淺淡電動(dòng)汽車(chē)電池系統(tǒng)熱管理技術(shù)

一、電動(dòng)汽車(chē)電池系統(tǒng)熱管理背景

隨著制造業(yè)的快速發(fā)展，中國(guó)汽車(chē)工業(yè)面臨著產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型、降低排放、能源危機(jī)和低碳發(fā)展的挑戰(zhàn)，發(fā)展新能源汽車(chē)已經(jīng)成為降低汽車(chē)工業(yè)石油依賴(lài)和排氣污染的唯一途徑，中國(guó)政府為了推進(jìn)新能源汽車(chē)工業(yè)，發(fā)布了一系列發(fā)展規(guī)劃、財(cái)政補(bǔ)貼和稅務(wù)鼓勵(lì)計(jì)劃，促進(jìn)新能源汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展。

電池組是電動(dòng)汽車(chē)的主要儲(chǔ)能部件，由鋰電池組成，直接影響到電動(dòng)車(chē)的性能。由于車(chē)輛上裝載電池的空間有限，正常運(yùn)行所需的電池?cái)?shù)目也較大，電池會(huì)以不同倍率放電，并以不同生熱速率產(chǎn)生大量熱量，再加上時(shí)間累積以及空間影響將會(huì)聚集大量熱量，從而導(dǎo)致電池組運(yùn)行環(huán)境溫度情況復(fù)雜多變。電池包內(nèi)溫度上升嚴(yán)重影響電池組的電化學(xué)系統(tǒng)的運(yùn)行、循環(huán)壽命、充電可接受性、電池包功率和能量、安全性和可靠性等。如果電動(dòng)汽車(chē)電池組不能及時(shí)散熱，將導(dǎo)致電池組系統(tǒng)的溫度過(guò)高或分布不均勻，其結(jié)果將降低電池充放電循環(huán)效率，影響電池的功率和能量發(fā)揮，嚴(yán)重時(shí)還將導(dǎo)致熱失控，影響系統(tǒng)安全性與可靠性；另外，由于發(fā)熱電池體的密集擺放，中間區(qū)域必然熱量聚集較多，邊緣區(qū)域較少則增加了電池包中各單元之間的溫度不均衡，這將造成各電池模塊、單體性能的不均衡，最終影響電池性能的一致性及電池荷電狀態(tài)（SOC）估計(jì)的準(zhǔn)確性，影響到電動(dòng)汽車(chē)的系統(tǒng)控制。

鋰電池產(chǎn)生熱量

鋰電池內(nèi)部反應(yīng)過(guò)程

鋰離子電池工作原理本質(zhì)上是內(nèi)部正負(fù)極與電解液之間的氧化還原反應(yīng)，在低溫下電極表面活性物質(zhì)嵌鋰反應(yīng)速率減慢、活性物質(zhì)內(nèi)部鋰離子濃度降低，這將引起電池平衡電勢(shì)降低、內(nèi)阻增大、放電容量減少，極端低溫情況甚至?xí)霈F(xiàn)電解液凍結(jié)、電池?zé)o法放電等現(xiàn)象，極大的影響電池系統(tǒng)低溫性能，造成電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力輸出性能衰減和續(xù)駛里程減少。此外，在低溫環(huán)境下充電容易在負(fù)極表面形成鋰沉積，金屬鋰在負(fù)極表面積累會(huì)刺穿電池隔膜造成電池正負(fù)極短路，威脅電池使用安全，電動(dòng)汽車(chē)電池系統(tǒng)低溫充電安全問(wèn)題極大的制約了電動(dòng)汽車(chē)在寒冷地區(qū)的推廣。

因此為了提高整車(chē)性能，使電池組發(fā)揮最佳的性能和壽命，就需要優(yōu)化電池包的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)能夠適應(yīng)高溫和低溫的電動(dòng)汽車(chē)電池包熱管理系統(tǒng)BTMS。

二、電動(dòng)汽車(chē)電池系統(tǒng)熱管理技術(shù)現(xiàn)狀

動(dòng)力電池散熱研究可分為空氣散熱、液冷散熱、固體相變材料散熱和熱管散熱等方式，現(xiàn)有主要散熱技術(shù)以前三種為主。

1.空冷式散熱系統(tǒng)

空冷式散熱系統(tǒng)也叫風(fēng)冷式散熱系統(tǒng)。空冷式的散熱方式最為簡(jiǎn)單，只需要讓空氣流經(jīng)電池表面帶走動(dòng)力電池所產(chǎn)生的熱量，達(dá)到對(duì)動(dòng)力電池組散熱的目的。根據(jù)通風(fēng)措施的不同，空冷式又有自然對(duì)流散熱和強(qiáng)制通風(fēng)散熱兩種方式。自然對(duì)流散熱不依靠外部附加的強(qiáng)制通風(fēng)措施（如加風(fēng)機(jī)等），只是通過(guò)電池包內(nèi)部流體自身因溫度變化而產(chǎn)生的氣流進(jìn)行冷卻散熱的系統(tǒng)。強(qiáng)制對(duì)流冷卻散熱系統(tǒng)是在自然對(duì)流散熱系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加上了相應(yīng)的強(qiáng)制通風(fēng)技術(shù)的散熱系統(tǒng)。當(dāng)前動(dòng)力電池空冷式散熱主要有串聯(lián)式和并聯(lián)式兩種系統(tǒng)。但該種方式效果較差，且很難達(dá)到較高的電池均溫性。

串聯(lián)風(fēng)冷散熱/并聯(lián)風(fēng)冷散熱

2.液冷式散熱系統(tǒng)

動(dòng)力電池的液冷式散熱系統(tǒng)是指制冷劑直接或間接地接觸動(dòng)力電池，然后通過(guò)液態(tài)流體的循環(huán)流動(dòng)把電池包內(nèi)產(chǎn)生的熱量帶走達(dá)到散熱效果的一種散熱系統(tǒng)。其制冷劑可以是水、水和乙二醇的混合物、礦物質(zhì)油和R134a等，這些制冷劑擁有較高的導(dǎo)熱率，可以達(dá)到較好的散熱效果。當(dāng)前動(dòng)力電池的液冷技術(shù)也擁有了相當(dāng)成熟的技術(shù)，在電動(dòng)汽車(chē)的散熱系統(tǒng)中也有了相對(duì)廣泛的應(yīng)用，比如特斯拉電池包就是采用水和乙二醇的混合物的液冷方式散熱，寶馬i3采用R134a進(jìn)行散熱。液冷式系統(tǒng)往往要求更復(fù)雜的更加嚴(yán)苛的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以防止液態(tài)制冷劑的泄漏以及保證電池包內(nèi)電池單體之間的均勻性，而液冷系統(tǒng)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)也使得整套散熱系統(tǒng)變得十分笨重，不僅增加整車(chē)的重量，使得整車(chē)的負(fù)擔(dān)大大增加，而且同時(shí)由于其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及高密封性使得液冷系統(tǒng)的維護(hù)和保養(yǎng)相對(duì)困難，維護(hù)成本也相應(yīng)增加。

液冷系統(tǒng)圖

動(dòng)力電池包液冷結(jié)構(gòu)散熱方式

特斯拉電池包液冷散熱圖

3.相變材料式散熱系統(tǒng)

相變材料式散熱系統(tǒng)是以相變材料作為傳熱介質(zhì)，利用相變材料在發(fā)生相變時(shí)可以儲(chǔ)能與放能的特性達(dá)到對(duì)動(dòng)力電池低溫加熱與高溫散熱的效果。但相變材料的熱導(dǎo)率比較低，為了改變材料的固有缺陷，人們向相變材料中填充一些金屬材料，例如有些研究中將很薄的鋁板填充到相變材料中從而達(dá)到提高熱導(dǎo)率的目的。為了提高相變材料的熱導(dǎo)率，還有人提出了向相變材料中填充碳纖維、碳納米管等。

相變材料包裹電池式結(jié)構(gòu)

4.熱管式散熱系統(tǒng)

熱管作為一種高效的導(dǎo)熱原件，能夠快速高效地把熱能從一個(gè)地方輸送到另一個(gè)地方，也就是能夠把熱量快速有效地在兩個(gè)物體間進(jìn)行傳輸。在電動(dòng)汽車(chē)的熱管理系統(tǒng)中，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者也把熱管這一導(dǎo)熱原件應(yīng)用到動(dòng)力電池的散熱中。與傳統(tǒng)的強(qiáng)制對(duì)流散熱系統(tǒng)相比，在引入熱管的散熱系統(tǒng)中，動(dòng)力電池不僅能維持在正常工作的溫度范圍內(nèi)，而且各電池單體之間也能夠保持溫度的均勻性，這是強(qiáng)制冷卻散熱系統(tǒng)所不能達(dá)到的效果。但其質(zhì)量和體積過(guò)大，存在換熱極限。

熱管冷卻

5.電動(dòng)車(chē)電池加熱系統(tǒng)

以上介紹了四種給電池散熱的方法，下面再介紹一下為了使電池適應(yīng)低溫環(huán)境的加熱方式，加熱系統(tǒng)主要由加熱元件和電路組成，其中加熱元件是最重要的部分。常見(jiàn)的加熱元件有可變電阻加熱元件和恒定電阻加熱元件，前者通常稱(chēng)為PTC（positivetemperaturecoefficient），后者則是通常由金屬加熱絲組成的加熱膜，譬如硅膠加熱膜、撓性電加熱膜等。

電動(dòng)汽車(chē)專(zhuān)用PTC

動(dòng)力電池硅膠加熱膜

PTC由于使用安全、熱轉(zhuǎn)換效率高、升溫迅速、無(wú)明火、自動(dòng)恒溫等特點(diǎn)而被廣泛使用。其成本較低，對(duì)于目前價(jià)格較高的動(dòng)力電池來(lái)說(shuō)，是一個(gè)有利的因素。但是PTC的加熱件體積較大，會(huì)占據(jù)電池系統(tǒng)內(nèi)部較大的空間。絕緣撓性電加熱膜是另一種加熱器，它可以根據(jù)工件的任意形狀彎曲，確保與工件緊密接觸，保證最大的熱能傳遞。硅膠加熱膜是具有柔軟性的薄形面發(fā)熱體，但其需與被加熱物體完全密切接觸，其安全性要比PTC差些。

中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所胡學(xué)功研究員領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)利用微槽群復(fù)合相變技術(shù)成功研制了超過(guò)120Wh/kg高能量密度的電動(dòng)汽車(chē)電池包熱管理系統(tǒng)(BTMS)樣機(jī)，微槽群復(fù)合相變技術(shù)是利用微細(xì)尺度槽群結(jié)構(gòu)復(fù)合相變強(qiáng)化傳熱機(jī)理實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度傳熱，是目前國(guó)際上一種先進(jìn)的被動(dòng)式微細(xì)尺度相變強(qiáng)化傳熱技術(shù)。該成果解決了電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)存在的高能量密度電池成組單體之間難以保持均溫性的技術(shù)難題，其技術(shù)指標(biāo)優(yōu)于特斯拉（電池單體間的溫差≤±2℃），且成本優(yōu)勢(shì)巨大，處于電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)內(nèi)領(lǐng)先水平。

電動(dòng)汽車(chē)電池包微槽群熱管理系統(tǒng)

三、電動(dòng)汽車(chē)電池系統(tǒng)熱管理技術(shù)發(fā)展方向

從國(guó)家對(duì)電動(dòng)汽車(chē)扶持方向來(lái)看，電動(dòng)汽車(chē)電池包熱管理系統(tǒng)必然朝著輕量化，高比能和高均溫性方面發(fā)展。科技部“十三五”規(guī)劃中也提出開(kāi)展基于整車(chē)一體化的電池系統(tǒng)的機(jī)-電-熱設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)先進(jìn)可靠的電池管理系統(tǒng)和緊湊、高效的熱管理系統(tǒng)，到2020年，應(yīng)使單體電池之間的最大溫差≤2℃，電池系統(tǒng)的比能量≥210Wh/kg。

另一方面，十三五末，我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)保有量將達(dá)500萬(wàn)輛，隨之產(chǎn)生大量廢舊動(dòng)力電池，這為動(dòng)力電池的拆解回收帶來(lái)大量工作。因此，在設(shè)計(jì)電動(dòng)汽車(chē)電池包熱管理系統(tǒng)時(shí)，就應(yīng)當(dāng)考慮到電池包易拆解，無(wú)附加污染，實(shí)現(xiàn)電池包熱管理系統(tǒng)的綠色設(shè)計(jì)。