越來越大、充電速度越來越快的電池包內(nèi)保證各區(qū)域電池溫度的均勻性，以及將通過相關(guān)算法準(zhǔn)確預(yù)估的電池電芯內(nèi)部溫度與外表面溫度相結(jié)合來綜合判斷熱失控風(fēng)險(xiǎn)也是大功率充電中熱管理系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)。

3. 3 電池荷電量（SOC）預(yù)估值偏差加大，縮短實(shí)際續(xù)航里程

電池包中每個(gè)電芯的充放電性能受材料成分均勻性和制造工藝偏差的影響而存在一定的差異性。在大功率充電過程中，充電速度過快會(huì)放大電芯之間的性能差異，導(dǎo)致電池單體間電壓一致性變差、實(shí)際可用續(xù)航預(yù)期不準(zhǔn)確且縮水嚴(yán)重。如何在快速充電時(shí)提高電池系統(tǒng)均衡能力以及計(jì)算SOC值的準(zhǔn)確性，同樣也亟需解決。

4 結(jié)語

目前單一的熱管理系統(tǒng)技術(shù)已無法滿足總能量越來越大、充電功率越來越高的電池包對(duì)溫度調(diào)控的需求，因此將上述4 種熱管理系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)性耦合。相變冷卻系統(tǒng)具有無能耗和電池溫度均勻性好的優(yōu)點(diǎn)，但電池產(chǎn)生的熱量過大會(huì)導(dǎo)致熱量在相變材料內(nèi)積累，需結(jié)合主動(dòng)散熱技術(shù)將多余熱量傳導(dǎo)出去。相較于空氣冷卻系統(tǒng)，液體冷卻與相變材料的耦合系統(tǒng)具有更優(yōu)的冷卻能力和溫度均勻性，是最有潛力的研究方向之一。

通常相變材料以石蠟等有機(jī)相變材料為主，但其存在泄漏和可燃風(fēng)險(xiǎn)。無機(jī)水合鹽類相變材料具有原料易獲取、材料合成無污染、儲(chǔ)能密度大、熱導(dǎo)率高等突出優(yōu)勢(shì)，在熱能儲(chǔ)存、建筑節(jié)能等領(lǐng)域運(yùn)用廣泛［7］。在動(dòng)力電池領(lǐng)域，將無機(jī)水合鹽類與多孔材料復(fù)合或微膠囊化是解決此類相變材料導(dǎo)熱性差、過冷度大等問題的有效方法。將無機(jī)材料與金屬泡沫、膨脹石墨或三維導(dǎo)熱毛細(xì)結(jié)構(gòu)等多孔材料復(fù)合，可提升材料的力學(xué)性能、導(dǎo)熱性以及溫度均勻性，降低可燃性，進(jìn)而提高電池系統(tǒng)的安全性。

由于電池內(nèi)部溫度無法精確測(cè)量，因此需要更加深入地研究電池?zé)崾Э靥卣?、產(chǎn)熱量與充電功率之間的數(shù)值關(guān)系和其他特征參數(shù)，以建立電池內(nèi)部產(chǎn)熱的電化學(xué)-熱動(dòng)態(tài)模型。將電池表面溫度檢測(cè)與產(chǎn)熱模型進(jìn)行綜合分析，并結(jié)合多目標(biāo)優(yōu)化平衡的充電策略，構(gòu)建熱管理智能監(jiān)控與預(yù)警系統(tǒng)，可顯著降低熱失控風(fēng)險(xiǎn)，提高電池內(nèi)部溫度預(yù)估的精準(zhǔn)度。

大功率充電技術(shù)符合市場(chǎng)需求，為新能源汽車的發(fā)展帶來了巨大機(jī)遇，但同時(shí)也帶來電池產(chǎn)熱量增大、電池老化加速、溫度均勻性變差以及實(shí)際使用續(xù)航縮水等問題。通過上述措施可以有效應(yīng)對(duì)大功率充電對(duì)熱管理系統(tǒng)帶來的挑戰(zhàn)，同時(shí)也需關(guān)注耦合系統(tǒng)的兼容性和成本要求。