純電動汽車用鋰離子電池熱管理綜述

摘要：動力蓄電池熱管理系統(tǒng)（BTMS，Battery Thermal Management System）對純電動汽車在各種環(huán)境下的動力性有至關重要的影響。通過文獻研究分析了鋰離子電池工作原理、高溫及低溫條件下的產(chǎn)熱原理，總結目前純電動汽車用鋰離子電池的強化傳熱措施，并提出了空調(diào)制冷中分水冷電池包和風冷電池包的方案，并且說明了集兩種熱管理方式為一體的熱管理系統(tǒng)是未來適合復雜工況的大功率鋰離子動力電池熱管理的重要研究方向。

關鍵詞：純電動汽車；鋰離子電池；相變材料；熱管理

Thermal management techniques of lithium-ion batterypack for electric vehicles

Abstract: The power battery thermal management system (BTMS,? battery thermal management system)? of pureelectric vehicles has a crucial impact on operating performance in various environments.? The working principle oflithium- ion battery and the principle of heat- producing under high and low temperature was analyzed,? the BTMSdesign principles were summarized,? the current heat transfer enhancement measures of lithium- ion battery forelectric vehicles were summed up,? and the liquid cooling and air cooling with air conditioning and refrigeration forbattery themal management was proposed. Two kinds of thermal management in one system were described, whichis the important research direction for the extreme conditions in the future.

Key words: electric vehicles; lithium- ion batteries; phase change material; thermal management

       動力蓄電池作為純電動汽車(EV，Electric Vehicle)的動力來源，是提高整車性能和降低成本的關鍵一環(huán)，其溫度特性直接影響EV的性能、壽命和耐久性。鋰離子電池因比能大、循環(huán)壽命長、自放電率低、允許工作溫度范圍寬、低溫效應好等優(yōu)點是EV目前首選的動力蓄電池[1-2]。鋰離子電池包熱管理的要求是根據(jù)鋰離子電池發(fā)熱機理，合理設計電池包結構，選擇合適的熱管理方式，合理設計熱管理策略，保證電池包內(nèi)各個單電池工作在合理溫度范圍內(nèi)的同時盡量維持包內(nèi)各個電池及電池模塊間的溫度均勻性[3]。

1 鋰離子電池熱特性

1.1鋰離子電池產(chǎn)熱機理

       電池在充放電過程中都會發(fā)生一系列的化學反應，從而產(chǎn)生反應熱。鋰離子動力電池的主要產(chǎn)熱反應包括：電解液分解、正極分解、負極與電解液的反應、負極與粘合劑的反應[4]和固體電解質(zhì)界面膜的分解。此外，由于電池內(nèi)阻的存在，電流通過時，會產(chǎn)生部分熱量。低溫時鋰離子電池主要以電阻產(chǎn)生的焦耳熱為主，這些放熱反應是導致電池不安全的因素。電解液的熱安全性也直接影響著整個鋰離子電池動力體系的安全性能。

       實際運行環(huán)境中，動力系統(tǒng)需要鋰離子電池具備大容量與大倍率放電等特點，但同時產(chǎn)生的高溫增加了運行危險。所以，降低鋰離子電池工作溫度，提升電池性能至關重要。

1.2 電池產(chǎn)熱量、產(chǎn)熱速率計算

       電池的反應熱用Qr來表示；由電池極化引起的能量損失用Qp來表示；電池內(nèi)存在典型的電解液分解和自放電副反應，副反應引起的能量損失用Qs表示；電池的電阻產(chǎn)生焦耳熱為Qj。則，一個電池總熱源可由以下公式來表示：

Qa=Qr+Qp+Qs+Qj

式中：V為平均產(chǎn)熱速率；Q為電池工作時間內(nèi)電池的總熱量；t為電池工作時間。電池的平均產(chǎn)熱速率(W)=產(chǎn)生的熱量(J)/循環(huán)時間(s),則由以下公式表示：

V=Q/t

2 BTMS傳熱冷卻方式

       BTMS中按照能量提供的來源分為被動式冷卻和主動式冷卻，其中只利用周圍環(huán)境冷卻的方式為被動式冷卻；組裝在系統(tǒng)內(nèi)部的、能夠在低溫情況下提供熱源或在高溫下提供冷綜述2012.9 Vol.36 No.91411源，主動元件包括蒸發(fā)器、加熱芯、電加熱器或燃料加熱器等的方式為主動式冷卻。按照傳質(zhì)的不同可以分為空氣強制對流、液體冷卻、相變材料（PCM，Phase Change Material）、空調(diào)制冷、熱管冷卻、熱電制冷和冷板冷卻等。根據(jù)不同的放電電流倍率、周圍溫度等應用要求選擇不同的冷卻方式。

2.1 空氣強制對流

       空氣作為傳熱介質(zhì)就是直接讓空氣穿過模塊以達到冷卻、加熱的目的。很明顯空氣自然冷卻電池是無效的，強制空氣冷卻是通過運動產(chǎn)生的風將電池的熱量經(jīng)過排風風扇帶走，需盡可能增加電池間的散熱片、散熱槽及距離，成本低，但電池的封裝、安裝位置及散熱面積需要重點設計。可以采用串聯(lián)式和并聯(lián)式通道，如圖1所示。

       Chen等[5]提出了精確的和簡化的模型，仿真結果研究得出了電池的散熱特性：1） 在自然冷卻下熱輻射占整個散熱的43%~63%；2）強化傳熱是降低最高溫度的有效措施，但擴大強化傳熱的范圍并不會無限地提高溫度一致性。

       KennethJ.Kelly等[6]利用空氣強制冷卻方法對豐田Prius和本田Insight混合動力車用電池進行熱管理，分別在0、25、40°C下以FTP-75和US06循環(huán)工況測試熱電偶分布點的溫升，并且控制風扇從低功率4 W到中等功率14 W，實驗結果說明US06工況（包括更多的加速、減速和高速運行條件）下電池溫升明顯比FTP-75工況下高，但溫升都在5°C之內(nèi)。

       此外，Mao-Sung Wu等[7]驗證在極端條件下，尤其在高放電倍率、高的運行環(huán)境溫度（>40°C）時，空氣冷卻不再適用，而且電池表面的不均勻性也成為必然。Paul Nelson等[8]提出對于正常運行需要25 kW的 電 堆 ，－30°C時 冷 啟 動 只 需 要5kW，但是電池不能通過自身的I2R來實現(xiàn)快速加熱。在這種情況下，他們提出了兩種可能的加熱方式：(1)電池包內(nèi)固定電熱絲；(2)以熱傳遞的形式加熱電池冷卻液。由于空氣很難快速加熱電池，我們可以考慮利用高傳導率的液體來實現(xiàn)電池熱管理。

2.2 液體冷卻

       在一般工況下，采用空氣介質(zhì)冷卻即可滿足要求，但在復雜工況下，液體冷卻才可達到動力蓄電池的散熱要求。采用液體與外界空氣進行熱交換把電池組產(chǎn)生的熱量送出，在模塊間布置管線或圍繞模塊布置夾套，或者把模塊沉浸在電介質(zhì)的液體中。若液體與模塊間采用傳熱管、夾套等，傳熱介質(zhì)可以采用水、乙二醇、油、甚至制冷劑等。若電池模塊沉浸在電介質(zhì)傳熱液體中，必須采用絕緣措施防止短路。傳熱介質(zhì)和電池模塊壁之間進行傳熱的速率主要取決于液體的熱導率、粘度、密度和流動速率。在相同流速下，空氣的傳熱速率遠低于直接接觸式流體，這是因為液體邊界層薄，導熱率高。

       Pesaran等[9]討論了液體冷卻與空氣冷卻、冷卻及加熱與僅有冷卻系統(tǒng)的效果。實驗結果表明相對于液體冷卻/加熱，空氣介質(zhì)傳熱效果不是很明顯，但是系統(tǒng)不太復雜。對于并聯(lián)型混合動力車，空氣冷卻是滿足要求的，而純電動汽車和串聯(lián)型混合動力車，液體冷卻效果更好。

       David R. Pendergast等[10]利用松下(CGR18650E)單元電池包裹在三角形鋁模塊中，然后放在水中。該系統(tǒng)理論數(shù)據(jù)和實驗結果都說明電池棒內(nèi)溫度不會低于/高出工作溫度范圍（－20～60°C），該實驗可被認為是簡單的水冷卻系統(tǒng)。

       Paul Nelson等[8]分別用空氣和聚硅酮電解流體作為電池熱管理系統(tǒng)的冷卻介質(zhì)，驗證了電解流體能顯著降低電池過高的溫度，還可以使電池模塊有較好的溫度一致性，此外，聚硅酮電解流體也因不溶于水而更加安全。

       張國慶等[11]設計了一種液體冷卻與相變材料冷卻結合的裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)電動汽車電池在比較惡劣的熱環(huán)境下電池裝置整體有效地降溫，又能滿足各單體電池間溫度分布的均衡，同時易循環(huán)利用，從而達到最佳運行條件，并降低成本，增強經(jīng)濟性。

       目前制造商不愿意選擇液體冷卻是因為密封不好會導致液體泄漏，所以密封設計是極其重要的。

2.3 相變材料冷卻（PCM）

       一個理想的熱管理系統(tǒng)應該能以低容積，減少質(zhì)量及成本增量的情況下維持電池包在一個均勻溫度。就鼓風機、排風扇、泵、管道和其他附件而言，空氣冷卻和液體冷卻熱管理使得整個系統(tǒng)笨重、復雜、昂貴[12]。相變材料由于其巨大的蓄熱能力，開始被應用于動力電池包熱管理系統(tǒng)[13]，相變冷卻機理是靠相變材料的熔化（凝固）潛熱來工作，利用PCM作為電池熱管理系統(tǒng)時，把電池組浸在PCM中，PCM吸收電池放出的熱量而使溫度迅速降低，熱量以相變熱的形式儲存在PCM中，在充電或很冷的環(huán)境下工作時釋放出來。

       在相變材料電池熱管理中，所需的PCM質(zhì)量計算如下：

式中：Qdis(J)是電池釋放的熱量；MPCM(kg)是相變材料質(zhì)量；Cp(J·kg－1·K－1)是相變材料的比熱；Tm(°C)是相變材料初始溫度；H(J·kg－1)相變材料的相變潛熱。

       Selman and Al-Hallaj等[14]比較了四種不同模式散熱的實驗：1）自然冷卻；2）發(fā)泡鋁矩陣熱傳遞；3）相變材料石蠟冷卻；4）結合發(fā)泡鋁和相變材料。結果證明把石蠟與發(fā)泡鋁的結合能更有效改善PCM低導熱能力的問題，冷卻效果最好，且達到了電池模塊溫度一致，效果對比如圖2所示。

       Kizilel R等[15-16]通過實驗數(shù)據(jù)確定了利用相變材料對高能量鋰離子電池包在一般和強化工況下熱管理的有效性，并使用相變材料對一個緊湊的18650電池(4S5P)模塊進行熱管理，說明了如果使用被動熱管理系統(tǒng)，電池包有可能獲得溫度一致性。

       Sabbah Rami等[17]通過數(shù)值模擬和實驗對比了PCM和空氣強制冷卻的效果，證明了在6.67C(10 A/cell)倍率持續(xù)放電下PCM冷卻能保持電池在55°C以下。

      在寒冷的條件或電池溫度顯著下降的應用場合時，PCM對于電動汽車是非常有利的，因為存儲在相變材料里的小部分潛熱會被傳遞到周圍空間。當電池溫度下降到PCM熔點以下時，存儲的熱量就會傳遞到電池模塊中。

2.4 熱管冷卻

       熱管是由R.S. Gaugler在1942年提出的利用相變來傳熱的一種熱管理系統(tǒng)。它是一種密封結構的空心管，一端是蒸發(fā)端，一端是冷凝端，冷卻電池的原理是當熱管的一端吸收電池產(chǎn)生的熱量時，毛細芯中的液體蒸發(fā)汽化，蒸汽在壓差之下流向另一端放出熱量并凝結成液體，液體再沿多孔材料依靠毛細作用流回蒸發(fā)端，如此循環(huán)，電池發(fā)熱量得以沿熱管迅速傳遞，如圖3所示。熱管可按照所需冷卻物體的溫度進行單獨設計。

       張國慶等[18]采用熱管冷卻后，電池放電過程溫升降低了許多。與自然對流冷卻相比，溫升降低10°C以上，而且處于同一模塊中各單體電池間的溫度波動不大，溫差趨于平衡，有利于實現(xiàn)電池模塊間的溫度平衡，從而保證電池模塊工作穩(wěn)定。

       Mao-Sung Wu等[7]把兩個帶有金屬鋁翅片的熱管貼到電池（Li-ion，12 Ah，圓柱形，直徑40 mm，長度110 mm）壁面降低溫升。實驗結果說明在金屬鋁翅片的幫助下，熱管能有效降低電池溫升。

       Swanepoel等[19]為蓄電池的熱管理和混合動力車元件的控制設計了脈動熱管（PHP, Pulsating Heat Pipe），并將電池放在車后備箱，如圖4所示。該仿真和實驗說明了PHP的寬度應控制在d<2.5 mm時允許氨水作為流體介質(zhì)，并且通過好的設計能使PHP用于電池熱管理。

2.5 空調(diào)制冷

       空調(diào)制冷方式冷卻電池包可以使用裝載在整車上的空調(diào)系統(tǒng)，是通過空調(diào)壓縮機進行制冷，通過水冷器將水中的熱量（來自于電池包）帶走，并通過空調(diào)冷凝器將熱量散發(fā)出去。當壓縮機開始工作時，壓縮空調(diào)制冷劑，壓縮過的制冷劑流入冷凝器中，經(jīng)冷卻后復原為液態(tài)，將壓縮機傳給制冷劑的熱量散發(fā)到空調(diào)系統(tǒng)外。液態(tài)的制冷劑流到水冷器中再行蒸發(fā)，所需的蒸發(fā)熱從冷卻水中吸收，因此冷卻了冷卻水，氣態(tài)的制冷劑重新流回空調(diào)壓縮機。與此同時，冷卻后的水流到高壓電池包內(nèi)進行熱交換，吸收高壓電池包內(nèi)的熱量。電池包的冷卻可以采用水冷和風冷，即冷卻水經(jīng)內(nèi)部管道與電池換熱和周圍空氣由冷卻水經(jīng)過熱交換器降低溫度后再用風扇吹入電池包，其原理示意圖如圖5所示。

2.6 冷板冷卻

       在電池堆中，冷板（一個或多個帶有制冷劑內(nèi)流管道的薄壁金屬結構件）能提供冷卻功能，其原理是熱量從電池單元傳導至冷板，然后通過冷卻液導出熱量。冷板的運行特性在某種程度上由管道的幾何特征、流道樣式、流道寬度和長度等決定。

       Anthony Jarrett等[20]利用計算流體動力學(CFD, Computa-tional fluid dynamics)對不同的模型參數(shù)下的蛇形流道模擬。定義壓力損失、平均溫度和溫度均勻目標函數(shù)后通過改變流道寬度和位置進行優(yōu)化，優(yōu)化結果是為了保證最小的壓降Pfluid和平均溫度Tavg，冷卻流道近似占據(jù)最大的面積；而為了保證溫度分布盡可能均勻，應盡可能使流道寬度最小，僅在流道出口加大寬度，如圖6所示。整個結論表明一個簡單的設計能滿足壓力和平均溫度目標，但是要損失一定的溫度一致性。

2.7 兩種冷卻方式結合

       考慮到一定質(zhì)量的相變材料的潛熱利用有限，在極端工況下相變材料完全熔化后需要另外一種方法來補充冷卻電池包，有人提出了結合相變材料與被動式空氣強制冷卻的方法。

        Rami Sabbah等[21]提出了PCM冷卻配合風機一起對電池包進行熱管理，證明了強制空氣冷卻/相變材料冷卻比單獨的空氣冷卻的溫度一致性較好，且瞬態(tài)溫度變化值較單獨空氣冷卻小很多。

        Said Al-Hallaj等設計了PCM/空氣冷卻實驗，如圖7所示。在放電時PCM以高速率吸收熱量并短暫保存，以穩(wěn)定的速率傳到空氣冷卻系統(tǒng)，且設計的電池包預測的熱分布滿足了重載公共交通應用要求。

3 總結

       電池是目前電動汽車中三大關鍵技術之一。隨著電池模塊容量的增大，惡劣環(huán)境下運行對電池性能的要求越來越苛刻，高效的電池熱管理系統(tǒng)極其重要。空氣強制冷卻由于其冷卻能力不強只能在小型功率且良好工況下使用；液體冷卻需要消耗增加水泵、管路等附件而變得復雜；相變材料冷卻由于其成本低廉、質(zhì)量輕、無額外能量消耗、冷卻效果好，是未來電池熱管理的重要研究方向；空調(diào)制冷能直接利用整車里的空調(diào)系統(tǒng)，只需增加一套電池包冷卻的循環(huán)回路，控制策略較為復雜。考慮到車用工況的復雜，未來的熱管理系統(tǒng)應該滿足不同條件下對電池的冷卻/加熱，故未來的電池熱管理系統(tǒng)可能是結合兩種冷卻方式為一體，例如相變材料與風冷/水冷結合，既可以滿足一般條件下的熱管理，也能在極端工況下排除電池產(chǎn)生的高熱量。總之，開發(fā)兩者為一體的電池熱管理系統(tǒng)是適應未來電動汽車發(fā)展的重要方向。

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