純電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾砑夹g(shù)研究

賈明正　李雪麗　趙志豪

摘 要：隨著新能源汽車的快速發(fā)展，電動(dòng)汽車愈來愈受到人們的青睞，人們對(duì)電池?zé)峁芾砑夹g(shù)的改進(jìn)也越來越深入。為了讓更多的人了解電池?zé)峁芾砑夹g(shù)，給后期欲從事電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)研究者提供參考，本文就幾種常用電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的基本原理、優(yōu)缺點(diǎn)及其研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析總結(jié)。

關(guān)鍵詞：純電動(dòng)汽車 電池?zé)峁芾?冷卻

電動(dòng)汽車作為新能源汽車主要類型之一，其銷量也在逐年上升。但續(xù)駛里程短、充電時(shí)間長以及偶有發(fā)生的電動(dòng)汽車自燃、起火事故等一直廣為詬病。針對(duì)這些問題，業(yè)界人士提出：一是要大力研發(fā)能量密度更高、可以快速充放電、使用更加安全的電池;二是要提高電池的管理技術(shù)和管理手段，構(gòu)建一個(gè)更加科學(xué)、完善的電池管理系統(tǒng)，更好發(fā)揮電池的性能。

在電動(dòng)汽車電池管理當(dāng)中，熱管理系統(tǒng)是電池管理系統(tǒng)的核心組成之一。電動(dòng)汽車的電池在正常工作中，會(huì)因?yàn)殇囯x子在電池內(nèi)部的嵌入和脫嵌、電流在電池及電池組內(nèi)的流動(dòng)以及電池內(nèi)各種微小的副反應(yīng)等原因產(chǎn)生大量的熱量，這些熱量如果不盡快排出，堆積在電池包內(nèi)部，會(huì)使電池的溫度升高，當(dāng)時(shí)間過長或溫度超過許用上限時(shí)，會(huì)嚴(yán)重影響電池的壽命甚至直接使電池短路爆炸。此外，鋰離子電池在溫度較低的環(huán)境充電時(shí)，會(huì)出現(xiàn)鋰枝晶現(xiàn)象，不斷生長的枝晶存在刺穿隔離膜致使電池短路的風(fēng)險(xiǎn)。因此，電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的好壞直接關(guān)系到電池組的安全性能及充放電性能。

電池?zé)峁芾砑夹g(shù)的研究，目前主要集中在如何導(dǎo)出電池工作時(shí)產(chǎn)生的熱量，使電池在最佳的溫度范圍內(nèi)工作?，F(xiàn)在應(yīng)用于純電動(dòng)汽車上的冷卻方法主要是風(fēng)冷、液冷、直冷，同時(shí)相變材料在電池?zé)峁芾碇械膽?yīng)用也作為一個(gè)研究熱點(diǎn)。下面依次對(duì)主要的電池冷卻類型及研究現(xiàn)狀進(jìn)行介紹，同時(shí)簡單介紹電池低溫加熱方式，為純電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的選擇、優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 風(fēng)冷

風(fēng)冷是最早開始使用的動(dòng)力電池冷卻技術(shù)。按風(fēng)的流動(dòng)動(dòng)力有自然風(fēng)冷和強(qiáng)制風(fēng)冷兩種，而按風(fēng)冷系統(tǒng)風(fēng)道劃分有串聯(lián)冷卻和并聯(lián)冷卻兩種，如圖1所示。風(fēng)冷系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)上比液冷、直冷系統(tǒng)簡單，功率消耗低。但是由于其流道布置使得空間利用率低、防水防塵困難，因此不適用于排列緊密的方形、軟包電池。此外，在外界空氣溫度過高、過低時(shí)熱管理系統(tǒng)難以滿足需要，需要空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)冷卻等。因此風(fēng)冷系統(tǒng)冷卻性能難以滿足使用需求，正在逐步被液冷、直冷系統(tǒng)取代。

對(duì)于風(fēng)冷系統(tǒng)，羅宗鴻[1]通過建立使用18650型號(hào)圓柱電池的電池包三維模型，并結(jié)合計(jì)算機(jī)仿真分析和相關(guān)實(shí)驗(yàn)，探究了在電池包箱體不同位置開設(shè)進(jìn)、出風(fēng)口，以及電池在電池包內(nèi)不同排布時(shí)風(fēng)冷散熱的有效性和局限性，為后續(xù)研究提供了理論指導(dǎo)和可靠依據(jù)。

高肖璟[2]重點(diǎn)考慮到單體電池表面溫度與內(nèi)核溫度的不一致，通過建立單個(gè)電池電熱耦合模型進(jìn)而建立了電池組電熱耦合模型，在驗(yàn)證了模型的精度后，設(shè)計(jì)了一個(gè)“模型預(yù)測溫度控制器”，該控制器通過控制入口處的空氣溫度，將電池組的內(nèi)核溫度控制在目標(biāo)溫度界限內(nèi)。

Shahabeddin等[3]為了解決空冷電池均溫性差的問題，在空氣流動(dòng)的通道內(nèi)嵌入泡沫鋁，并進(jìn)行仿真模擬，結(jié)論證明該方法可有效降低電池間的溫差，當(dāng)空氣流道內(nèi)有三分之一或全部充滿泡沫鋁時(shí)可獲得最理想的均溫性。

2 液冷

液冷是綜合性能最好的冷卻方式。對(duì)電池液冷系統(tǒng)影響較大的主要因素有冷卻液的理化性質(zhì)、冷卻管路的流道布置。液冷按結(jié)構(gòu)分，可以分為直接接觸和間接接觸兩種方式。

直接接觸式是將電池浸泡在冷卻液中，優(yōu)點(diǎn)在于換熱效果極佳，溫度均勻性較好，但缺點(diǎn)是對(duì)電池包內(nèi)外的密封、絕緣性能提出了很高的要求。間接接觸式則是在電池包內(nèi)鋪設(shè)流道，使冷卻液在流道內(nèi)流動(dòng)，優(yōu)點(diǎn)在于降低了對(duì)密封、絕緣性能的要求，因此多使用水、水/乙二醇等粘度小、導(dǎo)熱率高、比熱容高的液體作為冷卻液，這樣通過在較小范圍內(nèi)調(diào)整循環(huán)泵的轉(zhuǎn)速，即可在較大范圍內(nèi)調(diào)整冷卻強(qiáng)度。但因?yàn)槔鋮s液只能在預(yù)設(shè)的流道內(nèi)流動(dòng)，而流道同電池間接觸有限，使得電池的溫度均勻性下降，因此需要研究如何布置流道以獲得最好的溫度均勻性。圖2為一種間接接觸式的液冷系統(tǒng)。

對(duì)于液冷系統(tǒng)，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。楊洋[5]通過對(duì)鋰離子電池和整車的仿真分析，得到了電池的生熱速率，并設(shè)計(jì)了一種液冷系統(tǒng)。又結(jié)合環(huán)境溫度、冷卻液入口溫度、流量等影響因素，對(duì)電池組溫差較大的問題，從導(dǎo)熱系數(shù)和加裝輔助液冷板兩個(gè)方面改善了電池組的溫度均勻性。最后在高溫中低速定速爬坡和高溫高速爬坡兩種惡劣工況，驗(yàn)證了其模型的可行性。

周嘉[6]結(jié)合整車性能和空間要求，在確定電池組和液冷板的布置方式后，又采用仿真手段設(shè)計(jì)并優(yōu)化了一種具有微小通道結(jié)構(gòu)的熱管理系統(tǒng)。考慮到電池組的加熱需要，又對(duì)加熱片進(jìn)行了選型，最終設(shè)計(jì)出一種兼具散熱和加熱的熱管理系統(tǒng)。

顏藝[7]提出了一種液體直接接觸電池的液冷系統(tǒng)。通過對(duì)不同流道布置方式進(jìn)行仿真分析后，最終選用高低交錯(cuò)式“U”型結(jié)構(gòu)，確定系統(tǒng)散熱、加熱最佳流速為1.0m/s，加熱功率為500W，保溫材料為二氧化硅氣凝膠，厚度10mm，最后通過搭建樣機(jī)并實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的熱管理系統(tǒng)與仿真結(jié)果基本一致。

Yang[8]考慮的液態(tài)金屬用于液冷系統(tǒng)的可行性。通過計(jì)算機(jī)仿真對(duì)比并將結(jié)果與水冷法進(jìn)行對(duì)比，結(jié)論表明使用液態(tài)金屬時(shí)，整體溫度更低、均溫性更好、循環(huán)泵消耗功率更低，適合在大功率放電及惡劣工況下使用。

現(xiàn)在對(duì)液冷系統(tǒng)的研究，主要集中在冷卻板的優(yōu)化及冷卻板和動(dòng)力電池的布置方式上。

3 直冷

直冷是將空調(diào)系統(tǒng)的制冷劑直接引入電池包內(nèi)進(jìn)行冷卻，相當(dāng)于將電池包內(nèi)的冷卻板作為空調(diào)系統(tǒng)的蒸發(fā)器。直冷系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)在于效率高、響應(yīng)迅速、制冷量大。其缺點(diǎn)則主要在于高度依賴汽車空調(diào)系統(tǒng)。夏季，因乘員艙和電池系統(tǒng)都需要大功率制冷，使得空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷很高;冬季，因?yàn)槌藛T艙需要持續(xù)制熱，而電池包需要先預(yù)熱后制冷，這就對(duì)汽車的空調(diào)系統(tǒng)提出了極高的挑戰(zhàn)。圖3為一種直冷系統(tǒng)的示意圖。

對(duì)于直冷系統(tǒng)，張聰哲等[10]研究了在夏季高溫工況下，電池包、乘客艙制冷劑并聯(lián)制冷，電池組與制冷回路間使用熱管進(jìn)行熱換熱，電機(jī)采用液冷技術(shù)，最后模擬整車在新歐洲駕駛循環(huán)工況下系統(tǒng)的制冷性能，確定能夠滿足乘員艙、電池組、電機(jī)的制冷需求。

鮑文迪[9]主要以電池最高溫度、溫差這兩項(xiàng)指標(biāo)為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，采用冷板底置、高導(dǎo)熱片強(qiáng)化傳熱的結(jié)構(gòu)，通過階梯式調(diào)節(jié)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和電子膨脹閥的方法來滿足不同制冷工況的制冷需求，通過計(jì)算機(jī)仿真模擬不同工況，論證了該系統(tǒng)的可行性。

4 相變材料冷卻

相變材料是指在溫度不變的情況下而改變物質(zhì)狀態(tài)并能提供潛熱的物質(zhì)，如石蠟。相變材料的熱管理方法就是將相變材料放入電池包內(nèi)，利用其較高的相變潛熱吸收電池放電時(shí)產(chǎn)生的熱量，由于在相變過程中相變材料自身的溫度在相變完成前幾乎維持不變，因此可以使電池溫度更加穩(wěn)定。相變材料最大的好處在于結(jié)構(gòu)和操作最為簡單，只需要將電池和相變材料合理排布在電池包內(nèi)即可，全程無需外界系統(tǒng)干預(yù)，并且溫度均勻性極好，且相變材料來源廣，價(jià)格低廉。

相變材料的缺點(diǎn)主要有：所需相變材料的體積、質(zhì)量較大，使得電池包整體的能量密度減小;相變材料在“固-液”相轉(zhuǎn)變時(shí)，可能產(chǎn)生較大的體積變化，從而產(chǎn)生應(yīng)力變化，并且在液態(tài)時(shí)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度很低;相變材料的導(dǎo)熱性能較差，當(dāng)電池溫度急劇升高時(shí)多余的熱量可能無法及時(shí)被吸收。為克服此缺點(diǎn)，現(xiàn)在相變材料的主要研究方向?yàn)樵谙嘧儾牧蟽?nèi)均勻混入碳材料（如碳納米管[11]、石墨烯、膨脹石墨[12]等）或泡沫金屬材料（如泡沫鋁[13]、泡沫鐵[14]、泡沫銅等）制成復(fù)合相變材料以強(qiáng)化其導(dǎo)熱性能。但無論何種材料均會(huì)在多次相變后自然沉積[15]，從而使復(fù)合相變材料的導(dǎo)熱性能下降;相變材料在相變過程中保溫性能優(yōu)異，但當(dāng)完全相變后無論吸熱性能還是保溫性能都將大幅下降，因此僅使用相變材料的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)都將面對(duì)很大挑戰(zhàn)。

5 其他熱管理系統(tǒng)

除上述的冷卻系統(tǒng)之外，熱管冷卻也是一個(gè)比較熱門的研究方向。熱管的原理是通過管內(nèi)材料在高溫區(qū)吸熱蒸發(fā)、低溫區(qū)放熱膨脹產(chǎn)生體積變化，從而引起管內(nèi)液體的自發(fā)流動(dòng)，其原理如圖4所示。熱管的優(yōu)點(diǎn)在于只要高、低溫區(qū)之間存在足夠的溫差即可持續(xù)進(jìn)行自發(fā)的循環(huán)流動(dòng)，并且在實(shí)驗(yàn)室測得熱管的熱傳導(dǎo)效率遠(yuǎn)高于一般的導(dǎo)熱材料。但當(dāng)前熱管在電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中的應(yīng)用還不完善，因此并未在電動(dòng)汽車上得到大范圍的實(shí)際應(yīng)用。

在研究如何將電池內(nèi)部多余熱量導(dǎo)出的同時(shí)，也有一些學(xué)者注意到當(dāng)電動(dòng)汽車在嚴(yán)寒或低溫環(huán)境中時(shí)，電池的使用壽命、能量密度受到了極大地影響。因此也有一些學(xué)者著力于對(duì)電池包進(jìn)行保溫、加熱的研究。大致方向?yàn)椋涸陔姵匕獠堪夭牧?，在電池間布設(shè)電加熱片[6]或使加熱后的冷卻液流經(jīng)電池包內(nèi)部完成對(duì)電池的加熱[8]等。

6 總結(jié)

本文主要針對(duì)風(fēng)冷、液冷、直冷等常用的幾種純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池管理系統(tǒng)的原理及研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析，為后期從事純電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)選擇、優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

基金資助：黃河交通學(xué)院ANSYS Fluent 仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目;汽車新能源與新技術(shù)一流課程項(xiàng)目（HHJTXY-2021y1kc14）。

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