新能源汽車動力電池熱管理技術剖析

     2018年全球銷售了210多萬輛純電動汽車和插電式混合動力汽車，其市場份額已上升到當年銷售車輛總額的2.4％ ，并且這一趨勢還將繼續(xù)上升，預計到2030年歐洲每銷售三輛汽車其中都將有一輛電動車。電池組作為電動汽車的主要儲能部件，直接影響到電動車的性能。本期將為您介紹電動汽車電池系統(tǒng)熱管理的有關知識。

　　電動汽車電池系統(tǒng)熱管理背景

　　隨著制造業(yè)的快速發(fā)展，中國汽車工業(yè)面臨著產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型、降低排放、能源危機和低碳發(fā)展的挑戰(zhàn)，發(fā)展新能源汽車已經(jīng)成為降低汽車工業(yè)石油依賴和排氣污染的唯一途徑，中國政府為了推進新能源汽車工業(yè)，發(fā)布了一系列發(fā)展規(guī)劃、財政補貼和稅務鼓勵計劃，促進新能源汽車行業(yè)的發(fā)展。

　　電池組是電動汽車的主要儲能部件，由鋰電池組成，直接影響到電動車的性能。

　　由于車輛上裝載電池的空間有限，正常運行所需的電池數(shù)目也較大，電池會以不同倍率放電，并以不同生熱速率產(chǎn)生大量熱量，再加上時間累積以及空間影響將會聚集大量熱量，從而導致電池組運行環(huán)境溫度情況復雜多變。

　　電池包內(nèi)溫度上升嚴重影響電池組的電化學系統(tǒng)的運行、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。如果電動汽車電池組不能及時散熱，將導致電池組系統(tǒng)的溫度過高或分布不均勻，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，嚴重時還將導致熱失控，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）估計的準確性，影響到電動汽車的系統(tǒng)控制。

　　鋰離子電池工作原理本質(zhì)上是內(nèi)部正負極與電解液之間的氧化還原反應，在低溫下電極表面活性物質(zhì)嵌鋰反應速率減慢、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降低、內(nèi)阻增大、放電容量減少，極端低溫情況甚至會出現(xiàn)電解液凍結(jié)、電池無法放電等現(xiàn)象，極大的影響電池系統(tǒng)低溫性能，造成電動汽車動力輸出性能衰減和續(xù)駛里程減少。

　　此外，在低溫環(huán)境下充電容易在負極表面形成鋰沉積，金屬鋰在負極表面積累會刺穿電池隔膜造成電池正負極短路，威脅電池使用安全，電動汽車電池系統(tǒng)低溫充電安全問題極大的制約了電動汽車在寒冷地區(qū)的推廣。

　　因此為了提高整車性能，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)，設計能夠適應高溫和低溫的電動汽車電池包熱管理系統(tǒng)BTMS。

　　電動汽車電池系統(tǒng)熱管理技術現(xiàn)狀

　　動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)有主要散熱技術以前三種為主。

　　空冷式散熱系統(tǒng)

　　空冷式散熱系統(tǒng)也叫風冷式散熱系統(tǒng)?？绽涫降纳岱绞阶顬楹唵危恍枰尶諝饬鹘?jīng)電池表面帶走動力電池所產(chǎn)生的熱量，達到對動力電池組散熱的目的。

　　根據(jù)通風措施的不同，空冷式又有自然對流散熱和強制通風散熱兩種方式。

　　自然對流散熱不依靠外部附加的強制通風措施（如加風機等），只是通過電池包內(nèi)部流體自身因溫度變化而產(chǎn)生的氣流進行冷卻散熱的系統(tǒng)。

　　強制對流冷卻散熱系統(tǒng)是在自然對流散熱系統(tǒng)的基礎上加上了相應的強制通風技術的散熱系統(tǒng)。

　　當前動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，且很難達到較高的電池均溫性。

　　液冷式散熱系統(tǒng)

　　動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力電池，然后通過液態(tài)流體的循環(huán)流動把電池包內(nèi)產(chǎn)生的熱量帶走達到散熱效果的一種散熱系統(tǒng)。

　　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熱率，可以達到較好的散熱效果。

　　當前動力電池的液冷技術也擁有了相當成熟的技術，在電動汽車的散熱系統(tǒng)中也有了相對廣泛的應用，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進行散熱。

　　液冷式系統(tǒng)往往要求更復雜的更加嚴苛的結(jié)構(gòu)設計以防止液態(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，不僅增加整車的重量，使得整車的負擔大大增加，而且同時由于其結(jié)構(gòu)的復雜性及高密封性使得液冷系統(tǒng)的維護和保養(yǎng)相對困難，維護成本也相應增加。

　　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)生相變時可以儲能與放能的特性達到對動力電池低溫加熱與高溫散熱的效果。但相變材料的熱導率比較低，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到提高熱導率的目的。為了提高相變材料的熱導率，還有人提出了向相變材料中填充碳纖維、碳納米管等。

　　熱管式散熱系統(tǒng)

　　熱管作為一種高效的導熱原件，能夠快速高效地把熱能從一個地方輸送到另一個地方，也就是能夠把熱量快速有效地在兩個物體間進行傳輸。

　　在電動汽車的熱管理系統(tǒng)中，國內(nèi)外很多學者也把熱管這一導熱原件應用到動力電池的散熱中。與傳統(tǒng)的強制對流散熱系統(tǒng)相比，在引入熱管的散熱系統(tǒng)中，動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，這是強制冷卻散熱系統(tǒng)所不能達到的效果。但其質(zhì)量和體積過大，存在換熱極限。

　　電動車電池加熱系統(tǒng)

　　上面介紹了四種給電池散熱的方法，接下來將介紹一下為了使電池適應低溫環(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，前者通常稱為PTC（positive temperature coefficient），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。

動力電池硅膠加熱膜

     PTC由于使用安全、熱轉(zhuǎn)換效率高、升溫迅速、無明火、自動恒溫等特點而被廣泛使用。其成本較低，對于目前價格較高的動力電池來說，是一個有利的因素。但是PTC的加熱件體積較大，會占據(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。

　　中國科學院工程熱物理研究所胡學功研究員領導的科研團隊利用微槽群復合相變技術成功研制了超過120 Wh/kg高能量密度的電動汽車電池包熱管理系統(tǒng)(BTMS)樣機，微槽群復合相變技術是利用微細尺度槽群結(jié)構(gòu)復合相變強化傳熱機理實現(xiàn)高強度傳熱，是目前國際上一種先進的被動式微細尺度相變強化傳熱技術。該成果解決了電動汽車行業(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難題，其技術指標優(yōu)于特斯拉（電池單體間的溫差≤±2℃），且成本優(yōu)勢巨大，處于電動汽車行業(yè)內(nèi)領先水平。

電動汽車電池包微槽群熱管理系統(tǒng)

　　電動汽車電池系統(tǒng)熱管理技術發(fā)展方向

　　從國家對電動汽車扶持方向來看，電動汽車電池包熱管理系統(tǒng)必然朝著輕量化，高比能和高均溫性方面發(fā)展?？萍疾俊笆濉币?guī)劃中也提出開展基于整車一體化的電池系統(tǒng)的機-電-熱設計，開發(fā)先進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，我國電動汽車保有量將達500萬輛，隨之產(chǎn)生大量廢舊動力電池，這為動力電池的拆解回收帶來大量工作。因此，在設計電動汽車電池包熱管理系統(tǒng)時，就應當考慮到電池包易拆解，無附加污染，實現(xiàn)電池包熱管理系統(tǒng)的綠色設計。