基于鋰電池余熱回收的綜述

趙春榮　孫峰

摘 要：新能源汽車誕生時不叫新能源汽車，而是叫純電動汽車，在很早以前就出現過，只是當時的電池技術及電池容量相對較為落后，電池的電壓也比較低，后來逐漸被淘汰了。直至世界能源危機爆發、環境污染越發嚴重的今天，純電動汽車又被推上歷史的舞臺。現在的純電動汽車有另外一個名稱叫新能源汽車，其能源主要來自汽車自帶的動力電池包。

關鍵詞：新能源汽車;電池容量;純電動汽車

隨著世界能源危機的到來，環境污染對人們的健康生活已經造成嚴重的影響，傳統的燃油汽車逐漸向小排量加渦輪增壓方向發展，但還是不能完全離開化石燃料。于是，新能源汽車應運而生。新能源汽車是少用或者不需要使用傳統的燃料進行能量的轉換以驅動車輛行駛，所以，在新能源汽車大類中的純電動汽車電池包又稱為動力電池包。

1 ? ?純電動汽車中最常用的動力電池

1.1 ?鉛酸蓄電池

鉛酸蓄電池是最先被用在純電動車上的電池。將純鉛與鉛的氧化物相互交叉放置于箱體內部，利用稀硫酸溶液作為電解液的鉛酸蓄電池。在充電狀態下，鉛酸蓄電池的正極由硫酸鉛變成二氧化鉛，負極材料由硫酸鉛變成純鉛。在放電的情況下，正極與負極都變成硫酸鉛白色的晶體。由于鉛酸蓄電池存在質量大、自放電率高、低溫性能差、能量密度低、比功率低等缺點，現在純電動汽車已經不采用這樣的動力電池，但是將其作為輔助電池。

1.2 ?鋰離子電池

鋰離子電池在新能源汽車上的應用越來越多。鋰離子電池端電壓達到3.7 V，而鉛酸蓄電池的端電壓只有2 V，現在的純電動汽車一般使用的動力電池電壓在380 V左右，使用鋰電池可以減少電池的個數，從而減小電池整體的質量。此外，鋰電池的自放電率低，能量密度、比功率比鉛酸蓄電池高。所以，在現在的新能源汽車中，使用較多的是鋰離子電池。

1.3 ?鎳氫電池

鎳氫電池介于鋰電池與鉛酸蓄電池之間，一節鎳氫電池的端電壓只有1.2 V左右，電池電壓較低。在沒有充足電量的情況下，存儲電池會造成電池過早損壞。雖然可以減少對環境的污染，但作為動力電池因為電壓過低，當要達到相同電壓時需要更多的電池單體，會造成電池的體積及質量過大。所以，這種電池一般在混合動力汽車中使用較多。

2 ? ?鋰離子電池工作原理及發熱原因

2.1 ?鋰離子電池工作原理

在鋰離子電池中，以炭為負極材料、以含鋰的化合物為正極的鋰電池，在充放電過程中，沒有金屬鋰存在，只有鋰離子在正負極之間移動，當對電池進行充電時，電池的正極上有鋰離子生成，生成的鋰離子經過電解液運動到負極。作為負極的碳呈層狀結構，有很多微孔，達到負極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔中，嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。同樣，當對電池進行放電時，嵌在負極碳層中的鋰離子脫出，又運動回正極。回正極的鋰離子越多，放電容量越高。

2.2 ?鋰離子電池發熱原因

鋰離子電池無論是在充電還是在放電過程中，都會產生熱量。充電時，因為電池在放電過程中的內阻逐漸變大，充電槍與電池兩端的電勢差較大，在使用定壓充電的方法對電池充電的初期，電池內部流過的電流較大，電流流過電阻較大的電池內部，消耗在電池內部的電能也較大，產生的熱量就多。

在電池對外放電時，由于在滿電狀態下，電池的內阻很小，剛開始放電時，消耗在電池內部的電能少發熱較小。隨著放電過程的進行，電池內阻開始慢慢地變大，很大一部分電能需要消耗在電池的內部，此時電池內部會產生大量的熱能，使電池溫度升高。

3 ? ?鋰電池溫度過高或者過低的危害

鋰離子電池其實與汽車的發動機一樣，都有合適的工作溫度，溫度過高或者過低都會嚴重影響電池的容量。當溫度過低時，鋰離子的活性不夠，放電時化學反應過慢，單位時間內不能大電流放電，影響汽車的加速性能，而且在溫度低的時候，還會影響電池的容量，繼而影響汽車的續航里程。

溫度過高會使鋰離子電池內部材料發生短路的可能性增大，鋰離子電池變得極其不穩定。一旦造成熱失控就會使電池內部溫度急劇升高，進而發生自燃。溫度過高還會嚴重影響電池的使用壽命。所以，在使用鋰離子電池時一定要嚴格地將溫度控制在允許工作的范圍內。

使用鋰離子電池時，在嚴格控制溫度的同時，要嚴格均衡電池的溫度。在動力電池箱里有較多動力電池模組，由單體電池經過焊接連接在一起。在控制電池溫度時一定要考慮怎樣對單體電池進行冷卻或者加溫。

4 ? ?電池的冷卻系統

現在的新能源汽車較多采用油電混合，因為油與電混合可以彌補兩者的缺點。使用純燃油驅動的車輛在低速時耗油量比較大，減速時發動機不熄火，又浪費燃油。所以，油電混合可以降低汽車在低速或者減速時的燃油消耗量，同時，可以將汽車在減速時的能量回收。

油電混合車輛分為插電式混合動力汽車和非插電式混合動力汽車。但不管是哪種形式的混合動力汽車，在對電池進行冷卻或加溫時，都是通過電加熱器將動力電池冷卻液加熱。然后通過熱傳遞的形式對電池進行升溫，使之達到合適的工作溫度。電池溫度升高之后，電池管理系統通過控制一個小型水泵強制電池包中的冷卻液循環，經散熱器將冷卻液吸收的電池包熱量散發至大氣中，以降低電池溫度。雖然這樣的方式比較直接、方便、快捷，但是在冷卻的過程中，能量白白散失，在一定程度上增加了能量的消耗。在純電動車上，這樣的能量散失會制約車輛的續航里程，因為純電動車的能量主要來自動力電池包。

5 ? ?鋰離子電池包冷卻的方式

純電動汽車電池包冷卻方式主要有兩種：風冷和水冷。

5.1 ?風冷

風冷就是利用流動的空氣將電池包內部的熱量帶走。利用強制冷卻風扇進行抽吸，使外界溫度較低的新鮮空氣進入電池包并在電池包內部被加熱，然后被抽出電池包，這種冷卻方式結構較為簡單。

5.2 ?水冷

現在的汽車發動機冷卻基本都是水冷。不僅因為水冷發動機溫度比較容易控制，還因為水的比熱容較高，使單位質量的水升高1 ℃需要的熱量較多。同時，當電池需要加熱時，電池包冷卻水流過電池周圍能使電池加熱均勻，保持電池溫度均衡。

6 ? ?余熱二次利用

6.1 ?利用熱量對駕駛室進行升溫

幾乎每輛汽車都有空調，冬季環境溫度下降，車內的溫度也下降。人在駕駛車輛時會感覺冰涼，此時需要將車里的溫度升高使人感到舒適。在傳統的燃油車上，通常利用發動機的冷卻水對流過熱交換器的空氣進行加熱，繼而使車內的溫度升高。但是在此過程中，溫度上升比較慢，假如發動機剛啟動就開暖氣，此時肯定無法有暖氣吹出。只有等發動機冷卻水溫度上升后，才會慢慢有暖氣從空調出風口吹出來，過程相當緩慢。

純電動汽車用鋰離子電池作為動力電池，鋰離子電池有幾大缺點：不支持大電流充電、過度放電、溫度不能過低也不能過高。但是在對鋰離子電池進行充電或者放電時，電池由于本身的內阻而發熱，產生余熱。如果能將這些熱量加以利用就能節約能源。同時，減少了動力電池的負載。在充電的時候就已經將熱量轉移至車內，從車外進入車內就能立刻感受到溫暖。

6.2 ?利用電池余熱對冷卻水進行加熱

純電動汽車在一般情況下都會有兩個水壺，一個水壺冷卻的是驅動電機以及電機控制器，防止電機以及電機控制器過熱而造成功率限制。但是天氣過冷時電機的一些軸承潤滑油會凝固，造成車輛在早晨啟動時阻力過大。電機的轉子在定子產生的電磁作用下感應出感應電動勢，而阻力過大的電機轉速下降時發熱量猛然增大，造成電機內部產生大量的熱量。

電動汽車在電池充電時，除了利用熱泵空調將熱量帶入駕駛室內部，也可以通過電池冷卻液循環對電機冷卻液進行加溫，讓電機冷卻液溫度升高，繼而對電機進行保溫。還可以利用一個罐子將電池包加熱過的水收集起來，對車輛需要加溫的地方進行保溫處理，能使汽車行駛里程增加，大大降低電機控制器及電機的故障發生率。

6.3 ?利用電池包熱反饋對充電功率進行限制

無論是鋰電池還是鉛酸蓄電池，只要是存儲電能的化學電池，都不能利用大電流對其進行充電。因為化學反應有轉換效率，超過了這個轉換效率，多余的電能就會使電池發熱，在鉛酸蓄電池中就是電解水。要想讓電池更好地持久使用，就要嚴格控制電池的充電電流。雖然現在的純電動汽車對動力電池已經有了一定的保護，即過溫保護，但這種保護方法過于簡單，當車輛充電時，電池管理系統對電池的溫度進行實時監控，只要電池的溫度過高就立即切斷對電池的充電，較好地保護了動力電池。

7 ? ?結語

關于純電動汽車動力電池—鋰電池余熱回收利用方法，許多文獻簡單地敘述了純電動汽車車用動力電池的種類，特別是鋰電池的性能、充電方式和動力電池在汽車上的實際冷卻方式，還綜述了熱泵空調。現在，汽車上應用較多的還是水冷電池，因其造價低廉、冷卻有效，更適合當前的純電動汽車使用。

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