淺談新能源汽車用鋰電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)

謝佳平

摘 要：新能源汽車主要以電力能源作為驅(qū)動(dòng)能源，相應(yīng)鋰電池就是此類汽車產(chǎn)品中不可或缺的部分。但鋰電池在長(zhǎng)期應(yīng)用當(dāng)中容易產(chǎn)生較大熱能，這對(duì)于汽車行駛過(guò)程中的性能存在影響，容易出現(xiàn)安全事故，就這一點(diǎn)現(xiàn)代新能源汽車中必須具備鋰電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，該系統(tǒng)主要功能在于控制鋰電池的溫度，確保汽車行駛安全。本文將針對(duì)該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，主要闡述鋰電池生熱與傳熱機(jī)理、熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行仿真測(cè)試，以驗(yàn)證系統(tǒng)有效性。

關(guān)鍵詞：新能源汽車;鋰電池;熱管理系統(tǒng)

1 引言

鋰電池生熱首先會(huì)對(duì)自身造成影響，導(dǎo)致電能輸出功率不穩(wěn)定或中斷，由于電能是新能源汽車的驅(qū)動(dòng)能源，一旦出現(xiàn)此類現(xiàn)象就代表汽車失去動(dòng)能，這對(duì)于高速行駛的新能源汽車而言十分危險(xiǎn)，其次熱能還可能對(duì)周邊線路造成影響，間接引發(fā)其他故障。由此可知鋰電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的重要性，但該系統(tǒng)在不同新能源汽車中的設(shè)計(jì)方式不同，就這一點(diǎn)文中將提出兩種熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并對(duì)兩者進(jìn)行仿真測(cè)試對(duì)比兩者優(yōu)劣。

2 鋰電池生熱與傳熱機(jī)理

2.1 生熱機(jī)理

鋰電池生熱機(jī)理可以幫助我們對(duì)電池溫度進(jìn)行預(yù)測(cè)，同時(shí)給予熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)信息支撐，因此有必要對(duì)此進(jìn)行分析。根據(jù)相關(guān)研究得知鋰電池生熱原因有四，分別為焦耳熱、反應(yīng)熱、極化熱、副反應(yīng)熱，四者在鋰電池運(yùn)作中同時(shí)存在，因此電池總生熱量為四者相加之和，但要確認(rèn)總生熱量數(shù)值就必須先確認(rèn)四者實(shí)際熱量，就這一點(diǎn)下文將對(duì)四者產(chǎn)生機(jī)理與計(jì)算方法進(jìn)行分析。

2.1.1 焦耳熱

焦耳熱是在焦耳原理下產(chǎn)生的熱能，即鋰電池的殼體、極柱、正負(fù)極等組成部分都存在內(nèi)阻，相應(yīng)在運(yùn)作中電流會(huì)與內(nèi)阻接觸激發(fā)焦耳原理，最終出現(xiàn)焦耳熱。焦耳熱是鋰電池運(yùn)作中最主要的熱源，其恒定為正值。關(guān)于焦耳熱的計(jì)算方法見公式（1）[1]。

公式（1）：

式中Qj代表焦耳熱;I代表電流大小;RΩ代表電池歐姆內(nèi)阻。

2.1.2 反應(yīng)熱

鋰離子電池的工作原理為：鋰離子、電子之間不斷進(jìn)行正負(fù)極的嵌入和脫嵌，這一過(guò)程代表電池運(yùn)作時(shí)內(nèi)部粒子存在轉(zhuǎn)移動(dòng)作，此動(dòng)作就會(huì)產(chǎn)生反應(yīng)熱。根據(jù)理論可知反應(yīng)熱可逆，代表電池?zé)o論在充電或者放電條件下熱量大小都是相等的，但正負(fù)相反（充電為負(fù)、放電為正）。關(guān)于反應(yīng)熱的計(jì)算方法見公式（2）。

公式（2）：

式中Qr代表反應(yīng)熱;m代表電極質(zhì)量;n代表電池?cái)?shù)量;QI代表電池正負(fù)極化學(xué)反應(yīng)總生熱量;M代表摩爾質(zhì)量;F代表法拉第常數(shù)。

2.1.3 極化熱

極化是鋰電池運(yùn)作中必然存在的現(xiàn)象，具體表現(xiàn)有三：①因歐姆內(nèi)阻導(dǎo)致的歐模電阻極化;②因電子移動(dòng)速度超過(guò)電極反應(yīng)速度導(dǎo)致的電化學(xué)極化;③因鋰電池內(nèi)鋰離子擴(kuò)散速度低于電極反應(yīng)速度導(dǎo)致的濃差極化。在任意極化表現(xiàn)下都會(huì)帶來(lái)壓降，相應(yīng)就出現(xiàn)了極化熱，極化熱同樣恒定為正值。關(guān)于極化熱的計(jì)算方法見公式（3）。

公式（3）：

式中Qp代表極化熱;Rp代表極化內(nèi)阻;R0、Rn、Rd代表以上三種極化現(xiàn)象，說(shuō)明三者將同時(shí)存在。

2.1.4 副反應(yīng)熱

副反應(yīng)熱是一種出現(xiàn)概率、造成熱量較小的鋰電池?zé)嵩矗粗挥性阡囯姵剡^(guò)充電或過(guò)放電條件下，導(dǎo)致電池電極材料出現(xiàn)分解狀態(tài)時(shí)才會(huì)出現(xiàn)副反應(yīng)熱。就這一點(diǎn)可知，現(xiàn)代新能源汽車鋰電池運(yùn)作中基本不會(huì)出現(xiàn)過(guò)充、過(guò)放現(xiàn)象，因此副反應(yīng)熱可以忽略不計(jì)。

2.2 傳熱機(jī)理

在鋰電池生熱之后，熱能對(duì)傳播到周邊物體上，這一表現(xiàn)即為鋰電池的傳熱現(xiàn)象。傳熱現(xiàn)象的機(jī)理表現(xiàn)有三，分別為熱傳導(dǎo)、對(duì)流換熱、熱輻射，下文將對(duì)三者進(jìn)行分析。

2.2.1 熱傳導(dǎo)

熱傳導(dǎo)是一種利用肉眼不可察介質(zhì)實(shí)現(xiàn)熱能傳播的物理現(xiàn)象，在生活中十分常見。例如當(dāng)鋰電池生熱之后，附著于鋰電池上的粒子溫度就會(huì)升高，隨后因?yàn)榱Ｗ哟嬖跓o(wú)序運(yùn)動(dòng)行為，所以當(dāng)帶有溫度的粒子與周邊事物接觸，就實(shí)現(xiàn)了熱能傳播[2]。

2.2.2 對(duì)流換熱

對(duì)流換熱是一種以流體為介質(zhì)實(shí)現(xiàn)熱能傳播的物理現(xiàn)象，即當(dāng)流體整體存在溫差時(shí)，受流體的宏觀位移使得溫度相互混合，由此就實(shí)現(xiàn)可傳熱。另外，對(duì)流換熱同時(shí)還具備熱傳導(dǎo)的特征，即只有在外部與流體之間存在溫差才能實(shí)現(xiàn)熱能傳播。

2.2.3 熱輻射

熱輻射是一種不需要介質(zhì)或媒介就能實(shí)現(xiàn)熱能傳播的物理現(xiàn)象，即任何溫度大于0k的物體都具有吸收熱能的作用，相應(yīng)受發(fā)熱物體粒子運(yùn)動(dòng)下產(chǎn)生的電磁波影響，會(huì)導(dǎo)致其他物體溫度升高。

3 熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)方案一

方案一設(shè)計(jì)中，首先依照5mm的間距將所有鋰電池分為兩列，通過(guò)條形支架對(duì)電池進(jìn)行固定、支撐，支架的安裝與安裝面平行，其次進(jìn)行空氣進(jìn)出口設(shè)計(jì)，主要采用矩形形狀。表1為方案具體數(shù)據(jù);方案一設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)見圖1。

對(duì)方案一運(yùn)作進(jìn)行理論分析：氣體將通過(guò)箱體的左下方進(jìn)入箱體內(nèi)，方向?yàn)樗较颍ㄟ^(guò)內(nèi)設(shè)導(dǎo)流板（因?qū)Я靼宀⒉粫?huì)影響到模型運(yùn)作，因此在設(shè)計(jì)部分省略）使氣流均勻滲透到電池間隙，利用氣流流動(dòng)帶走電池表面熱量，再?gòu)挠疑戏匠隹谂懦觯纱藢?shí)現(xiàn)散熱。在整個(gè)設(shè)計(jì)當(dāng)中，因?yàn)橹Ъ芫壒蕷饬鬟M(jìn)入箱體后并不會(huì)出現(xiàn)紊亂，而是不斷朝出風(fēng)口發(fā)展，可保障散熱功能的有效性。

3.2 設(shè)計(jì)方案二

方案一的特點(diǎn)在于風(fēng)力進(jìn)入箱體后可以均勻的對(duì)每個(gè)電池進(jìn)行散熱，但該方案的面積較大，可能不適用于內(nèi)部空間較小的新能源汽車，就這一點(diǎn)本文將在方案二中，采用與方案一相同的材料進(jìn)行熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)，旨在降低系統(tǒng)面積，且不影響散熱能力。圖2為方案二設(shè)計(jì)結(jié)果。

根據(jù)圖2可知，方案二與方案一的根本差別有二，即電池排列均采用階梯形式，由高至低各相差50/7mm，此舉使得箱體的高度減小，且不需要采用菱形箱體來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，說(shuō)明系統(tǒng)面積得到降低;為了不影響到散熱能力，方案二中并沒(méi)有安裝導(dǎo)流板，此舉是為了避免導(dǎo)流板對(duì)風(fēng)力的阻隔，提高了系統(tǒng)內(nèi)部空間的空氣密度與強(qiáng)度，確保散熱能力不會(huì)降低。綜上，方案二的使用更具優(yōu)勢(shì)，建議采用這種方式進(jìn)行新能源汽車鋰電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)。

4 系統(tǒng)仿真測(cè)試

4.1 測(cè)試思路

介于方案一、二的散熱原理都在于風(fēng)力，因此在仿真測(cè)試當(dāng)中，主要模擬一個(gè)風(fēng)力環(huán)境，再將兩個(gè)方案模型放入該環(huán)境當(dāng)中，通過(guò)數(shù)據(jù)可知兩者優(yōu)劣。風(fēng)力環(huán)境參數(shù)為：進(jìn)口風(fēng)速依次設(shè)置為1、2、3m/s;系統(tǒng)初始溫度及進(jìn)氣溫度為25℃;放電倍率為3C;仿真時(shí)間10min[3]。

4.2 方案一測(cè)試結(jié)果

根據(jù)方案一仿真測(cè)試結(jié)果可知，方案一在不同風(fēng)速條件下電池溫度分布并沒(méi)有發(fā)生變化，都存在上部溫度低、下部溫度高、左側(cè)溫度低、右側(cè)溫度高的現(xiàn)象，從這一點(diǎn)上可以看出，方案一的散熱效果實(shí)際上仍舊存在不均勻的現(xiàn)象。

另外，通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)在方案一進(jìn)風(fēng)口角度上，其在風(fēng)速為1m/s時(shí)左右兩側(cè)電池溫度出現(xiàn)了較大的溫差，但上下電池溫度沒(méi)有出現(xiàn)影響;在風(fēng)速為2m/s時(shí)左右兩側(cè)電池的溫差值大幅減小;在3m/s時(shí)左右兩側(cè)電池的溫差值并未發(fā)生變化。綜上可知，方案一的散熱必須建立在較強(qiáng)風(fēng)力的條件下才能發(fā)揮有效作用，但能效存在較大上限，并不存在“風(fēng)速越大則散熱效果越好”的表現(xiàn)。

4.3 方案二測(cè)試結(jié)果

根據(jù)方案二仿真測(cè)試結(jié)果可知，方案二在不同風(fēng)速條件下電池溫度分布同樣沒(méi)有太大變化，但在各鋰電池的溫度豐富表現(xiàn)相對(duì)良好，溫差數(shù)值不大，說(shuō)明方案二可以更好的維護(hù)鋰電池內(nèi)部的熱均衡分布，具有更優(yōu)秀的性能表現(xiàn)。

另外，通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)在方案二進(jìn)風(fēng)口角度上，其在風(fēng)速為1m/s時(shí)左右兩側(cè)電池溫差較于方案一更小，但差值依舊較大;在風(fēng)速為2m/s時(shí)左右兩側(cè)電池的溫差值大幅減小;在3m/s時(shí)左右兩側(cè)電池的溫差值進(jìn)一步減小。綜上可知，方案二的散熱能力對(duì)于風(fēng)力的要求低于方案一，且能效上限也大于方案一，再一次證實(shí)了方案二的優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上，為了保障新能源汽車電能供給穩(wěn)定與形式安全，文章對(duì)鋰電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，可知鋰電池生熱來(lái)源于四大熱源，且會(huì)對(duì)周邊線路造成影響。針對(duì)鋰電池生熱現(xiàn)象，提出了兩種熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并采用仿真測(cè)試對(duì)兩者的散熱表現(xiàn)、原理進(jìn)行分析，結(jié)果顯示兩個(gè)方案均具備散熱能力，但方案二的散熱性能與體積更具優(yōu)勢(shì)，因此建議選擇方案二來(lái)進(jìn)行鋰電池?zé)峁芾怼?/p>

參考文獻(xiàn)：

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