新能源汽車動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)優(yōu)化

摘要：新能源汽車的動(dòng)力主要源于電池，然而電池在工作時(shí)易受溫度影響，持續(xù)放電會(huì)產(chǎn)生大量熱量且易聚集。若熱量無法及時(shí)散發(fā)，會(huì)影響電池性能，威脅新能源汽車整體的安全性和可靠性。先進(jìn)的電池管理系統(tǒng)是保障動(dòng)力電池高效、安全運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)，能夠有效提升電池使用壽命，保障汽車安全?；谛履茉磩?dòng)力電池的產(chǎn)熱特性，深入分析和探討了動(dòng)力電池?zé)峁芾砑夹g(shù)及熱管理系統(tǒng)優(yōu)化方案，具有一定參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：新能源汽車；鋰電池；熱管理系統(tǒng)；方案；優(yōu)化

0 前言

新能源汽車用動(dòng)力電池主要包括鉛酸蓄電池、鎳氫電池、鋰電池和燃料電池等類型。其中，鋰電池的比能量高，綜合性能最為優(yōu)異，發(fā)展前景極為廣闊。然而，鋰電池的工作性能受溫度影響較大，其工作溫度在-20～55 ℃，溫度過高或過低都會(huì)降低電池內(nèi)部溫度的均勻性，導(dǎo)致性能下降，引發(fā)安全隱患［1］。因此，新能源汽車行駛過程中電池的生熱安全問題，成為當(dāng)下亟待解決的重要問題。

熱管理系統(tǒng)的主要功能包括：① 檢測(cè)電池溫度，判斷生熱情況；② 提高電池系統(tǒng)溫度的均勻性，防止局部溫度過高；③ 合理設(shè)計(jì)冷卻散熱結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)電池工作性能和充放電性能，提升電池使用的安全性。因此，熱管理系統(tǒng)的優(yōu)化對(duì)于提升新能源汽車動(dòng)力電池的性能和延長(zhǎng)其使用壽命，具有至關(guān)重要的意義。

1 新能源動(dòng)力電池產(chǎn)熱分析

1. 1 電池產(chǎn)熱原理

為實(shí)現(xiàn)對(duì)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的有效控制，首先需要深入了解電池產(chǎn)熱的原理與熱量的來源。在鋰電池工作過程中，產(chǎn)生的熱量主要有焦耳熱、電化學(xué)反應(yīng)熱、副反應(yīng)熱、極化反應(yīng)熱4 種類型。

（1） 焦耳熱：在電池進(jìn)行充放電時(shí)，電流流經(jīng)電解質(zhì)和電極材料會(huì)產(chǎn)生電阻，進(jìn)而產(chǎn)生一定的熱量。

（2） 電化學(xué)反應(yīng)熱：在鋰電池中，鋰離子在正負(fù)極之間遷移的過程中，會(huì)釋放或吸收能量，其中一部分能量以熱的形式釋放出來，致使電池產(chǎn)生熱量。

（3） 副反應(yīng)熱：在電池充放電過程中，除了主要的電化學(xué)反應(yīng)外，還會(huì)發(fā)生一些次要的反應(yīng)，這些反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量，會(huì)在一定程度上對(duì)電池產(chǎn)熱產(chǎn)生影響。

（4） 極化反應(yīng)熱：在電池充放電過程中會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，即電極表面的反應(yīng)速率不均勻，導(dǎo)致局部溫度升高，從而產(chǎn)生額外熱量。

綜合考慮以上4 種類型的熱量產(chǎn)生方式，電池的總熱量可以表示為：

電池生熱模型為：

1. 2 溫度對(duì)電池性能的影響

當(dāng)電池處于較高溫度時(shí)，電池的活性增加，充電和放電的效率均會(huì)提高，可用容量也會(huì)隨之增加。然而，若電池長(zhǎng)時(shí)間處于高溫環(huán)境中，會(huì)大大降低其壽命。這是因?yàn)楦邷貢?huì)導(dǎo)致電解液黏度降低，從而使電池內(nèi)阻減小，功率和容量提升；長(zhǎng)期高溫環(huán)境會(huì)加速電池的老化，進(jìn)而縮短電池的使用壽命［2］。

當(dāng)電池處于較低溫度時(shí)，其活性會(huì)顯著降低，電池內(nèi)阻增大，極化電壓也隨之增加，導(dǎo)致電池的實(shí)際可用容量減小，能量利用效率下降。當(dāng)溫度繼續(xù)降低時(shí)，還有可能出現(xiàn)電解液凍結(jié)的情況，進(jìn)而使電池內(nèi)阻進(jìn)一步增大。

電池性能參數(shù)與溫度的關(guān)系可以用阿倫尼烏斯公式來進(jìn)行定性分析，即

2 動(dòng)力電池?zé)峁芾砑夹g(shù)及系統(tǒng)

2. 1 鋰電池冷卻技術(shù)

為解決鋰電池過熱問題，大量研究人員設(shè)計(jì)開發(fā)了針對(duì)電池?zé)峁芾淼纳峒夹g(shù)，主要分為兩類：主動(dòng)冷卻技術(shù)和被動(dòng)冷卻技術(shù)。主動(dòng)冷卻技術(shù)主要包括空氣強(qiáng)制對(duì)流散熱和液態(tài)冷卻系統(tǒng)。主動(dòng)冷卻方式的特點(diǎn)是以消耗額外功率為代價(jià)，采用低溫水或者液體為冷媒介，以設(shè)定速度流過被冷卻表面，從而將熱量帶走。被動(dòng)冷卻技術(shù)主要采用相變材料（PCM）進(jìn)行溫度控制，利用PCM 的融化來吸收熱量，冷卻電池模塊，并將熱量以潛熱的形式存儲(chǔ)在PCM 中。當(dāng)電池模塊需要加熱時(shí)，PCM 凝固放熱量，加熱電池模塊。

在極端環(huán)境下，空氣強(qiáng)制對(duì)流無法滿足安全溫度的要求，而且系統(tǒng)較為復(fù)雜。利用PCM 的方式則在結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的同時(shí)，滿足散熱要求。然而，相變溫控存在一個(gè)關(guān)鍵問題：在缺乏外部輔助散熱的情況下，PCM 積累的熱量難以向外界釋放。由于PCM 潛熱耗盡后，熱量既無法被PCM 吸收，又由于PCM 導(dǎo)熱系數(shù)較低而向外導(dǎo)出，最終導(dǎo)致溫控系統(tǒng)面臨失控的風(fēng)險(xiǎn)。

針對(duì)PCM 導(dǎo)熱率低的問題，研究人員提出將PCM 內(nèi)嵌于高導(dǎo)熱系數(shù)的多孔材料中，以提高PCM 的有效導(dǎo)熱系數(shù)，并應(yīng)用于電池散熱系統(tǒng)。而對(duì)于相變潛熱“有限性”的限制，不同散熱方案的組合是提高單一散熱方案效果的有效途徑，例如可將熱管、PCM 和微通道冷板等相互組合，如圖1 所示。在散熱模塊設(shè)計(jì)中可采用以下方式：將微通道與PCM 進(jìn)行組合，在電池工作時(shí)，PCM 的吸熱能夠減輕微通道的散熱壓力，降低電池進(jìn)入熱失控的概率。

2. 2 電池低溫加熱技術(shù)

為了克服在低溫條件下鋰電池內(nèi)阻增大、容量降低的問題，需要對(duì)鋰電池進(jìn)行合理加熱，使其溫度達(dá)到電池啟動(dòng)的最低溫度要求，從而提高電池的輸出性能。目前，鋰電池的加熱方式分為內(nèi)部加熱與外部加熱。在外部加熱策略中，加熱熱流從外部熱源傳遞到電池，通過在電池外部包裹加熱薄膜或?qū)㈦姵厍秩爰訜崃黧w來實(shí)現(xiàn)加熱。在內(nèi)部加熱策略中，加熱功率產(chǎn)生于電池內(nèi)部。產(chǎn)生內(nèi)熱最簡(jiǎn)單的方式是利用電池內(nèi)部電阻產(chǎn)生的焦耳熱。由于熱量在電池中均勻產(chǎn)生，內(nèi)部加熱可以在電池內(nèi)部提供更均勻的溫度分布。此外，內(nèi)部加熱消除了因熱傳導(dǎo)而產(chǎn)生的明顯熱量損失，避免了加熱裝置中的熱量積聚。因此，內(nèi)部加熱方法能夠?qū)崿F(xiàn)電池的快速加熱，效率更高，并且能夠防止電池老化的發(fā)生。

2. 3 熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前，熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化研究中面臨的問題有：① 熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)多以經(jīng)驗(yàn)校核計(jì)算或有限元建模為主，經(jīng)驗(yàn)校核計(jì)算準(zhǔn)確性低、參數(shù)設(shè)置不靈活，而有限元建模計(jì)算量大，缺乏快速準(zhǔn)確的熱設(shè)計(jì)方法。② 對(duì)電池組熱管理系統(tǒng)控制策略的研究尚處于起步階段，以往的系統(tǒng)控制策略根據(jù)電池溫度設(shè)定恒定的風(fēng)速或制冷劑流量，缺乏基于電池發(fā)熱功率的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)控制策略，難以有效提高系統(tǒng)的能量密度。

3 新能源汽車動(dòng)力電池?zé)峁芾韮?yōu)化方案

3. 1 電池風(fēng)冷熱管理系統(tǒng)優(yōu)化方案

風(fēng)冷散熱技術(shù)成熟度高，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低。針對(duì)電池風(fēng)冷熱管理系統(tǒng)的優(yōu)化， 提出主要技術(shù)方案為：① 設(shè)計(jì)一種對(duì)稱式的風(fēng)冷電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，與非對(duì)稱系統(tǒng)相比，其最大電池溫差減少了43%，能耗降低了約33%，并且空間利用率較大；② 優(yōu)化電池間的間距分布，優(yōu)化后電池組的最高溫度降低了約3 K，最大電池溫差降低了60% 以上，沒有增加總功耗，取得了較好的冷卻性能；③在電池底部布置平行板，平行板的數(shù)量、位置對(duì)熱管理系統(tǒng)冷卻效果均有影響，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，最大溫度和溫差分別降低了3.42 K（6.26%）和6.40 K（90.78%）；④ 電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中增設(shè)多個(gè)渦旋發(fā)生器結(jié)構(gòu)，通過增加該結(jié)構(gòu)，電池的溫度均勻性大大提升，與原始配置相比，最大溫差降低了約5%［3］。

3. 2 電池液冷熱管理系統(tǒng)優(yōu)化方案

液冷散熱技術(shù)的效果顯著，能夠有效控制電池溫度，提高電池性能和壽命。近些年，針對(duì)液冷方式的不足，研究人員也在不斷進(jìn)行著改進(jìn)研究，具體改進(jìn)方案有：① 改進(jìn)冷卻液或冷卻管道結(jié)構(gòu)，如通過增加翅板或選用納米流體作為冷卻液等多種新型的液冷方式，優(yōu)化后電池模組最大溫升下降了10.3%；② 改進(jìn)冷板連接方式，改進(jìn)后，模型最大溫差降低了14.5%，電池包整體溫度均勻性明顯改善；③ 設(shè)計(jì)一種新型的U 形液冷管道，通過優(yōu)化液冷管道，并應(yīng)用導(dǎo)熱系數(shù)大的冷卻介質(zhì)，系統(tǒng)散熱效果顯著提高。

3. 3 電池多種散熱方式熱管理系統(tǒng)優(yōu)化方案

電池多種散熱方式熱管理系統(tǒng)綜合利用風(fēng)冷、液冷、PCM 等多種散熱方式，實(shí)現(xiàn)高效的熱管理，可以適應(yīng)不同的工作環(huán)境和熱管理需求。電池多種散熱方式熱管理系統(tǒng)的優(yōu)化方案為：① PCM-散熱片-風(fēng)冷耦合的電池組熱管理方案，電池組最高溫度降低到39.33 ℃，電池組間最大溫差為3.06 K；② PCM-水套式液冷耦合散熱結(jié)構(gòu)模型，其在不同放電倍率下能使電池之間的最大溫差均維持在5 K 以內(nèi)。

4 結(jié)語

綜上所述，優(yōu)化新能源汽車動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)可以最大程度地提升電池的工作效率和使用壽命，同時(shí)確保電池在各種工作條件下的安全性。通過采用高性能導(dǎo)熱材料、PCM，并積極優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠有效地控制電池的工作溫度，避免溫度過高或過低對(duì)電池性能造成不利影響。

參 考 文 獻(xiàn)

［ 1 ］ 李凌云. 中國(guó)新能源汽車用鋰電池產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 電源技術(shù)，2020，44（4）：628-630.

［ 2 ］ 梁欣. 電動(dòng)汽車鋰離子動(dòng)力電池?zé)峁芾矸治鯷J].汽車測(cè)試報(bào)告，2022（20）： 70-72.

［ 3 ］ 王酉方. 新能源汽車動(dòng)力電池散熱管理系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J]. 南方農(nóng)機(jī)，2020，51（24）：2.