電動汽車用鋰離子電池熱管理系統的研究

郭美華

摘要：鋰離子動力電池的能量密度較高，且具有長循環壽命特點，因而在電動汽車儲能系統中得到了廣泛應用。文章以微通道液冷式電池熱管理系統為研究對象，深入探討強化換熱和強化結構體力學強度，以不斷優化系統整體換熱性能和結構強度，合理控制鋰離子電池的溫度，使電動汽車更具安全性和可靠性。

Abstract： Because of its high energy density and long cycle life， lithium ion power battery has been widely used in electric vehicle energy storage system. In order to optimize the overall heat transfer performance and structural strength of the system， and to control the temperature of the lithium-ion battery reasonably， the heat transfer enhancement and the structural strength enhancement of the system are discussed in detail， to make electric vehicles more safe and reliable.

關鍵詞：電動汽車;鋰離子電池;熱管理系統;研究

Key words： electric vehicle;lithium-ion battery;thermal management system;research

中圖分類號：U472.43 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）01-0214-03

0 ?引言

電動汽車屬于新能源汽車的代表，以電池管理系統、電池、電控、電機、智能駕駛以及充/放電等為核心技術。而電池管理系統屬于控溫包裹系統，能夠為鋰離子電池提供熱量交換和保護，一般選擇在鋰離子電池表面包裹和貼覆形式，但同樣也屬于電池表面最內層包裝結構系統。鋰離子電池屬于電動汽車的動力來源，其質量輕、具有較高能量密度、可回收、比功率較大、長循環壽命特征明顯且自放電率不高，因而被當做當前蓄電池儲能裝置的首選，會對電動汽車續航里程、安全可靠性、可持續發展與成本等產生直接影響。而鋰離子電池的溫度范圍是30-40攝氏度，每升高1攝氏度，使用的壽命會減少60天，所以電池熱管理系統性能是對鋰離子電池性能發揮產生影響的主要因素，也會對電動汽車性能產生影響。由此可見，深入研究并分析電動汽車用鋰離子電池熱管理系統的相關內容具有一定現實意義。

1 ?鋰離子動力電池產熱特性闡釋

在鋰離子動力電池工作期間會出現產熱行為且復雜多變，一般會受電池狀態與工作環境的影響。為此，對鋰離子動力電池產熱特性形成深入了解并以此為依據創建電池模型，可為電池熱管理系統的設計與優化提供必要幫助。以下將對電池和溫度關系展開系統分析，為確定多個因素耦合的電池模型提供有價值的參考。

1.1 電特性和熱失控

1.1.1 電特性

鋰離子動力電池電特性和電池工作的溫度、SOH與充/放電倍率等存在一定聯系，特別是其可用容量、等效內阻與工作電壓平臺。以下將基于放電分析電池電特性。

其一，電池充/放電倍率因素。在電池放電倍率不斷增加的狀態下，因存在內阻，受內阻分壓影響會降低電池外電路端電壓，在放電結束以后，端電壓能夠提前滿足截止電壓，進而減少其實際可用容量[1]。另外，高倍率放電會增加內阻對電能的消耗，最終會減少店址可輸出能量。

其二，電池溫度因素。在電池工作溫度降低的同時，其放電端電壓也會下降，而其可用容量也會隨之減小。究其原因，在工作環境溫度的影響下，電池電化學反應速率會受到影響，致使電化學反應阻力顯著增加。如果其工作的溫度未達到273K，電池可用容量會在短時間內衰減，而內阻增加速度會加快。

1.1.2 熱失控

對于電池使用者而言，其熱安全性的作用不容小覷。在過高溫度條件下，鋰離子電池的體積會膨脹，而受單體電池溫度分布不均勻的影響，其熱應力也會表現出不均勻，致使電池出現變形，進而對其使用壽命與熱安全性產生不利影響。與此同時，電池短路亦或是溫度過高也會引起熱失控，在電池溫度升高的過程中，放熱反應也會被連續觸發，集中表現在SEI膜分解、正極和電解液反應、電解液分解以及負極和電解液反應等方面。在此基礎上，如果電池起火爆炸，會在短時間內釋放大量能量，由電極反應形成的氧氣也會使熱失控狀態加劇，在形成有毒氣體的情況下會使使用者安全受到威脅。

通常，引起電池熱失控的因素包括以下三個方面：①產熱故障。電池的內部出現短路而出現產熱失控。②熱阻故障。電池充放電的析氣膨脹會增加電池的熱阻，但電芯部的熱量難以釋放。③外部冷卻故障。在電池長期處于高溫環境下很容易使熱失控被觸發。

電極材料會直接影響電池熱安全性，根據相關實驗可以了解到，與NCM電池（三元鋰離子電池）、LCO電池（鈷酸鋰電池）相比，LEP電池（磷酸鐵鋰電池）的熱穩定性較高。要想使電池熱穩定性不斷提高，LEP電池可選擇LiPF6電解液，NCM電池、LCO電池則可選擇LiBOB電解液。以型號為18650的三元鋰離子電池為例，根據熱濫用測試溫度曲線了解到，將熱失控抑制劑加入到電解液中即可使電池熱失控爆炸狀態下的溫度下降，且爆炸時所釋放的能量也會隨之減少。但與未添加熱失控抑制劑的電池相比，一般失控的條件是420K，但溫度點差異并不明顯。也就說明，熱失控抑制劑無法使電池熱穩定性得到改善。與100%SOC電池相比，將其荷電量減少到50%可使其熱穩定性增強，而在失控溫度點增加到460K的情況下，爆炸最高溫度會下降，且釋放能量也會明顯減少。

1.2 產熱計算

學者以吉布斯方程為參考計算電池總產熱量，并指出電池產熱組成包括不可逆熱、可逆熱、混合焓與相變焓四部分。如果對產熱量不大的后兩項忽略，即可簡化產熱方程：在此公式中，Q表示電池總產熱率，單位為W;I表示電池工作電流，單位為A;Eeq表示電池平衡電動勢，單位為V;V表示電池外電路端電壓，單位為V;T表示電池溫度，單位為K。根據公式內容可知，等號右側的第一項達標了電池焦耳熱，即不可逆熱，計算需參考電池歐姆內阻與極化內阻分壓作用，進而對其等效內阻公式進行定義。而等號右側第二項代表電池熵熱，即可逆熱。在公式中，dEeq/dT表示電池熵熱系數，具體則代表了電池平衡電動勢在溫度改變下的變化率。

通常情況下，鋰離子電池極化主要組成包括濃差極化、歐姆極化與電化學極化。以恒電流間歇放電方法為參考測定電池內阻，電流設定工況與電壓響應曲線可通過圖1表示出來。

在電池放電電流被切斷后，其電壓會從V瞬時向U1回彈，隨后電壓的回彈速度減慢，最終在回彈到平衡電動勢后不會再次發生改變。而電池電壓回彈的情況一般被認為和電池工作狀態下內阻分壓有關。而具有回彈電壓特性的原因就是鋰離子電池三部分極化響應時間不同。

根據上述計算公式了解到，電池不可逆熱和電流之間存在二次方的關系，可逆熱和電池之間則存在線性關系。為此，在電池處于高倍率放電狀態下，其可逆熱比不可逆熱要小，因而可忽略計算。而在電池處于低倍率放電的狀態下，可逆熱不允許忽略。在測定電池不可逆熱方面，需要以定義為參考，調整其SOC到待檢測數值，于不同環境溫度條件的溫箱內放置，并對電池平衡電動勢進行測定。隨后，以不同溫度條件下的電池平衡電動勢變化率為依據完成計算。而根據以上實驗了解到，電池的放電倍率、環境溫度、SOH、持續放電時間以及SOC均會影響其等效內阻，但熵熱系數則和SOC存在一定關聯。

2 ?電池熱管理系統研究現狀

電池熱管理系統為表面包裝結構系統，能夠結合溫度影響鋰離子電池整體性能的程度，根據電池最佳使用溫區和產熱機理，在設計與驗證的基礎上，綜合電子電器學、仿生結構材料結構學、熱化學與傳熱學等多個學科，可對高/低溫工作條件下的鋰離子電池存在的熱失控、熱失效、熱不均等問題加以解決，以確保電池整體性能提升。此系統的功能主要包括散熱、溫度均衡與預熱三種，其中的預熱與散熱功能負責調整外部環境溫度對于電池容易引起的影響，而溫度均衡功能在電池組內溫度差異減小方面的作用顯著，能夠有效避免某部分鋰離子電池溫度過高所引起的性能衰減問題發生[2]?，F階段，鋰離子電池比能量在200-400W·h/kg，而循環壽命則超過2000次，可與電動汽車相對于蓄電量運行需求滿足。而鋰離子電池使用時間、蓄電量與安全性均和鋰離子電池工作溫度存在直接關聯，所以熱管理系統的有效性設計十分關鍵，以更好地管控鋰離子溫度。

3 ?電動汽車用鋰離子電池熱管理系統分析

3.1 冷空式鋰離子電池熱管理系統

電動汽車最早使用的鋰離子電池熱管理系統就是冷空式，結構相對簡單且成本也最少。此類型系統通過對風扇亦或是風道形式控制空氣，使其在鋰離子電池周圍流動，進而達到其所產生熱量轉移的目的。相關研究項目對不同鋰離子電池板布局進行了研究，并且指出在鋰離子電池水平布置氣流路徑比垂直布置小的情況下，風冷鋰離子電池組散熱效果會更高?？赏ㄟ^布置雙U型風管使鋰離子電池組換熱性能得到改善。此外，有學者選擇數值仿真方式對不同空氣流行設計條件下對于特定鋰離子電池布局產生的影響展開了分析，指出將能夠減壓的錐形管匯放置于風冷組件通風口當中可增強冷卻的效果，且風扇能源消耗量由47W降低到27W。研究中選擇雙向往復氣流組織能夠與鋰離子電池均衡散熱需求相吻合，也有學者選用AC-BTMS展開研究，但難以使溫度為66攝氏度的鋰離子電池下降至低于52攝氏度。當工作條件是45攝氏度且放電倍率為6.67C的情況下，選擇AC-BTMS對型號為18650的鋰離子電池進行研究可知，不管空氣流速如何變化，都不能使溫度下降到55攝氏度以下。而對AC-BTMS使用過程中，需借助管線、大體積風機以及換熱器等多種附件擴大散熱結構的體積，使鋰離子電池包體積能量密度下降。

3.2 以相變材料為基礎的鋰離子電池熱管理系統

基于相變材料的鋰離子電池熱管理系統也被稱作PCM-BTMS。PCM指的就是在工況特定的情況下能夠相變的材料，在相變狀態下會出現潛熱吸收或者是釋放的情況，因材料本身溫度的波動小亦或是特性不改變，所以零能量消耗的蓄熱能力較強。有學者在仿真中證實鋰離子電池被動式熱管理系統中使用PCM可行。在高溫狀態下，PCM會對電池熱量吸收并且轉化成潛熱，同時儲存能量。而在低溫狀態下，PCM可對鋰離子電池放熱而使其被加熱。此外，研究中在大功率鋰離子電池處于6.7C放電的條件下，對PCM-BTMS、主動AC-BTMS冷卻的效果進行分析，在電池工作的溫度為40攝氏度的情況下，主動AC-BTMS會失效，但PCM-BTMS卻能夠始終確保電池在溫度為55攝氏度的條件下運行狀態正常。在相關研究中也指出，單一選擇PCM-BTMS冷卻的情況下，電池所產生熱量難以向外界環境轉移。而在相變期間，PCM體積會改變，所以實際運用期間要對材料的力學性能和屬性進行系統考慮，并對成本和容易出現的漏液問題展開分析，所以電動汽車選擇使用基于PCM-BTMS的大尺寸動力鋰離子電池組的推廣效果并不明顯。

3.3 液冷式鋰離子電池熱管理系統

此系統簡稱是LC-BTMS，也是當前電動汽車中鋰離子電池換熱方式可靠性最強的一種，一般含括常規型與微尺度型。其中，常規型鋰離子電池熱管理系統細分為間冷式與直冷式。間冷式鋰離子電池熱管理系統主要是鋰離子電池模組周邊圍繞液體管道、冷板或者是冷卻護套，使液體冷卻劑在流通的狀態下實現間接換熱。而硅基油、去離子水、礦物油、乙二醇、丙酮與聚硅酮等是最常見的換熱介質。液體流動狀態、熱導率、粘度與流速等會直接影響最終的冷卻效果。而直冷式鋰離子電池熱管理系統則能夠實現制冷劑和鋰離子電池模組的直接換熱，以丙酮和礦物油等為主要換熱介質。該系統溫度均衡且溫差不超過1攝氏度。被動式鋰離子電池熱管理系統指的就是冷卻液體和外界空氣能夠實現直接熱量交換，而和電動汽車制冷裝置實現換熱的是主動式鋰離子電池熱管理系統。較之于風冷形式，液體冷卻的換熱系數更高，吸引力極強。相關研究中，對強制空氣冷卻、直接液體冷卻、翅片冷卻以及間接液體冷卻形式的熱工性能展開了研究，并且了解到，空氣冷卻的電量消耗為其他方式2-3倍。較之于直接冷卻，間接冷卻的可行性更強。以特斯拉電動槍汽車為例，其車載液冷式鋰離子電池熱管理系統選擇比例為1：1的乙二醇/水溶液，在科學設計結構并選用維護保養策略的基礎上，增強了市場的好評率且備受消費者認可[3]。

3.4 以微通道為基礎的鋰離子電池熱管理系統

在電動汽車普及使用鋰離子電池的背景下，其集成化和高密度化特征逐漸凸顯出來，而單位體積產熱量顯著增加，原有換熱形式和介質難以與鋰離子電池工況相適應。因電動汽車空間尺寸較小，其對于微型鋰離子電池熱管理系統的需求逐漸增加，需保證電動電池有效散熱間隙下降到2-3毫米。長期以來所使用的散熱裝置主要由直徑5-10毫米的圓形管和大尺寸散熱組件組成，但難以與現代鋰離子電池熱管理系統設計要求吻合，所以在對系統高換熱量和占用空間問題解決的過程中，應選擇微通道散熱技術，其具有良好換熱性能且水力直徑小、質量輕，優勢明顯。

所謂微通道熱管，具體指的就是微尺度條件經加工制作形成的熱管。有研究指出，選擇微熱管冷卻板研究鋰離子電池組快速充電條件的熱性能，發現充電倍率是8C的情況下，采用多種冷卻控制方式對鋰離子電池熱管理系統進行設計，其散熱性均理想。此外有學者認為，在鋰離子電池熱管理系統中選擇使用扁平超薄為熱管，同時設計結構尺寸、相變工質、材料和充液量，選擇極端條件研究系統散熱性能與加熱性能，發現單體電池生熱率低于10W的情況下表面溫度低于40攝氏度，而生熱率處于20-40W的情況下，表面溫度低于55攝氏度，溫差最大未超出3攝氏度。

微通道液冷換熱能夠使鋰離子電池在溫區運行，在微通道、平板數量、進口流量增加的情況下，微通道換熱器所具備的換熱性能會得以優化，而管道長度和流速增加會增大溫差。選擇使用制冷劑微通道換熱器，開發微通道蒸發器的難度要大于微通道冷凝器，在微通道被當做蒸發器實際使用過程中，扁管內制冷劑的分配會出現失衡的情況，進而引發供液過多亦或是干蒸的情況，直接影響系統運行效果，為此需選用最佳中溫載冷劑。

4 ?結束語

綜上所述，根據上述研究分析發現，以微熱管、微通道和微通道冷板為基礎的鋰離子電池熱管理系統，其換熱性能和空間性能優于常規形式（空冷、液冷、相變材料等），但由于不同微尺度類型的鋰離子電池熱管理系統結構復雜，研究中對其換熱細節、微通道強化的研究并不深入和全面，所以仍需在后期研究中將重點集中于強化換熱、強化結構體力學強度與換熱動態特性等方面，以不斷改進系統，增強其環保與節約特性，減少系統使用成本、提高其熱效率。

參考文獻：

[1]沈云飛，程俊偉，王健.電動汽車鋰離子蓄電池包熱管理系統中相變材料的應用研究[J].上海汽車，2011（11）：3-6.

[2]楊世春，周思達，張玉龍，等.車用鋰離子電池直冷熱管理系統用冷媒研究進展[J].北京航空航天大學學報，2019，45（11）：2123-2132.

[3]雷治國，張承寧，雷學國，等.電動汽車用鋰離子電池熱特性和熱模型研究[J].電工電能新技術，2015，34（12）：59-64.