電動(dòng)車電池?zé)峁芾硌芯?/h1>

2022-05-08 09:59:56蓋東興張學(xué)偉

電池工業(yè)訂閱 2022年2期 收藏

關(guān)鍵詞：風(fēng)冷動(dòng)力電池電動(dòng)車

吳 凱，蓋東興*，張學(xué)偉

(1.武漢工程大學(xué)光電信息與能源工程學(xué)院、數(shù)理學(xué)院，湖北 武漢 430205；2.廣州申菱環(huán)境系統(tǒng)股份有限公司，廣東 佛山 528313)

1 引言

在2021年，兩會(huì)將“碳達(dá)峰、碳中和”列入政府工作報(bào)告。作為2021年國家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目，發(fā)展電動(dòng)汽車能有效緩解能源短缺及環(huán)境污染問題，是未來汽車的發(fā)展方向。在我國，電動(dòng)汽車自2013年起享受國家財(cái)政補(bǔ)貼，在政策的扶持下，電動(dòng)汽車技術(shù)飛速發(fā)展，銷量逐年上升。根據(jù)EV Volumes2020年的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020年汽車銷量(7 797萬輛)對(duì)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(fēng)增長43%，達(dá)到324萬輛。其中中國的電動(dòng)車銷量最多，達(dá)到134萬輛，占比全球電動(dòng)車銷量的41%。盡管電動(dòng)車僅達(dá)到全球新車銷量的2%左右，但可以預(yù)見汽車行業(yè)的趨勢(shì)正轉(zhuǎn)向純電動(dòng)汽車[1]。

溫度是電動(dòng)車動(dòng)力電源控制系統(tǒng)中最重要的參數(shù)，也是電池所有檢測(cè)參數(shù)中最主要的參數(shù)，溫度對(duì)電池的壽命、安全性、內(nèi)阻在內(nèi)的很多重要性能都有較大影響[2]，決定了電動(dòng)車的續(xù)航里程、成本、使用壽命、安全等關(guān)鍵性指標(biāo)。目前在電池市場(chǎng)，鋰電池憑借免維護(hù)、使用壽命長、無污染等特性占據(jù)了電池市場(chǎng)的大部分份額，可是，電池的溫度對(duì)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(shù)是贏得電動(dòng)車市場(chǎng)的關(guān)鍵。

當(dāng)溫度較低時(shí)，電池的反應(yīng)速度就會(huì)很慢，但是過高的溫度又會(huì)破壞電池的化學(xué)平衡，產(chǎn)生副反應(yīng)；低溫下短時(shí)間使用電池會(huì)暫時(shí)降低電池容量，而長時(shí)間使用或者在極端低溫條件下使用則會(huì)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?zé)峁芾淼膰鴥?nèi)外研究現(xiàn)狀

1985年D BEMARDI提出了一種發(fā)熱功率計(jì)算模型，這個(gè)模型給鋰離子電池的發(fā)熱模型提供了理論基礎(chǔ)。該模型根據(jù)內(nèi)部物體的發(fā)熱均勻性假設(shè)，提出將電池的產(chǎn)熱簡(jiǎn)化為兩個(gè)來源：“化學(xué)反應(yīng)熱”和“歐姆熱”[3]。

2001年本田的SATO N.等人在D BEMARDI的基礎(chǔ)上經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證了鋰電池的計(jì)算模型。根據(jù)該模型，電池的發(fā)熱分為四個(gè)部分，除了電化學(xué)反應(yīng)熱和歐姆熱外，還包括極化熱和副反應(yīng)熱[4]。其中，化學(xué)反應(yīng)熱是電池在工作時(shí)，其內(nèi)部化學(xué)物質(zhì)之間的反應(yīng)吸收或釋放的熱量；歐姆熱是電池本身的內(nèi)阻產(chǎn)生的熱量，這種熱量總是正的；極化熱是指電流通過電極時(shí)，電池的電勢(shì)偏離平衡值而產(chǎn)生的熱量，并且這種熱量也是恒定的正值；副反應(yīng)熱主要是由于電池內(nèi)部產(chǎn)生自放電、電解質(zhì)分解現(xiàn)象而發(fā)熱，這種熱量在鋰電池發(fā)熱量占比很小，一般忽略不計(jì)。

2010年清華大學(xué)的林成濤等人[5]在D BEMARDI和SATO N.模型的基礎(chǔ)上對(duì)公式進(jìn)行了一定的修正，在原計(jì)算模型的基礎(chǔ)上添加了一個(gè)修正系數(shù)u，放電情況下計(jì)算模型不變，u為1，在充電情況下修正系數(shù)u為0.692。

范興明[6]通過ANSYS Workbench軟件的模擬實(shí)驗(yàn)得到結(jié)論，在設(shè)置參數(shù)為自然風(fēng)冷的條件下，電池溫度不能一直保持在正常工作溫度區(qū)間；設(shè)置條件參數(shù)為強(qiáng)制風(fēng)冷的冷卻條件下，能基本排除掉電池在工作時(shí)內(nèi)部產(chǎn)生的有害氣體，并且成本低，易于維護(hù)，且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕的特點(diǎn)，可以在小型車的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中廣泛應(yīng)用。

Saxon T等人[7]研究了特斯拉公司Roadster電動(dòng)車的熱管理系統(tǒng)，該電動(dòng)車采用的是液冷式電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，該跑車電池包內(nèi)各單體的溫差可以控制在±2 ℃內(nèi)，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(duì)18650型圓柱鈦酸鋰單體電池做了過充實(shí)驗(yàn)，同時(shí)使用復(fù)合相變材料對(duì)電池進(jìn)行熱管理，用以判斷高溫對(duì)電池性能的影響，結(jié)果表明相變材料能將電池溫度保持在正常溫度范圍內(nèi)，改善和提高了電池的綜合性能。

3 電池?zé)峁芾淼陌l(fā)展與研究方法

3.1 電動(dòng)車動(dòng)力電池的發(fā)展

動(dòng)力電池作為電動(dòng)車的動(dòng)力來源，其電池容量、內(nèi)阻、壽命、成本和安全性是影響電動(dòng)車發(fā)展的重要因素，因此電動(dòng)汽車行業(yè)在不斷提高動(dòng)力電池的能量密度、功率密度和循環(huán)壽命的同時(shí)，也更加注重電池的經(jīng)濟(jì)性和安全性[9]。動(dòng)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(jù)主導(dǎo)地位。

3.1.1 鉛酸電池

鉛酸電池于1859年由法國人普蘭特發(fā)明，發(fā)展至今已有一百六十多年的歷史，技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，性能也相當(dāng)可靠，有安全性高、原材料易獲取、價(jià)格低廉等優(yōu)勢(shì)，但是由于其自身能量密度小、體積大、循環(huán)壽命短、維護(hù)難、對(duì)環(huán)境污染大等因素常用于普通燃油汽車內(nèi)部電子設(shè)備的電源或旅行觀光車，不適用于電動(dòng)汽車的發(fā)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(jī)能穩(wěn)定、工作溫度區(qū)間大(-30～50 ℃)、價(jià)格低廉，但由于電池容量較低、對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重，且有“記憶效應(yīng)”，長時(shí)間未放盡電量或者充電未充滿會(huì)導(dǎo)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(yīng)”和污染的缺點(diǎn)，但由于價(jià)格昂貴、能量利用率低[16]，也不適合未來電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的發(fā)展需要。

3.1.3 鋰離子電池

鋰離子電池能量密度高、循環(huán)壽命長、電荷保持能力強(qiáng)、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(huán)境污染、無記憶效應(yīng)，是最有發(fā)展前景的動(dòng)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(fā)熱特性也各不相同，需要不同的熱管理方式。下表是各個(gè)電池的參數(shù)對(duì)比[18]。

表1 各鋰離子電池性能參數(shù)對(duì)比Table 1 Comparison table of performance parameters of lithium ion batteries.

熱穩(wěn)定性和安全性更好的磷酸鐵鋰電池在小型車市場(chǎng)應(yīng)用廣泛，但是大型純電動(dòng)車更傾向于運(yùn)行電壓更高、比質(zhì)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(yùn)行電壓高、能量密度高、循環(huán)壽命高、成本低廉等多方面優(yōu)勢(shì)在動(dòng)力電池市場(chǎng)的份額增長迅速，逐漸成為市場(chǎng)新秀[20]，但由于其安全性仍然受人詬病，目前動(dòng)力電池仍由磷酸鐵鋰電池占據(jù)主導(dǎo)地位。

3.2 難點(diǎn)

電池是化學(xué)能源，其熱量輸出特性與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)有很大區(qū)別，沖放電過程中的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理與電池內(nèi)部活性物質(zhì)反應(yīng)速率、電芯的結(jié)構(gòu)、材料等都會(huì)影響電池的產(chǎn)熱量與傳熱特性，所以必須通過大量試驗(yàn)與分析才能得到實(shí)際電池單體的發(fā)熱傳熱模型。

電動(dòng)車中的電池往往不是以電池單體的形式進(jìn)行工作，而是多個(gè)電池芯串聯(lián)、并聯(lián)以及電池箱、液冷板、熱管、熱電片等組成的結(jié)構(gòu)體，傳熱過程復(fù)雜，因此，對(duì)于組成電池包級(jí)別的溫度仿真是熱管理系統(tǒng)的重難點(diǎn)。

最后，對(duì)搭建的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)模型進(jìn)行優(yōu)化與驗(yàn)證也是難點(diǎn)，如溫度分布是否與實(shí)測(cè)相符，通過模擬設(shè)計(jì)的目標(biāo)是否達(dá)到實(shí)際設(shè)計(jì)要求等。

3.3 研究方法展望

通過對(duì)前人研究方法的借鑒與總結(jié)，電池?zé)峁芾砜捎扇齻€(gè)方面進(jìn)行研究，一是單電池的發(fā)熱特性研究；二是電池模塊構(gòu)建、優(yōu)化和內(nèi)部流場(chǎng)、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(fā)熱特性研究

(1)通過將電池內(nèi)部進(jìn)行簡(jiǎn)化，將每一個(gè)電池單體都分為正極、隔膜、負(fù)極、有機(jī)電解液、電池外殼等幾個(gè)部分，先由理論計(jì)算得到不同工況下的發(fā)熱效率，再通過CFD軟件以模擬仿真的方式模擬出不同發(fā)熱效率、不同環(huán)境溫度下的內(nèi)部溫度分布云圖。

(2)電池單體實(shí)驗(yàn)：直接拿電池單體做實(shí)驗(yàn)，在不同發(fā)熱效率下測(cè)量電池單體表面溫度，并與(1)步驟中的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證簡(jiǎn)化模型的正確性。

3.3.2 電池模塊構(gòu)建、優(yōu)化和內(nèi)部流場(chǎng)、溫度的模擬

在空冷的基礎(chǔ)上初步構(gòu)建幾種液冷模型的結(jié)構(gòu)，利用CFD模擬將幾種模型進(jìn)行對(duì)比，抉擇出最優(yōu)液冷模型，對(duì)實(shí)際模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

3.3.3 電池包整體構(gòu)建

采用優(yōu)化之后的電池模塊結(jié)構(gòu)模型，構(gòu)建電池整體結(jié)構(gòu)模型，設(shè)計(jì)好電池內(nèi)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(dòng)與溫度特性。

4 電池?zé)峁芾硗緩?/h2>

電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)分為主動(dòng)熱管理和被動(dòng)熱管理。其中被動(dòng)熱管理沒有主動(dòng)控制，任由電池的產(chǎn)熱在系統(tǒng)中擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。而主動(dòng)熱管理是電動(dòng)車熱管理系統(tǒng)在不同的工況條件下根據(jù)電池的特性和狀態(tài)參數(shù)對(duì)電池進(jìn)行主動(dòng)地加熱或者冷卻。主動(dòng)熱管理根據(jù)介質(zhì)不同可分為空氣冷卻、液體冷卻和相變材料冷卻[25]：

4.1 風(fēng)冷(主動(dòng)/被動(dòng)熱管理)

風(fēng)冷根據(jù)冷卻結(jié)構(gòu)的不同分為被動(dòng)式冷卻和主動(dòng)式冷卻，被動(dòng)式冷卻基于系統(tǒng)中空氣介質(zhì)的自然熱擴(kuò)散，在發(fā)熱功率較低時(shí)能滿足熱控制需要，但是當(dāng)發(fā)熱效率較高時(shí)需要通過強(qiáng)制風(fēng)冷冷卻。強(qiáng)制風(fēng)冷由通風(fēng)方式不同分為串行通風(fēng)和并行通風(fēng)[6]，如圖1所示。

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

由上圖可以直觀看出，串行通風(fēng)情況下由于空氣越到后面溫度越高，所以會(huì)造成出風(fēng)口端溫度明顯高于進(jìn)風(fēng)口，溫度不均勻；而并行通風(fēng)結(jié)構(gòu)與電池接觸的都是上升風(fēng)氣流，溫度均勻，因此強(qiáng)制風(fēng)冷一般選用并行通風(fēng)。

風(fēng)冷散熱具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、不容易泄露的優(yōu)點(diǎn)，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(yōu)于風(fēng)冷，但是成本較高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。對(duì)比空氣，液體介質(zhì)比熱容大、換熱系數(shù)高，補(bǔ)足了空氣冷卻效率低的不足，是電動(dòng)車電池?zé)峥氐闹饕侄巍?/p>

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

當(dāng)電池包需要降溫時(shí)，采用蒸汽壓縮式制冷原理，電加熱器不啟動(dòng)，水泵將循環(huán)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(huán)回路變成冷的制冷液，往復(fù)循環(huán)達(dá)到制冷的效果。

當(dāng)電池包需要加熱時(shí)，電動(dòng)壓縮機(jī)關(guān)閉，循環(huán)水箱中的冷卻液經(jīng)過加熱器加熱后再由水泵泵入電池包，達(dá)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(chǎn)生相變的物質(zhì)，相變材料兼具換熱效率與成本的優(yōu)勢(shì)，而且維護(hù)成本低。2000年Al-Hallaj首次將相變材料應(yīng)用于熱管理系統(tǒng)[12]引發(fā)廣泛關(guān)注，A.Mills經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)通過將石蠟與發(fā)泡鋁相結(jié)合能提高相變材料導(dǎo)熱率，提升冷卻效果[13]。

相變材料的換熱效果優(yōu)異、成本低廉，是未來最有潛力的電池?zé)峁芾戆l(fā)展方向。然而其導(dǎo)熱率低、體積變化大、流動(dòng)性差的缺點(diǎn)還需改善，所以相變材料的推廣應(yīng)用尚需一段時(shí)間的探索研究[22]。

4.4 熱處理方案小結(jié)

成本和體驗(yàn)感是影響消費(fèi)者購買汽車最主要的因素，車企為了降低消費(fèi)者購車成本和提高用車的舒適度，大力研發(fā)高續(xù)航里程電動(dòng)汽車，而這往往意味著汽車會(huì)使用更多電池，會(huì)產(chǎn)生更多的熱量，因此高里程電動(dòng)汽車往往需要更高效的熱管理系統(tǒng)。風(fēng)冷由于冷卻速度慢，溫降不明顯，無法滿足高能量動(dòng)力電池散熱需求[24]；相變材料由于導(dǎo)熱系數(shù)小、體積變化打、封裝困難、無法循環(huán)流動(dòng)、價(jià)格高昂等問題無法大規(guī)模投入動(dòng)力電池的熱管理應(yīng)用中[21]；液冷電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)由于傳熱效率高、穩(wěn)定性好、技術(shù)成熟，越來越成為市場(chǎng)主流熱處理方案[23]。

5 結(jié)語

目前新能源汽車熱管理市場(chǎng)格局存在不確定性，技術(shù)和市場(chǎng)發(fā)展均處于起步階段，卓越的熱管理技術(shù)的快速發(fā)展和成本優(yōu)勢(shì)有望在市場(chǎng)上占據(jù)主導(dǎo)地位，給企業(yè)帶來機(jī)遇。

未來的熱管理系統(tǒng)會(huì)向標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化方向發(fā)展。目前對(duì)于單一車型熱管理技術(shù)尚處于定制化階段，各個(gè)車場(chǎng)企業(yè)的熱管理設(shè)計(jì)思路各不相同，因此熱管理方案標(biāo)準(zhǔn)化是實(shí)際需求也是發(fā)展趨勢(shì)[14]。而液冷冷卻系統(tǒng)是標(biāo)準(zhǔn)化適用范圍更廣,效率更高，成本更合理的動(dòng)力電池?zé)峁芾矸椒?，是更?yīng)考慮的發(fā)展方向。

吳凱(1997- ),武漢工程大學(xué)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(xué)博士后,教授級(jí)高工,現(xiàn)于武漢工程大學(xué)擔(dān)任碩導(dǎo),主要研究工業(yè)余熱利用、電子器件散熱等領(lǐng)域。

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