純電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾砑夹g(shù)研究進(jìn)展

楊小平 何偉標(biāo) 鄧國(guó)蘭

(東莞理工學(xué)院 化學(xué)工程與能源技術(shù)學(xué)院,廣東東莞 523808)

在碳達(dá)峰、碳中和的時(shí)代背景下,汽車行業(yè)也在不斷地轉(zhuǎn)型升級(jí)。傳統(tǒng)的燃油汽車在工作的過(guò)程中會(huì)排放出一些HC、NOx、CO、PM等污染物。隨著環(huán)境問(wèn)題和能源問(wèn)題日益突出,新能源汽車替代傳統(tǒng)燃油汽車是當(dāng)前低碳經(jīng)濟(jì)時(shí)代發(fā)展的趨勢(shì)[1-3]。如今由于新能源汽車加快普及,純電動(dòng)汽車是新能源汽車最受歡迎的代表。與傳統(tǒng)燃油汽車相比,純電動(dòng)汽車由于具有能源利用效率高、近乎零排放的優(yōu)點(diǎn),能夠有效緩解能源危機(jī)和環(huán)境問(wèn)題。鋰電池因其具有工作電壓高、比能量高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、自放電率低、無(wú)記憶性、對(duì)環(huán)境無(wú)污染和能制造成任意形狀等優(yōu)點(diǎn)[4]被廣泛用作電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池,然而磷酸鐵鋰電池的工作溫度通常在0～60 ℃之間,三元鋰電池的低溫溫度可以達(dá)到-20 ℃,超過(guò)這個(gè)溫度范圍,輕則會(huì)降低純電動(dòng)汽車的性能,重則會(huì)影響到汽車電池的使用壽命,極端的情況還會(huì)引發(fā)爆炸等事故[5],給消費(fèi)者的安全帶來(lái)了威脅。因此,對(duì)純電動(dòng)汽車的電池進(jìn)行熱管理成為迫切需求,如何對(duì)純電動(dòng)汽車的電池進(jìn)行高效的熱管理是目前研究的熱點(diǎn)。

1 電動(dòng)汽車電池組產(chǎn)熱分析

鋰電池工作時(shí),在電池的內(nèi)部會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)從而產(chǎn)生電,而其中的化學(xué)反應(yīng)也很復(fù)雜,一般地,可以將鋰電池的發(fā)熱量分為四部分:焦耳熱Qj、極化熱Qp、反應(yīng)熱Qr、分解熱Qs。美國(guó)加州大學(xué)Bernadi從兩個(gè)方面入手——熵增反應(yīng)原理和鋰離子電池內(nèi)阻[6],同時(shí)假設(shè)電池是均勻熱源且熱源穩(wěn)定,反應(yīng)熱和極化熱都被視為不可逆反應(yīng),得到鋰離子動(dòng)力電池的生熱速率來(lái)估算電池?zé)嵩茨Ｐ?。集總熱模型則描述了電池組的溫度隨時(shí)間的變化。下面對(duì)電池產(chǎn)熱的相關(guān)公式進(jìn)行總結(jié),基于電池產(chǎn)熱模型的各研究參數(shù)見表1。

表1 產(chǎn)熱模型方程總結(jié)

上述對(duì)鋰電池在充放電過(guò)程中主要產(chǎn)熱的四部分進(jìn)行研究,而在不同的工作環(huán)境下,這四部分所產(chǎn)生的熱量占比又各有不同,而生熱速率模型和集總熱模型又能分析鋰電池的生熱動(dòng)態(tài)速率。上述模型為分析產(chǎn)熱提供了基礎(chǔ),可以通過(guò)計(jì)算模擬以及實(shí)驗(yàn)的方式更加精確地得到電池系統(tǒng)的產(chǎn)熱量以及產(chǎn)熱速率,同時(shí)也能夠?qū)﹄姵責(zé)峁芾懋a(chǎn)生深遠(yuǎn)的意義。

2 電池?zé)峁芾聿呗?/h2>

鋰電池是目前純電動(dòng)汽車最常用的一類電池,它的最佳工作溫度范圍為 25 ℃至40 ℃,同時(shí),電池組的最大溫差應(yīng)保持在5 ℃以下。然而,鋰離子電池的傳統(tǒng)工作溫度范圍在0～60 ℃之間,超過(guò)這個(gè)溫度范圍,鋰電池性能將迅速下降。特別是電池產(chǎn)生的過(guò)熱和溫度分布不均勻,容易導(dǎo)致模塊過(guò)早失效和嚴(yán)重的生命周期退化,在惡劣條件下,還會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的安全事故,如燃燒、脹氣甚至爆炸。因此有效的電池?zé)峁芾聿呗圆粌H能讓電動(dòng)汽車發(fā)揮出極致的性能,還能為電池系統(tǒng)的運(yùn)行提供安全保障,下面將圍繞空氣冷卻、液體冷卻、熱管冷卻、復(fù)合相變冷卻和復(fù)合冷卻來(lái)展開論述。

2.1 空氣冷卻

空氣冷卻分為被動(dòng)空氣冷卻和主動(dòng)空氣冷卻的方式[11-13],被動(dòng)空氣冷卻(如圖1a所示)主要靠自然風(fēng)以及電動(dòng)汽車在行駛過(guò)程中的流速作用,是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、操作方便的方式;而主動(dòng)空氣冷卻(如圖1b所示)的方式因?yàn)榧恿酥鲃?dòng)風(fēng)源,能夠靈活的應(yīng)對(duì)更多的使用場(chǎng)景,其散熱效果比被動(dòng)風(fēng)冷會(huì)更好。日本豐田公司的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車Prius和本田公司的Insight都采用了風(fēng)冷技術(shù)。

圖1 a.被動(dòng)空氣冷卻;b.主動(dòng)空氣冷卻[14]

空氣冷卻的冷卻通道很大程度上影響著電動(dòng)汽車鋰電池組的散熱能力和均溫性,以下將針對(duì)空氣冷卻通道發(fā)展成果進(jìn)行分析。ZHAO等[14]研究了一種串行通風(fēng)方案,如圖2所示,其中電池單元在電池組內(nèi)等距排列,采用雙通道的方法,進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口平行,外部的空氣通過(guò)進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入電池系統(tǒng),穿過(guò)電池之間的縫隙,將電池產(chǎn)生的熱量帶走。由于是串行通風(fēng),容易導(dǎo)致電池溫度分布不均勻,而且在電動(dòng)汽車高強(qiáng)度工作時(shí),被動(dòng)風(fēng)冷散熱能力不足以將電動(dòng)汽車運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的熱量帶走,因此增加風(fēng)扇或者鼓風(fēng)機(jī)等主動(dòng)風(fēng)冷方法能夠帶來(lái)更好的散熱效果。

圖2 串行通道風(fēng)冷

由于串行通道風(fēng)冷的局限性比較多,在此基礎(chǔ)上,有很多學(xué)者又對(duì)其進(jìn)行延伸與拓展,使其具有更好的熱管理效果。下面針對(duì)不同風(fēng)冷通道的電池?zé)峁芾磉M(jìn)行了總結(jié),基于空氣冷卻電池?zé)峁芾矸椒ǖ母餮芯繀?shù)見表2及圖3所示。

圖3 不同形式通道的空氣冷卻示意圖

表2 空氣冷卻的電池?zé)峁芾矸椒?/p>

空氣冷卻的效果在一定程度上受環(huán)境的影響,當(dāng)環(huán)境溫度較高時(shí),空氣冷卻的方法在短期內(nèi)不足以將鋰電池的溫度控制在最佳的范圍內(nèi)。同時(shí)采用空氣冷卻的方法,電池組內(nèi)存在的溫差會(huì)比較大,一定程度上會(huì)影響鋰電池的性能及使用壽命。

空氣冷卻的效果在一定程度上受環(huán)境的影響,當(dāng)環(huán)境溫度較高時(shí),空氣冷卻的方法在短期內(nèi)不足以將鋰電池的溫度控制在最佳的范圍內(nèi)。同時(shí)采用空氣冷卻的方法,電池組內(nèi)存在的溫差會(huì)比較大,一定程度上會(huì)影響鋰電池的性能及使用壽命。

2.2 液體冷卻

液體冷卻方法通過(guò)液體介質(zhì)的流動(dòng)換熱, 相比于風(fēng)冷系統(tǒng), 其換熱系數(shù)高、冷卻速度快[21], 但生產(chǎn)成本和密封性要求高, 不利于輕量化設(shè)計(jì)。比亞迪、吉利帝豪和特斯拉等電動(dòng)車都采用了液冷散熱方式對(duì)電池進(jìn)行熱管理。寧德時(shí)代發(fā)布的CTP3.0麒麟電池,將水冷板置于電芯大面之間,大大提升了電芯換熱效率。以下將分析液體冷卻方法的研究成果。TANG等[22]采用基于15°梯度表面接觸角的微通道扁管液冷方法,其裝置的模型如圖4所示,這個(gè)方法能夠在2C的放電倍率下將溫度控制在35 ℃以內(nèi),溫差控制在2.58 ℃以內(nèi)。WANG等[23]采用多目標(biāo)遺傳算法對(duì)蛇形通道和水流速度參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化(如圖5、6所示),使得電池模組最高溫度由311.2 K降至308.6 K,最高壓力由578.9 Pa降至502.0 Pa,平均溫度由308.7 K降至306.0 K,具有良好的溫度控制效果。下面針對(duì)不同的液冷方式的電池?zé)峁芾磉M(jìn)行了總結(jié),基于液體冷卻電池?zé)峁芾矸椒ǖ母餮芯繀?shù)見表3。

圖4 電池液冷裝置的3D模型[22]

圖5 蛇形液冷 BTMS 的平面圖[24]

圖6 蛇形冷卻通道和鋰電池組的三維模型[24]

表3 液體冷卻的熱管理方法

上述提到液體冷卻能夠帶來(lái)較好的散熱效果,但是也有局限性。在高溫天氣或者電動(dòng)汽車高強(qiáng)度運(yùn)行等極端情況下,冷卻效果不足以讓鋰電池處于最佳的工作狀態(tài),單一的冷卻技術(shù)冷卻效率很難滿足復(fù)雜的工況需求。鋰電池遇到液體內(nèi)部結(jié)構(gòu)很容易發(fā)生變化,存在一定的安全隱患,同時(shí)也對(duì)冷卻系統(tǒng)的密封性有著很高的要求,其制造和維護(hù)成本也比較高,液體冷卻的方式需要占據(jù)比較多的空間,不利于電動(dòng)汽車輕量化發(fā)展。

2.3 熱管冷卻

熱管冷卻是利用相變實(shí)現(xiàn)熱傳導(dǎo)的熱管理系統(tǒng)。熱管由蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段組成[31]。密封空管內(nèi)的介質(zhì)在蒸發(fā)階段會(huì)吸收電池產(chǎn)生的熱量,再通過(guò)冷凝段把熱量傳遞給外部環(huán)境,達(dá)到電池組迅速降溫的效果。

熱管的種類有:燒結(jié)熱管、重力熱管和平板熱管等[32]。Ren等[33]采用U型微熱管陣列輔以主動(dòng)風(fēng)冷的冷卻方法,如圖7所示,能夠使單體電池最大溫差為1.14 ℃,并且隨著進(jìn)口風(fēng)量的增加,溫控性能會(huì)跟著提高,但電池組的溫度均勻性略有下降。HE等[34]采用L型熱管耦合鋁合金板對(duì)電池進(jìn)行熱管理,如圖8所示,在3C的放電倍率情況下將電池組的最高溫度控制在37.58 ℃,溫差控制在3.67 ℃。下面針對(duì)不同的熱管冷卻方式的電池?zé)峁芾磉M(jìn)行了總結(jié),基于熱管冷卻電池?zé)峁芾矸椒ǖ母餮芯繀?shù)見表4。

圖7 基于U型MHPA的主動(dòng)空氣冷卻TMS的傳熱原理傳熱示意圖[33]

圖8 電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)L型熱管的幾何模型(a)、頂視圖(b) [34]

表4 熱管冷卻的熱管理方法

熱管具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性能,但熱管冷卻系統(tǒng)的生產(chǎn)成本和維護(hù)成本較高,換熱介質(zhì)量難以控制,熱管因其結(jié)構(gòu)對(duì)布置的位置也有特定的要求,布置不好會(huì)致使熱管與電池表面接觸不充分,溫度均勻性差,成為制約其發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

2.4 復(fù)合相變材料冷卻

相變材料是一種能夠在一定溫度范圍內(nèi)改變自身物理狀態(tài)的材料。相變材料具有很高的潛熱值,在發(fā)生相變過(guò)程中能夠吸收大量的熱量。其分類包括:有機(jī)相變材料、無(wú)機(jī)相變材料和復(fù)合相變材料[39-40]。將復(fù)合相變材料應(yīng)用在電池?zé)峁芾碇?其工作方式是先以顯熱的形式吸收電池時(shí)所產(chǎn)生的熱量,達(dá)到相變溫度后以潛熱的形式吸收,由于相變過(guò)程中溫度基本保持不變,這能給鋰電池組提供很好的均溫性,在選擇復(fù)合相變材料方面選擇相變溫度在電池最佳工作溫度范圍內(nèi),使得鋰電池能夠持續(xù)高效地運(yùn)行。下面針對(duì)不同復(fù)合相變材料的電池?zé)峁芾磉M(jìn)行了總結(jié),基于復(fù)合相變材料冷卻的電池?zé)峁芾矸椒ǖ母餮芯繀?shù)見表5。

表5 復(fù)合相變材料熱管理方法

復(fù)合相變材料能夠提供很好的電池均溫性,擁有很高的相變潛熱能夠吸收大量熱量,但是復(fù)合相變?cè)诟邚?qiáng)度的運(yùn)行狀態(tài)下不足以將鋰電池組的溫度控制在良好的范圍內(nèi)。同時(shí),在復(fù)合相變材料發(fā)生相變的過(guò)程是由固態(tài)變成液態(tài),會(huì)造成漏液,影響鋰電池的性能。

2.5 復(fù)合方式冷卻

單一的冷卻方式很難滿足電池系統(tǒng)的熱管理需求,但是各種冷卻方式又有其特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。所以,將兩種或兩種以上的冷卻方式融合形成復(fù)合冷卻,取長(zhǎng)補(bǔ)短,能夠發(fā)揮出更佳的熱管理能力。下面針對(duì)不同復(fù)合冷卻方式的電池?zé)峁芾磉M(jìn)行了總結(jié),基于復(fù)合冷卻電池?zé)峁芾矸椒ǖ母餮芯繀?shù)見表6。

表6 復(fù)合冷卻熱管理方法

因此，將兩種或者兩種以上的熱管理方式相結(jié)合，可以發(fā)揮冷卻方式的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)又能彌補(bǔ)劣勢(shì)，能夠讓電池?zé)峁芾磉_(dá)到很好的效果。但復(fù)合的方式使得熱管理系統(tǒng)的質(zhì)量增加、結(jié)構(gòu)變復(fù)雜。因此，需要根據(jù)電池組的規(guī)格和運(yùn)行環(huán)境，并結(jié)合經(jīng)濟(jì)效益來(lái)制定相應(yīng)的熱管理策略。

3 總結(jié)與展望

溫度是影響電動(dòng)汽車鋰離子電池性能的關(guān)鍵因素，鋰電池進(jìn)行高效的熱管理對(duì)純電動(dòng)汽車的發(fā)展有重要的意義。目前在市場(chǎng)上使用最廣泛的是空氣冷卻和液體冷卻，復(fù)合相變材料熱管理因起步較晚目前尚在實(shí)驗(yàn)研究中，它具有高潛熱和優(yōu)異的均溫性，能夠?qū)崿F(xiàn)零耗能熱管理，但是單一的復(fù)合相變材料熱管理在導(dǎo)熱、控溫性能、防泄漏、阻燃等方面尚需提高。隨著純電動(dòng)汽車整體性能的上升趨勢(shì)，單一的熱管理方法難以滿足需求，復(fù)合多種冷卻方式可以取長(zhǎng)補(bǔ)短，能充分發(fā)揮熱管理性能，是未來(lái)熱管理方法的發(fā)展趨勢(shì)。同時(shí)在研究的過(guò)程中，需要對(duì)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)進(jìn)行較為全面的測(cè)試，以及熱管理系統(tǒng)的工作安全性和穩(wěn)定性，保證其經(jīng)濟(jì)性適合大規(guī)模生產(chǎn)。