電動(dòng)汽車動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)研究
動(dòng)力電池是電動(dòng)汽車的主要部件，電池熱管理技術(shù)是動(dòng)力電池發(fā)展的重要制約因素。動(dòng)力電池在工作過程中會(huì)不斷產(chǎn)生熱量，為避免熱量堆積造成熱失控，需要合適的熱管理系統(tǒng)給電池散熱。高效的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)通過對(duì)鋰離子電池進(jìn)行熱管理而提高電池的運(yùn)行效率，并提高電池的安全性、可靠性，減緩電池的老化率，延長(zhǎng)使用壽命等。本文介紹了鋰離子電池的熱模型，分析了鋰離子電池的生熱機(jī)理、熱模型以及高溫對(duì)電池的影響，討論了空氣冷卻系統(tǒng)、液體冷卻系統(tǒng)、相變材料及耦合冷卻系統(tǒng)的工作原理、冷卻效果及其優(yōu)缺點(diǎn)，展望了各種熱管理系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，分析指出多種冷卻技術(shù)耦合的熱管理系統(tǒng)可以達(dá)到更好的冷卻效果，有望將成為未來研究的重點(diǎn)方向。
1.引言
由于鋰離子電池具有較高的能量密度，較高的放電電壓，較低的自放電率，較長(zhǎng)的循環(huán)壽命和沒有記憶效應(yīng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，鋰離子電池被廣泛應(yīng)用于新能源電動(dòng)汽車。目前，在新能源汽車領(lǐng)域?qū)︿囯x子電池的研究越來越廣泛，而鋰離子電池的可靠性、安全性、使用壽命、成本等都在不同程度上決定電動(dòng)汽車的發(fā)展。
研究表明，鋰離子電池的性能對(duì)工作環(huán)境溫度非常敏感，鋰離子電池可安全工作的溫度范圍為?10℃~50℃，最佳工作溫度為25℃，且最大工作溫差不應(yīng)高于5℃。在低溫環(huán)境下電池的活性會(huì)降低，導(dǎo)致電池容量減少；在高溫環(huán)境下電池的生熱反應(yīng)加劇，因此增大了熱失控的風(fēng)險(xiǎn)?？梢姌O端溫度都會(huì)對(duì)電池造成不可逆的損害，例如會(huì)降低電池的循環(huán)次數(shù)和壽命等。有研究稱，電池工作溫度范圍在30℃~40℃時(shí)，每升高1℃，電池的壽命就會(huì)減少大約兩個(gè)月。
為了保證電池在合理的溫度范圍內(nèi)工作，降低由于溫度失控而導(dǎo)致的電池?fù)p壞或爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)(Battery Thermal Management System, BTMS)應(yīng)運(yùn)而生。BTMS 通過調(diào)控冷卻介質(zhì)的流動(dòng)布置或流動(dòng)特性控制電池溫度，保證電池溫度在合理范圍內(nèi)波動(dòng)，從而使得電池工作效率更高，性能更穩(wěn)定。隨著新能源汽車的不斷發(fā)展，電池作為制約其發(fā)展的核心因素，對(duì)高效電池控溫技術(shù)的需求也越來越迫切，BTMS 也受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。本文基于當(dāng)前電池?zé)峁芾砑夹g(shù)研究進(jìn)展和應(yīng)用實(shí)例，對(duì)當(dāng)前常用的鋰離子電池模型、熱管理系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)述和探討，對(duì)比分析現(xiàn)有技術(shù)模型的優(yōu)缺點(diǎn)，旨在展望鋰離子電池未來的研究方向及趨勢(shì)，為鋰離子電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的優(yōu)化方案提供理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。
2.鋰離子電池生熱原理及模型
2.1. 鋰離子電池的生熱機(jī)理
鋰離子電池在充放電過程中會(huì)發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)，這些化學(xué)反應(yīng)大多伴隨著熱量的產(chǎn)生，其主要生熱反應(yīng)包括 SEI 膜的分解、電解液的分解、正極的分解、負(fù)極與電解液的反應(yīng)、正極與電解液的反應(yīng)以及電池內(nèi)阻產(chǎn)生的焦耳熱和極化熱等。
鋰離子電池的負(fù)極有一層 SEI 膜，其具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，不與電解液發(fā)生反應(yīng)，可以保護(hù)負(fù)極避免與電解液發(fā)生反應(yīng)，并且允許電解液中的鋰離子通過。當(dāng)溫度達(dá)到80℃~120℃時(shí)，SEI 膜便會(huì)發(fā)生分解反應(yīng)，此時(shí) SEI 膜將無法保護(hù)負(fù)極，負(fù)極材料與電解液發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生熱量。隨著溫度進(jìn)一步升高，SEI 膜熔斷、正負(fù)極短路、正極材料分解等相繼的反應(yīng)都會(huì)產(chǎn)生大量熱量，最終導(dǎo)致電池的燃燒甚至爆炸。
2.2. 鋰離子電池?zé)崮Ｐ?nbsp;
Bernardi 等人于 1985 年根據(jù)電池內(nèi)部產(chǎn)熱均勻的假設(shè)提出了電池發(fā)熱功率計(jì)算公式，是目前用于鋰離子電池生熱計(jì)算使用最廣泛的公式之一，其表達(dá)式為：
式中：E 為電池在平衡狀態(tài)下的開路電壓；U 為實(shí)際工作電壓；I 為工作電流，充電取正，放電取負(fù)；T為電池溫度；dE/dT為電池電壓隨溫度變化的關(guān)系；E ? U = IR，R 為電池總內(nèi)阻。
在正常的充放電過程中，可以忽略物質(zhì)混合引起的混合熱，只需計(jì)算不可逆內(nèi)阻熱和可逆熵?zé)?，因?Bernardi 模型可以簡(jiǎn)化為：
研究表明，鋰離子電池在充放電過程中，可逆熱和不可逆熱占絕大部分，模擬溫度與實(shí)驗(yàn)溫度的誤差極小，在可接受范圍內(nèi)。因此在正常充放電條件下，計(jì)算鋰離子電池發(fā)熱功率可以直接采用簡(jiǎn)化的模型。
2.3. 高溫對(duì)鋰離子電池工作性能的影響
鋰離子電池在高溫環(huán)境下工作會(huì)加劇電化學(xué)反應(yīng)速率，電子轉(zhuǎn)移速度比鋰離子擴(kuò)散速度快，使得電池正極容納的鋰離子越來越少，這是電池容量衰減的根本原因。在溫度高于50℃環(huán)境下進(jìn)行充放電循環(huán)會(huì)損傷電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)、降低電池性能、減少電池使用壽命。過高的溫度將會(huì)降低電池的安全性、充放電功率，并且會(huì)增大電池?zé)崾Э氐娘L(fēng)險(xiǎn)，甚至引起電池著火或者爆炸。
此外，從電池單體、電池模塊和電池組的水平來評(píng)估電池溫度的均勻性是確保電池高效工作的另一個(gè)關(guān)鍵問題。如果電極附近的溫度高于電池其他位置的溫度，這種不均勻的溫度分布將導(dǎo)致電化學(xué)反應(yīng)速率不均勻，最終降低電池性能并且縮短電池循環(huán)壽命。
在沒有任何熱管理措施的情況下以4C 倍率放電不到 420 s，鋰離子電池單體的最高溫度超過了 70℃，最大溫差高達(dá) 45℃。在這樣的溫度環(huán)境下不僅電池的性能會(huì)大幅下降，損害電池健康度，還有極大的熱失控風(fēng)險(xiǎn)，這對(duì)行車安全帶來了極大的潛在威脅，因此需要合理的熱管理系統(tǒng)來降低電池最高溫度和最大溫差，將電池維持在合適的溫度范圍內(nèi)。
3.電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)
合理的 BTMS 可以有效地降低電池最高溫度，提高電池溫度均勻性，從而延長(zhǎng)電池的使用壽命、提高電池的安全性。因此，電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的研究對(duì)于保障電動(dòng)汽車的安全性具有十分重要的意義。目前國(guó)內(nèi)外廣泛研究的熱管理系統(tǒng)包括空氣冷卻系統(tǒng)、液體冷卻系統(tǒng)、相變材料冷卻以及復(fù)合冷卻系統(tǒng)等，下面將詳細(xì)闡述各種熱管理系統(tǒng)的工作原理及其優(yōu)缺點(diǎn)。
3.1. 空氣冷卻系統(tǒng)
以空氣為介質(zhì)橫掠電池組，可以帶走電池產(chǎn)生的熱量，這種冷卻方式稱為空氣冷卻系統(tǒng)。根據(jù)空氣流動(dòng)的成因，可以將其分為自然冷卻和強(qiáng)制冷卻兩種方式。自然冷卻即在車輛運(yùn)行過程中，電池周圍的空氣與電池組對(duì)流換熱實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的冷卻目的；強(qiáng)制冷卻通過增設(shè)的風(fēng)機(jī)讓空氣產(chǎn)生流速來冷卻電池，其原理如圖 1 所示。由于自然冷卻的換熱系數(shù)較低，無法滿足電池在高放電倍率下的散熱需求，因此空氣冷卻系統(tǒng)的相關(guān)研究以強(qiáng)制冷卻為主?？諝饫鋮s系統(tǒng)作為一種傳統(tǒng)的冷卻技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、沒有漏液的風(fēng)險(xiǎn)、成本低等優(yōu)點(diǎn)，技術(shù)相對(duì)較成熟，在市場(chǎng)上已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。
圖1. 強(qiáng)制空氣冷卻系統(tǒng)原理圖
隨著鋰離子電池技術(shù)的進(jìn)步，電池能量密度不斷增大，不少空冷系統(tǒng)的研究從空氣流量、電池排布和流道設(shè)計(jì)等方面進(jìn)一步優(yōu)化其冷卻性能。專家利用 32 個(gè)高能量密度鋰離子電池，通過順排、錯(cuò)排和叉排三種排布方式(如圖2 所示)來比較空冷系統(tǒng)的冷卻性能，研究結(jié)果表明順排具有最佳的冷卻效果。專家分別研究了 U 型和 Z 型流道的冷卻性能，兩種流道的結(jié)構(gòu)如圖 3(a)和圖 3(b)所示，發(fā)現(xiàn)圖 3(a)情況右側(cè)的電池溫度偏高，圖 3(b)情況對(duì)于維持電池溫度均勻性具有更顯著的效果。僅對(duì)空冷系統(tǒng)的局部進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)很難達(dá)到動(dòng)力電池的散熱需求，而強(qiáng)制空氣冷卻的系統(tǒng)核心是通過引入風(fēng)機(jī)制造空氣流速。專家采用 Z 型流道，將無級(jí)變速風(fēng)機(jī)對(duì)稱布置在電池包底部進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究結(jié)果表明此裝置能夠?qū)㈦姵販囟瓤刂圃?55℃以內(nèi)，且最大溫差低于5℃。但是風(fēng)機(jī)勢(shì)必會(huì)增大電池的能耗，當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速不斷提高時(shí)，電池的冷卻效果逐漸減緩，因此應(yīng)該合理選擇風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。
圖2. 電池的三種排布方式
圖3. 兩種流道結(jié)構(gòu)
熱管(HP)具有超高的導(dǎo)熱系數(shù)，在強(qiáng)制空冷系統(tǒng)中合理運(yùn)用熱管可以進(jìn)一步強(qiáng)化其冷卻性能。專家利用電動(dòng)汽車空冷系統(tǒng)和熱管耦合的熱管理技術(shù)，電池采用順排布置，熱管蒸發(fā)段延伸出來的銅片與電池接觸，冷凝段置于空氣中，進(jìn)行放電實(shí)驗(yàn)。研究結(jié)果表明此冷卻系統(tǒng)可以將電池最高溫度控
制在 37.1℃左右，與自然冷卻相比電池最高溫度降低了 27.7℃，溫度均勻性提高了 73.4%。顯然該冷卻系統(tǒng)可以起到更顯著的散熱效果，主要原因是一方面銅片可以強(qiáng)化電池與熱管的熱交換，另一方面是熱管可以強(qiáng)化與空氣的對(duì)流換熱。
空氣的熱容量較低，傳熱系數(shù)小，并且需要占用較大空間，空冷系統(tǒng)在如今的電動(dòng)汽車市場(chǎng)已經(jīng)鮮有應(yīng)用，但是上述經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)的空冷系統(tǒng)依然可以表現(xiàn)出不錯(cuò)的冷卻效果，并且空冷系統(tǒng)所具備的優(yōu)勢(shì)無可替代。因此，將空冷系統(tǒng)合理的與其他冷卻技術(shù)耦合強(qiáng)化冷卻性能的同時(shí)依然可以發(fā)揮空冷的優(yōu)勢(shì)，例如在后面即將介紹的將空氣冷卻與液體冷卻耦合的 BTMS 以及將空氣與相變材料耦合的 BTMS，都可以在很大程度上提高電池散熱效果。
3.2. 液體冷卻系統(tǒng)
隨著電池能量密度、放電倍率的增大，空氣冷卻已經(jīng)越來越無法滿足此類電池的熱管理需求。相比于空氣，液體具有更高的熱容量，質(zhì)量流量和導(dǎo)熱系數(shù)。液體冷卻系統(tǒng)可以在更大程度上對(duì)電池進(jìn)行降溫，保持電池更佳的溫度均勻性，因此液體冷卻系統(tǒng)是如今大多數(shù)新能源電動(dòng)汽車所采用的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)。按照電池表面是否與冷卻液接觸，可分為直接接觸式和間接接觸式冷卻系統(tǒng)。
3.2.1. 直接接觸式液冷系統(tǒng)
在直接接觸式液冷系統(tǒng)中，電池組與絕緣液體(如礦物油)直接接觸，其中礦物油的傳熱系數(shù)是空氣的 4 倍，因此電池組具有更優(yōu)越的換熱條件，并且此系統(tǒng)具有更緊湊空間結(jié)構(gòu)。由于絕緣液體黏度大，流速不高，其換熱系數(shù)受到限制，而納米顆粒具有更高的換熱性能，將其作為冷卻液可以進(jìn)一步提高換熱系數(shù)。專家將圓柱形電池浸入 Al2O3-水納米流體中，與水基系統(tǒng)相比，平均最高溫度可降低 7%。
直接接觸式面臨的最大挑戰(zhàn)是液體泄漏問題，如果電池沒有嚴(yán)格的密封結(jié)構(gòu)，很容易出現(xiàn)安全性問題。而間接接觸式冷卻系統(tǒng)可以很好的解決這一問題。
3.2.2. 間接接觸式液冷系統(tǒng)
間接接觸式冷卻系統(tǒng)的冷卻液不與電池直接接觸，通常將冷卻液在冷卻板內(nèi)流動(dòng)的結(jié)構(gòu)作為冷卻系統(tǒng)。這種冷卻方式都配備了泵給冷卻液提供動(dòng)力，因此勢(shì)必增大了電池的能耗。冷卻板通常為扁平金屬板，并且其布置的位置各不相同，可以嵌入電池單體、可以?shī)A在電池中間、可以布置在電池模組兩側(cè)、也可以布置在電池組的底部。此時(shí)液冷板的材料、冷卻液的流量、流道形狀等都會(huì)對(duì)冷卻效果造成不可忽略的影響。
二氧化硅具有高導(dǎo)熱性，專家利用二氧化硅作為冷卻板材料，構(gòu)造硅板–液體耦合冷卻板(SLCP)進(jìn)行模擬，其模型結(jié)構(gòu)如圖 4 所示。研究結(jié)果表明，使用該冷卻板的電池最高溫度為 61℃左右，比不帶冷卻板低 16%，并且溫度均勻性也得到了提高。當(dāng)添加4 mL/s 的水流速時(shí)，電池最高溫度可以降低到48.7℃，但是流速超過 4 mL/s 時(shí)，對(duì)溫度的影響并不明顯。說明具有高導(dǎo)熱的冷卻板材料可以在一定程度上起到優(yōu)化冷卻的效果，并且適當(dāng)添加冷卻液流速則可以顯著降低電池溫度。此外，冷卻流道形狀對(duì)冷卻性能具有類似的效果。研究發(fā)現(xiàn)并聯(lián)流道比串聯(lián)流道具有更好的冷卻效果，兩種流道結(jié)構(gòu)如圖 5 所示。在其他條件相同的情況下，并聯(lián)流道冷卻系統(tǒng)的電池最高溫度和最大溫差分別為 37.67℃和5.76℃，比串聯(lián)流道分別低 7.55℃和6.74℃。
圖4. 硅板–液體耦合冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
圖5. 串聯(lián)和并聯(lián)流道結(jié)構(gòu)
對(duì)傳統(tǒng)液冷系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化表現(xiàn)出了十分優(yōu)越的冷卻性能，隨著液冷系統(tǒng)研究的不斷推進(jìn)，新型液冷系統(tǒng)的提出為此方向提出了更豐富的研究思路。專家提出了一種集成了微通道液冷和空冷的復(fù)合冷卻系統(tǒng)，模型結(jié)構(gòu)如圖 6 所示。研究結(jié)果表明微通道液冷板可以分別將電池最高溫度和最大溫差控制在 33℃和 7℃以下；添加 4 m/s 的空氣流速可以進(jìn)一步分別將電池最高溫度和最大溫差降低到 30℃和 4℃以內(nèi)，但流速越高對(duì)降溫效果越不明顯。微通道冷卻板具有更顯著的冷卻效果，并且在空冷結(jié)構(gòu)的輔助下，耦合冷卻系統(tǒng)可以將電池溫度維持在更適宜的溫度范圍內(nèi)。
圖6. 空冷液冷復(fù)合冷卻模型
此外，液態(tài)金屬作為一種超高導(dǎo)熱系數(shù)的流體，引起了研究者的注意。將液態(tài)金屬應(yīng)用于 BTMS，可以增強(qiáng)冷卻板與冷卻液的對(duì)流換熱，這種新型熱管理系統(tǒng)具有更高的熱性能，并且具有更好的防凍效果。由于液態(tài)金屬只能與鎳或者銅混合，價(jià)格昂貴，因此在成本、重量、維護(hù)、防腐蝕和泄漏等問題還有待進(jìn)一步的研究。
3.3. 相變材料及耦合冷卻系統(tǒng)
相變材料(PCM)在相變過程中可以吸收大量的熱量，并且保持較小的溫度變化，基于 PCM 的BTMS 具有高效的冷卻性能，可以維持電池的溫度相對(duì)恒定。固–液相變的PCM 在多種領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，例如在空間領(lǐng)域、電子設(shè)備和儲(chǔ)能裝置中用作保護(hù)系統(tǒng)。在相變材料冷卻系統(tǒng)中，通常將電池浸入 PCM，電池與 PCM 充分接觸可以強(qiáng)化換熱，有效地降低電池最高溫度和最大溫差。相比空冷和液冷系統(tǒng)，PCM 冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、能耗低、適用于多種工況。
PCM 的物理性質(zhì)對(duì)系統(tǒng)的冷卻效果有著重要的影響，因此對(duì)于 PCM 的選擇具有較高的要求，例如需要考慮以下因素：
1) 合適的相變溫度；
2) 材料熱容量大、潛熱值高；
3) 相變過程中體積的變化情況；
4) 化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、無毒、不易燃；
5) 易獲取、價(jià)格低廉。
根據(jù) PCM 的使用環(huán)境，相變溫度為 30~50℃較為適宜，石蠟具有高比熱、高潛熱值以及合適的相變溫度等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用作研究的對(duì)象。但是單純的 PCM 存在導(dǎo)熱系數(shù)較低的缺點(diǎn)，其物性參數(shù)如表 1 所示。
表1. 一般石蠟的物性參數(shù)
為了克服 PCM 導(dǎo)熱系數(shù)低這一缺點(diǎn)，已經(jīng)有不少研究者提出了解決的方案。在PCM 中添加金屬材料可以增強(qiáng)導(dǎo)熱，大多數(shù)金屬材料都具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)。專家提出一種將石蠟浸入泡沫銅的復(fù)合結(jié)構(gòu)，可以將電池溫度維持在 60℃以下長(zhǎng)達(dá) 33 分鐘，而同等情況下的自然對(duì)流換熱系統(tǒng)僅可以維持5 分鐘。專家提出了一種將豎直翅片和圓形翅片組合在一起的優(yōu)化模塊，研究發(fā)現(xiàn)在電池周圍合理布置翅片數(shù)量和位置，循環(huán)實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出良好的冷卻性能和溫度均勻性。此外，還可以利用碳材料來強(qiáng)化PCM 的導(dǎo)熱系數(shù)，如膨脹石墨。碳材料具有很強(qiáng)的耐腐蝕性和耐化學(xué)性，具有高導(dǎo)熱率和較低的密度。將膨脹石墨加入PCM作為復(fù)合相變材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究結(jié)果表明，與風(fēng)冷系統(tǒng)相比，基于 PCM 的 BTMS 可以將電池的溫差從 3℃降低到 0.2℃。一種二元導(dǎo)熱骨架，利用多孔膨脹石墨吸附石蠟作為導(dǎo)熱框架，然后將熱量傳遞到泡沫銅骨架上。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在 5C 放電倍率下，電池最高溫度為 54.7℃，比添加單一強(qiáng)化導(dǎo)熱材料的冷卻系統(tǒng)低 5℃。
PCM 的厚度、接觸面積等參數(shù)對(duì)PCM 的冷卻效果影響也很大。Jiltea 專家研究了不同的 PCM 厚度對(duì)溫度的影響，發(fā)現(xiàn)3 mm 厚的 PCM 狀態(tài)最佳，可以將電池最高溫度降低到32℃。如果相變材料厚度過高會(huì)導(dǎo)致電池的熱量無法及時(shí)釋放到環(huán)境中，并可能由于蓄熱和過熱而導(dǎo)致熱危害。一般的 PCM冷卻系統(tǒng)由于蓄熱能力有限，在電池長(zhǎng)時(shí)間放電的情況下無法將電池溫度維持在合適的范圍內(nèi)。
因此，有不少研究提出將 PCM 與其他冷卻方式耦合的冷卻系統(tǒng)方案。利用 HP 的高導(dǎo)熱性能，將膨脹石墨浸入石蠟中作為相變材料板(PCMP)，建立如圖7 的模型，石蠟/膨脹石墨材料的物性參數(shù)如表2 所示。HP 用作導(dǎo)熱體，可以進(jìn)一步提高復(fù)合材料的導(dǎo)熱率。研究結(jié)果表明，在高放電倍率下，熱管輔助相變材料板(HP-PCMP)可以表現(xiàn)出良好的散熱性能，電池最高溫度為 50.9℃，相比于無 PCM，最高溫度降低了 12.2℃。加入 1 m/s 的空氣流速時(shí)，最高溫度降低至 49.4℃，但是進(jìn)一步增加空氣流速時(shí)，溫度降低的不明顯。電池與PCM分離的結(jié)構(gòu)，電池產(chǎn)生的熱量通過熱管傳遞到PCM，PCM 另一端連接大量翅片，并且在側(cè)面設(shè)有一個(gè)風(fēng)機(jī)，保證產(chǎn)生流速的空氣可以橫掠翅片。當(dāng) PCM 完全融化時(shí)啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，強(qiáng)化對(duì)流換熱，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)可以將電池溫度控制在45℃以內(nèi)。一種利用熱管和水噴霧裝置耦合的 BTMS，熱管插入電池周圍的 PCM 中。該系統(tǒng)先利用 PCM 進(jìn)行吸熱，當(dāng) PCM 全部融化并且電池溫度升高到 40℃時(shí)，將開始對(duì)熱管進(jìn)行噴霧冷卻。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在1.92C 的放電倍率下，電池的最高溫度和最大溫差分別為 47.9℃和 2.6℃。噴霧比空氣具有更高的熱容量和導(dǎo)熱系數(shù)，在維持溫度均勻性上具有更顯著的效果。一種 PCM 和液體冷卻耦合的BTMS 模型，在電池和 PCM 結(jié)構(gòu)底部配備液體流道，并且通過熱柱強(qiáng)化 PCM 和冷卻液的換熱。將該冷卻系統(tǒng)與一般液冷系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比研究，結(jié)果表明，在不同環(huán)境溫度下，耦合冷卻系統(tǒng)均表現(xiàn)出更好的冷卻效果，并且環(huán)境溫度越高，耦合冷卻系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)越明顯。
表2. 石蠟/膨脹石墨物性參數(shù)
圖7. 模型結(jié)構(gòu)
PCM 冷卻系統(tǒng)可以增強(qiáng)鋰離子電池的可靠性、安全性、冷卻性能，延長(zhǎng)電池的使用壽命等。相比一般的 PCM 冷卻系統(tǒng)，耦合系統(tǒng)可以進(jìn)一步提高其冷卻性能和電池溫度均勻性，并且可以更長(zhǎng)時(shí)間將電池維持在安全溫度范圍內(nèi)，是一種行之有效并且可以深入研究的一種冷卻系統(tǒng)。但是，耦合系統(tǒng)的復(fù)雜性和生產(chǎn)成本比較高，在實(shí)際應(yīng)用環(huán)節(jié)還有許多細(xì)節(jié)需要考慮。專家研究了電動(dòng)汽車震動(dòng)對(duì)電池散熱的影響，結(jié)果表明，震動(dòng)對(duì)固相 PCM 的影響不明顯；而在液相時(shí)，電動(dòng)汽車震動(dòng)頻率和幅度都會(huì)對(duì)溫升都會(huì)產(chǎn)生不可忽略的影響。
4.總結(jié)與展望
鋰離子電池的性能對(duì)溫度非常敏感，需要對(duì)鋰離子電池進(jìn)行合理的熱管理設(shè)計(jì)才能最大程度的發(fā)揮電池性能。電池在充放電過程中產(chǎn)生的熱量不斷堆積，當(dāng)電池溫度過高時(shí)需要通過熱管理系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行冷卻降溫，以保證電池在工作過程中時(shí)刻處于適宜的溫度，否則會(huì)對(duì)電池的容量、性能和壽命等造成損害。在常用的電池冷卻系統(tǒng)中，空氣冷卻系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是空氣的熱容量較低，傳熱系數(shù)較小，并且占用較大空間，無法滿足大容量鋰離子電池組的散熱需求；液體冷卻系統(tǒng)具有較高熱容量、質(zhì)量流量和導(dǎo)熱系數(shù)，缺點(diǎn)是系統(tǒng)較復(fù)雜，自身重量較大，并存在泄漏的風(fēng)險(xiǎn)；基于 PCM 的冷卻系統(tǒng)，可有效提高鋰離子電池的可靠性、安全性和壽命等性能，缺點(diǎn)是PCM 導(dǎo)熱系數(shù)較低，但是在 PCM 中添加泡沫銅或其它高導(dǎo)熱材料可以讓 PCM 冷卻系統(tǒng)發(fā)揮更好的冷卻效果。此外，基于 PCM 的耦合冷卻系統(tǒng)在最高溫度和溫度均勻性的控制上都有非常優(yōu)異的表現(xiàn)。雖然耦合系統(tǒng)更復(fù)雜并且成本更高，但是基于 PCM 的耦合冷卻系統(tǒng)仍然值得在未來進(jìn)行更深入的研究。
動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)不僅需要考慮其冷卻性能，同時(shí)還需要考慮其成本、安全性、可靠性以及易用性等，只有具有良好綜合性能的熱管理系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用。隨著大容量、大功率、高能量密度電池的發(fā)展，以及對(duì)極端氣溫條件下電動(dòng)汽車工作性能的關(guān)注，單一的熱管理系統(tǒng)已經(jīng)很難滿足動(dòng)力電池的熱管理需求，研究基于多種熱管理方法的耦合系統(tǒng)有望成為未來的一種趨勢(shì)。
本文標(biāo)題：電動(dòng)汽車動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)研究
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