電動車電池熱管理研究

吳 凱，蓋東興*，張學偉

(1.武漢工程大學光電信息與能源工程學院、數理學院，湖北 武漢 430205；2.廣州申菱環境系統股份有限公司，廣東 佛山 528313)

1 引言

在2021年，兩會將“碳達峰、碳中和”列入政府工作報告。作為2021年國家重點研發項目，發展電動汽車能有效緩解能源短缺及環境污染問題，是未來汽車的發展方向。在我國，電動汽車自2013年起享受國家財政補貼，在政策的扶持下，電動汽車技術飛速發展，銷量逐年上升。根據EV Volumes2020年的數據統計，2020年汽車銷量(7 797萬輛)對比2019年(9 042萬輛)下降了13%，而全球插電式汽車銷量比2019年(226萬輛)逆風增長43%，達到324萬輛。其中中國的電動車銷量最多，達到134萬輛，占比全球電動車銷量的41%。盡管電動車僅達到全球新車銷量的2%左右，但可以預見汽車行業的趨勢正轉向純電動汽車[1]。

溫度是電動車動力電源控制系統中最重要的參數，也是電池所有檢測參數中最主要的參數，溫度對電池的壽命、安全性、內阻在內的很多重要性能都有較大影響[2]，決定了電動車的續航里程、成本、使用壽命、安全等關鍵性指標。目前在電池市場，鋰電池憑借免維護、使用壽命長、無污染等特性占據了電池市場的大部分份額，可是，電池的溫度對鋰電池的放電性能有很大的影響。因此掌握電池的溫度控制技術是贏得電動車市場的關鍵。

當溫度較低時，電池的反應速度就會很慢，但是過高的溫度又會破壞電池的化學平衡，產生副反應；低溫下短時間使用電池會暫時降低電池容量，而長時間使用或者在極端低溫條件下使用則會造成“凍傷”，永久損傷電池。因此，為了最大程度利用鋰電池的性能以及延長使用壽命，鋰電池的工作溫度必須維持在0～35 ℃，最佳溫度在25～35 ℃。

2 電池熱管理的國內外研究現狀

1985年D BEMARDI提出了一種發熱功率計算模型，這個模型給鋰離子電池的發熱模型提供了理論基礎。該模型根據內部物體的發熱均勻性假設，提出將電池的產熱簡化為兩個來源：“化學反應熱”和“歐姆熱”[3]。

2001年本田的SATO N.等人在D BEMARDI的基礎上經過試驗驗證了鋰電池的計算模型。根據該模型，電池的發熱分為四個部分，除了電化學反應熱和歐姆熱外，還包括極化熱和副反應熱[4]。其中，化學反應熱是電池在工作時，其內部化學物質之間的反應吸收或釋放的熱量；歐姆熱是電池本身的內阻產生的熱量，這種熱量總是正的；極化熱是指電流通過電極時，電池的電勢偏離平衡值而產生的熱量，并且這種熱量也是恒定的正值；副反應熱主要是由于電池內部產生自放電、電解質分解現象而發熱，這種熱量在鋰電池發熱量占比很小，一般忽略不計。

2010年清華大學的林成濤等人[5]在D BEMARDI和SATO N.模型的基礎上對公式進行了一定的修正，在原計算模型的基礎上添加了一個修正系數u，放電情況下計算模型不變，u為1，在充電情況下修正系數u為0.692。

范興明[6]通過ANSYS Workbench軟件的模擬實驗得到結論，在設置參數為自然風冷的條件下，電池溫度不能一直保持在正常工作溫度區間；設置條件參數為強制風冷的冷卻條件下，能基本排除掉電池在工作時內部產生的有害氣體，并且成本低，易于維護，且具有結構簡單，重量輕的特點，可以在小型車的電池熱管理系統中廣泛應用。

Saxon T等人[7]研究了特斯拉公司Roadster電動車的熱管理系統，該電動車采用的是液冷式電池熱管理系統，該跑車電池包內各單體的溫差可以控制在±2 ℃內，在汽車行駛10萬km后，電池包的容量依然能保持在最大容量的80%以上。

邱俊光[8]對18650型圓柱鈦酸鋰單體電池做了過充實驗，同時使用復合相變材料對電池進行熱管理，用以判斷高溫對電池性能的影響，結果表明相變材料能將電池溫度保持在正常溫度范圍內，改善和提高了電池的綜合性能。

3 電池熱管理的發展與研究方法

3.1 電動車動力電池的發展

動力電池作為電動車的動力來源，其電池容量、內阻、壽命、成本和安全性是影響電動車發展的重要因素，因此電動汽車行業在不斷提高動力電池的能量密度、功率密度和循環壽命的同時，也更加注重電池的經濟性和安全性[9]。動力電池早期一般使用鉛酸電池、鎳金屬電池，目前鋰離子電池逐漸占據主導地位。

3.1.1 鉛酸電池

鉛酸電池于1859年由法國人普蘭特發明，發展至今已有一百六十多年的歷史，技術已經相當成熟，性能也相當可靠，有安全性高、原材料易獲取、價格低廉等優勢，但是由于其自身能量密度小、體積大、循環壽命短、維護難、對環境污染大等因素常用于普通燃油汽車內部電子設備的電源或旅行觀光車，不適用于電動汽車的發展需求[15]。

3.1.2 鎳金屬電池

鎳金屬電池有鎳鎘電池和鎳氫電池，鎳鎘電池綜合機能穩定、工作溫度區間大(-30～50 ℃)、價格低廉，但由于電池容量較低、對環境污染嚴重，且有“記憶效應”，長時間未放盡電量或者充電未充滿會導致容量變低；而鎳氫電池雖然提高了電池容量并且解決了“記憶效應”和污染的缺點，但由于價格昂貴、能量利用率低[16]，也不適合未來電動汽車動力電池的發展需要。

3.1.3 鋰離子電池

鋰離子電池能量密度高、循環壽命長、電荷保持能力強、工作溫度范圍寬(-20～45 ℃)、工作電壓高、體積小、重量輕、能量高、安全性高、無環境污染、無記憶效應，是最有發展前景的動力電池[17]。

目前市面上的鋰離子電池有磷酸鐵鋰(LFP)、錳酸鋰(LMO)、鈷酸鋰(LCO)和三元材料即鎳鈷鋁(NCA)、鎳鈷猛(NCM)幾種，它們性能各有差異，適用范圍不同，發熱特性也各不相同，需要不同的熱管理方式。下表是各個電池的參數對比[18]。

表1 各鋰離子電池性能參數對比Table 1 Comparison table of performance parameters of lithium ion batteries.

熱穩定性和安全性更好的磷酸鐵鋰電池在小型車市場應用廣泛，但是大型純電動車更傾向于運行電壓更高、比質量能量更高、成本更低廉的錳酸鋰、鈷酸鋰電池[19]，而三元材料電池由于運行電壓高、能量密度高、循環壽命高、成本低廉等多方面優勢在動力電池市場的份額增長迅速，逐漸成為市場新秀[20]，但由于其安全性仍然受人詬病，目前動力電池仍由磷酸鐵鋰電池占據主導地位。

3.2 難點

電池是化學能源，其熱量輸出特性與傳統內燃機有很大區別，沖放電過程中的化學反應機理與電池內部活性物質反應速率、電芯的結構、材料等都會影響電池的產熱量與傳熱特性，所以必須通過大量試驗與分析才能得到實際電池單體的發熱傳熱模型。

電動車中的電池往往不是以電池單體的形式進行工作，而是多個電池芯串聯、并聯以及電池箱、液冷板、熱管、熱電片等組成的結構體，傳熱過程復雜，因此，對于組成電池包級別的溫度仿真是熱管理系統的重難點。

最后，對搭建的電池熱管理系統模型進行優化與驗證也是難點，如溫度分布是否與實測相符，通過模擬設計的目標是否達到實際設計要求等。

3.3 研究方法展望

通過對前人研究方法的借鑒與總結，電池熱管理可由三個方面進行研究，一是單電池的發熱特性研究；二是電池模塊構建、優化和內部流場、溫度的模擬分析；三是電池包整體的搭建。

3.3.1 單電池的發熱特性研究

(1)通過將電池內部進行簡化，將每一個電池單體都分為正極、隔膜、負極、有機電解液、電池外殼等幾個部分，先由理論計算得到不同工況下的發熱效率，再通過CFD軟件以模擬仿真的方式模擬出不同發熱效率、不同環境溫度下的內部溫度分布云圖。

(2)電池單體實驗：直接拿電池單體做實驗，在不同發熱效率下測量電池單體表面溫度，并與(1)步驟中的結果進行對比，驗證簡化模型的正確性。

3.3.2 電池模塊構建、優化和內部流場、溫度的模擬

在空冷的基礎上初步構建幾種液冷模型的結構，利用CFD模擬將幾種模型進行對比，抉擇出最優液冷模型，對實際模型進行結構優化。

3.3.3 電池包整體構建

采用優化之后的電池模塊結構模型，構建電池整體結構模型，設計好電池內部的管道搭建以及電池模塊布置，從而分析電池包整體的流動與溫度特性。

4 電池熱管理途徑

電池熱管理系統分為主動熱管理和被動熱管理。其中被動熱管理沒有主動控制，任由電池的產熱在系統中擴散運動。而主動熱管理是電動車熱管理系統在不同的工況條件下根據電池的特性和狀態參數對電池進行主動地加熱或者冷卻。主動熱管理根據介質不同可分為空氣冷卻、液體冷卻和相變材料冷卻[25]：

4.1 風冷(主動/被動熱管理)

風冷根據冷卻結構的不同分為被動式冷卻和主動式冷卻，被動式冷卻基于系統中空氣介質的自然熱擴散，在發熱功率較低時能滿足熱控制需要，但是當發熱效率較高時需要通過強制風冷冷卻。強制風冷由通風方式不同分為串行通風和并行通風[6]，如圖1所示。

圖1 串行通風(a)與并行通風(b)Fig.1 (a) Serial ventilation and (b) parallel ventilation.

由上圖可以直觀看出，串行通風情況下由于空氣越到后面溫度越高，所以會造成出風口端溫度明顯高于進風口，溫度不均勻；而并行通風結構與電池接觸的都是上升風氣流，溫度均勻，因此強制風冷一般選用并行通風。

風冷散熱具有結構簡單、不容易泄露的優點，并且成本較低，適用于LFP電池(磷酸鐵鋰電池)和小型車。

4.2 液冷

液冷效果優于風冷，但是成本較高，結構復雜。對比空氣，液體介質比熱容大、換熱系數高，補足了空氣冷卻效率低的不足，是電動車電池熱控的主要手段。

圖2 液冷熱管理系統原理Fig.2 Schematic diagram of liquid cooling thermal management system.

當電池包需要降溫時，采用蒸汽壓縮式制冷原理，電加熱器不啟動，水泵將循環水箱中的冷的制冷液泵入電池包管路中，變成熱的制冷液，通過循環回路變成冷的制冷液，往復循環達到制冷的效果。

當電池包需要加熱時，電動壓縮機關閉，循環水箱中的冷卻液經過加熱器加熱后再由水泵泵入電池包，達到加熱電池包的效果[11]。

4.3 相變材料制冷

相變材料是指在特定條件下通過吸收或放出熱量產生相變的物質，相變材料兼具換熱效率與成本的優勢，而且維護成本低。2000年Al-Hallaj首次將相變材料應用于熱管理系統[12]引發廣泛關注，A.Mills經過研究發現通過將石蠟與發泡鋁相結合能提高相變材料導熱率，提升冷卻效果[13]。

相變材料的換熱效果優異、成本低廉，是未來最有潛力的電池熱管理發展方向。然而其導熱率低、體積變化大、流動性差的缺點還需改善，所以相變材料的推廣應用尚需一段時間的探索研究[22]。

4.4 熱處理方案小結

成本和體驗感是影響消費者購買汽車最主要的因素，車企為了降低消費者購車成本和提高用車的舒適度，大力研發高續航里程電動汽車，而這往往意味著汽車會使用更多電池，會產生更多的熱量，因此高里程電動汽車往往需要更高效的熱管理系統。風冷由于冷卻速度慢，溫降不明顯，無法滿足高能量動力電池散熱需求[24]；相變材料由于導熱系數小、體積變化打、封裝困難、無法循環流動、價格高昂等問題無法大規模投入動力電池的熱管理應用中[21]；液冷電池熱管理系統由于傳熱效率高、穩定性好、技術成熟，越來越成為市場主流熱處理方案[23]。

5 結語

目前新能源汽車熱管理市場格局存在不確定性，技術和市場發展均處于起步階段，卓越的熱管理技術的快速發展和成本優勢有望在市場上占據主導地位，給企業帶來機遇。

未來的熱管理系統會向標準化、模塊化方向發展。目前對于單一車型熱管理技術尚處于定制化階段，各個車場企業的熱管理設計思路各不相同，因此熱管理方案標準化是實際需求也是發展趨勢[14]。而液冷冷卻系統是標準化適用范圍更廣,效率更高，成本更合理的動力電池熱管理方法，是更應考慮的發展方向。

吳凱(1997- ),武漢工程大學本科、在讀研究生,主要研究電子器件散熱方向。 蓋東興(1981- ),華中科技大學博士后,教授級高工,現于武漢工程大學擔任碩導,主要研究工業余熱利用、電子器件散熱等領域。