葉恭然 章學(xué)來 鄭靈玉

上海海事大學(xué)商船學(xué)院

前言

為了減少污染物和溫室氣體的排放，清潔能源汽車的發(fā)展越來越受到人們的重視，包括純電動汽車，混合動力汽車和插電式混合動力汽車[1]，它們更節(jié)能、更環(huán)保。Anderson[2]等指出如果利用可再生能源如風(fēng)能、太陽能給純電動汽車供電，可將溫室氣體排放量減少40%。電動汽車的動力由電池組提供，以鋰電池組為例，在高溫環(huán)境下快速充放電的過程中電池發(fā)生劇烈化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生大量的熱量，長時間無法有效散熱會導(dǎo)致電池內(nèi)部溫度升高，可能出現(xiàn)泄漏等現(xiàn)象，嚴(yán)重時產(chǎn)生爆炸[3]。所以電池組需要高效的溫度調(diào)節(jié)和熱管理系統(tǒng)，能在高溫條件下進(jìn)行有效散熱，在低溫環(huán)境中也能及時預(yù)熱和保溫[4]。

在動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中，按溫度變化可分為升溫?zé)峁芾砗徒禍責(zé)峁芾?。降溫?zé)峁芾淼哪康氖鞘闺姵乇砻鏈囟确植季鶆颍乐箚误w電池及電池組的整體或者局部溫度過高。降溫?zé)峁芾碇饕锌绽浞?、液冷法、相變材料冷卻法和其他一些基于制冷制熱原理的冷卻方法?？绽浞ㄗ鳛樽顐鹘y(tǒng)的冷卻方法，已應(yīng)用于電動汽車[5-6]，其中自然對流冷卻具有簡單、輕便和低成本的顯著優(yōu)點(diǎn)，但換熱效果不理想。而強(qiáng)迫對流冷卻則需要風(fēng)扇/鼓風(fēng)機(jī)的安裝，使散熱原件增加的同時消耗了電池能量；液冷法則是以液體作為傳熱介質(zhì)，通過直接和間接接觸冷卻兩種方式給電池散熱，導(dǎo)熱率大于空冷法，但需要在裝置內(nèi)設(shè)置流道進(jìn)行換熱，系統(tǒng)更加復(fù)雜[7-8]。相變材料冷卻法是基于相變吸熱原理進(jìn)行電池散熱，改善了電池的溫度均勻性，是如今主流的散熱方式[9-11]；而熱管、熱電等一些熱管理系統(tǒng)是基于制冷原理達(dá)到給電池降溫的目的[12]。

在低溫環(huán)境下，電池中電解液的導(dǎo)電率變低，當(dāng)充電時高電流會導(dǎo)致熱失控甚至安全事故，相較于成熟的降溫?zé)峁芾韀13]，隨著清潔能源汽車的推廣和使用范圍的擴(kuò)大，升溫?zé)峁芾沓蔀榱艘环N必要的提升電池在低溫下性能的方法。

1 單體電池低溫性能研究

隨著環(huán)境溫度的降低，不同種類電池性能均表現(xiàn)出一定程度的下降，而電池容量是顯示電池性能的最直觀參數(shù)，如圖1和圖2所示[14]，35Ah錳酸鋰電池2C（充放電倍率C=充放電電流/電池額定容量）充放電時，容量均隨著環(huán)境溫度的降低而減小。

圖1 某錳酸鋰離子電池2C放電圖[14]

圖2 某錳酸鋰離子電池2C充電圖[14]

低溫下放電過程中電池出現(xiàn)開路電壓降低、歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻增大的現(xiàn)象。從電化學(xué)的角度來看，因?yàn)殡S著溫度的下降，鋰離子的擴(kuò)散系數(shù)變低，鋰離子的固相擴(kuò)散的極化程度增大[15-16]，因?yàn)殇囯x子固相擴(kuò)散過程中的極化程度決定著整個鋰離子擴(kuò)散過程中的極化程度，這導(dǎo)致了極化內(nèi)阻的增大；從電池的電路模型來看，由于低溫條件造成的電池開路電壓降低，導(dǎo)致恒流放電時間減少從而使可放出電量下降，因此電池的內(nèi)阻增大是低溫條件下容量下降的重要原因。

2 低溫環(huán)境下電池?zé)峁芾?/h2>

隨著電動汽車的使用范圍不斷擴(kuò)大，人們對電池在低溫環(huán)境下的性能也提出了更高的要求，低溫下對電池的加熱和保溫是提升電池性能的一種重要方式。低溫環(huán)境電池的加熱方式包括內(nèi)部加熱和外部加熱。

2.1 電池內(nèi)部加熱

電池內(nèi)部加熱分為電池自加熱、交流電加熱和相互脈沖加熱三種方式。

2.1.1 電池自身系統(tǒng)加熱

電池自身系統(tǒng)加熱依靠電池內(nèi)阻發(fā)熱來達(dá)到升溫目的，另一方面，鋰電池盡量避免在低溫下充電，因?yàn)榈蜏叵码姵貥O化內(nèi)阻大極易導(dǎo)致鋰電池電鍍。Vlahinos等[17]模擬不同輸出功率下電池的溫度變化過程，得出隨著溫度的降低電池輸出能量變小，在-35℃以下電池輸出能量會大量減少。Ji等[18]測試電池恒壓放電和恒流放電下溫度變化，結(jié)果表明，在恒流放電下溫度變化速率由快變慢，恒壓放電下溫度變化速率由快變慢，且恒流放電下溫度達(dá)到20℃不再上升，而恒壓放電下溫度仍繼續(xù)上升。雖然自加熱方式能在短時間內(nèi)恢復(fù)鋰電池的充放電性能，但自加熱鋰離子電池的溫度均勻性較差。在此基礎(chǔ)上，Lei等[19]分析了鋰離子電池的溫度梯度，提出了一種間歇式自加熱方法，通過模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得到加熱0.1 s，停止加熱0.3s，可降低溫度梯度，將溫差從10K～11 K降低到2K～3 K。

2.1.2 高低頻交流電加熱

電池用直流電加熱，低溫下電池內(nèi)阻大，當(dāng)充電電流過大時，電池內(nèi)部電解液大量氣化[20]，易發(fā)生爆炸。Stuart和Hande[21]利用高低頻加熱器對鉛酸電池和氫鎳電池在不同的交流振幅、充電狀態(tài)（SOCS）和溫度下進(jìn)行測試，測試表明，電流幅度為60A～80A（高）時這兩種電池升溫非常快，并且低頻交流電加熱比高頻交流電加熱結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜，但質(zhì)量較重，體積較大，在車載系統(tǒng)中應(yīng)用高頻交流電加熱較好。

Ji等[18]進(jìn)一步研究了頻率對加熱速率的影響，即測試了不同頻率（0.01 Hz～2 kHz）的交流電加熱電池影響，他們將其結(jié)果與現(xiàn)有的外部加熱進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)交流電加熱是首選，因?yàn)樗訜犭姵販囟染鶆颍砻娓鞑课粶夭钶^小。Zhang等[22]在不同保溫條件下進(jìn)行預(yù)熱18650型電池實(shí)驗(yàn)，其振幅為7 A、頻率為1 Hz時在15min內(nèi)電池從-20℃加熱到5℃，溫度分布基本上保持一致，在重復(fù)的預(yù)熱試驗(yàn)后未發(fā)現(xiàn)容量損失，并且對電池不會造成太大的損害，結(jié)果表明加熱速率隨振幅增大、頻率降低而增大，保溫性能也更好。這表明交流電加熱給電池提供均勻的熱量。

Zuniga等[23]設(shè)計一種頻率為方波的交流電加熱電池，結(jié)果顯示，采用方波交流電加熱能更好的使熱量集中，避免電池預(yù)熱不足。Guo等[24]設(shè)計了一種在低溫下預(yù)熱電池的交流電梯級加熱方式，利用電熱耦合模型來進(jìn)行測試實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，電池從-20℃加熱到10℃僅需905s，平均溫升為1.99℃/min，電池容量也不會出現(xiàn)明顯變化，可作為汽車的工程預(yù)熱參考。

2.1.3 相互脈沖加熱

將整個電池組分為兩組，容量相等。當(dāng)一組放電時，另一組正在充電。將放電組的輸出功率作為充電組輸入功率。由于充電電池所需的電壓較高。除了電池輸出電壓外，還需要一個DC-DC轉(zhuǎn)換器來提高電池的放電電壓。為了平衡兩組的容量，兩組的充放電作用在一段時間內(nèi)切換，通過使用脈沖信號來完成，這種加熱方式稱為相互脈沖加熱。Ji等[18]針對三個不同的脈沖間隔（0.1s，1s和10s）模擬相互脈沖加熱。相較于對流換熱，相互脈沖加熱消耗更少的電池容量，且相互脈沖加熱具有均勻內(nèi)部加熱的額外優(yōu)點(diǎn)。

2.2 電池外部加熱

電池外部加熱有對流加熱、相變材料加熱、帕爾貼效應(yīng)加熱、加熱元件加熱等方式

2.2.1 對流加熱

對流加熱又可分為氣體對流加熱和液體對流加熱。Ji等[18]設(shè)計了一種空氣對流加熱系統(tǒng)，使用風(fēng)扇和加熱器進(jìn)行外部對流加熱，盡管裝置復(fù)雜，但電池自身的產(chǎn)熱也會加快電池的溫度上升速率，因此這種加熱方式下電池的升溫速率是最快的。Song等[25]利用加熱后的暖空氣來預(yù)熱電池，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在冬季和其他低溫環(huán)境下，如果在驅(qū)動電動汽車之前將電池周圍的區(qū)域加熱到室溫，則在這些測試周期后電池保持更大的容量。這表明，當(dāng)在低溫環(huán)境中使用相同量的電池能量時，與不進(jìn)行預(yù)熱時相比，如果使用暖空氣進(jìn)行預(yù)加熱，則可以實(shí)現(xiàn)更大的行車?yán)锍?。Vlahino等[17]也模擬熱空氣在電池間換熱的實(shí)驗(yàn)，并通過比較發(fā)現(xiàn)使用空氣換熱電池升溫明顯快于電加熱方式。

而液體加熱相較于空氣加熱能有更好的熱導(dǎo)率和更高的溫度，但是它對系統(tǒng)的要求也會更高。液體加熱現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于電動汽車中。在雪佛蘭汽車中360V的電加熱器用于加熱圍繞電池組流動的水回路[26]。此外，Henao等[27]提出一種冷啟動質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）加熱方式，以一種防凍液（乙二醇和水的混合物）作為加熱流體，這種系統(tǒng)用來加熱電池的效果非常理想，燃料電池堆溫度迅速增加，該加熱方式被證明也可以應(yīng)用于鋰離子電池組[28]。袁昊等[29]設(shè)計了一種最優(yōu)加熱結(jié)構(gòu)的U形槽加熱板，將電池系統(tǒng)溫度梯度控制在3℃以內(nèi)。

2.2.2 相變材料加熱

利用相變材料的相變吸熱或放熱原理對電池進(jìn)行熱管理最大的優(yōu)點(diǎn)就是電池溫度穩(wěn)定時間較長，Sasmito等[30]將熱絕緣體和相變材料相結(jié)合作為被動熱源應(yīng)用于質(zhì)子交換膜（PEM）燃料電池，結(jié)果表明相變材料的應(yīng)用降低了絕緣體厚度并消除外部主動加熱設(shè)備，降低其復(fù)雜性和成本。Rao等[31]模擬了PCM在低溫下對電池的熱隔絕效果，以上模擬結(jié)果表明，PCM能明顯改善低溫環(huán)境下電池溫度過低的缺點(diǎn)，但沒有用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，Ling等[32]在此基礎(chǔ)上制備了一種石蠟與氣相二氧化硅的復(fù)合相變材料，將其應(yīng)用于18650型電池上，測試電化學(xué)性能和熱性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，PCM降低了在低溫下工作的電池的容量損失，因?yàn)镻CM在完全充電-放電循環(huán)中增加了平均溫度。具有不同放電電流的40個循環(huán)的電池容量損失在5℃下降低4%，在-10℃下降低76%。

單一相變材料存在熱導(dǎo)率過低的問題[33]，而復(fù)合相變材料在降低一部分相變潛熱的情況下可以很好地提高導(dǎo)熱系數(shù)，Ghadbeigi等[34]則測試了純石蠟和石蠟-石墨復(fù)合材料在高功率鋰電池低溫下的表現(xiàn)，得出了純石蠟組在長時間冷浸后，相較無石蠟組在電池加熱時損失的能量更多，但石蠟-石墨混合組由于更高的散熱性而沒有出現(xiàn)電池預(yù)熱時損失能量過多的問題。

2.2.3 帕爾貼效應(yīng)加熱

給一個由兩種不同導(dǎo)體組成的回路通以直流電，在兩個導(dǎo)體連接處分別會有吸熱和放熱現(xiàn)象產(chǎn)生，使導(dǎo)體兩端溫度不同，改變直流電方向即可改變熱量的傳遞方向，帕爾貼元件利用了此效應(yīng)，將熱量從低溫處導(dǎo)入到高溫處。

Troxler等[35]在等溫和非等溫條件下用帕爾貼元件加熱鋰電池，使電池兩端溫度差可以達(dá)到40℃。Alaoui和Salameh[36-38]將珀耳帖元件應(yīng)用到電動汽車上，制造并測試電加熱裝置。結(jié)果表明，該裝置控制精度高，結(jié)構(gòu)簡單，能耗低。Bartek等[39]利用珀耳帖效應(yīng)研發(fā)了電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，并成功應(yīng)用到電動汽車上，該熱管理系統(tǒng)可以有效地冷卻和加熱電池組。

2.2.4 加熱元件加熱

當(dāng)發(fā)熱元件功率較小時，如PTC加熱片或小功率加熱膜等，可直接貼于電池表面進(jìn)行加熱，潘承久等[40]將電加熱膜貼于電池組內(nèi)各電池表面直接加熱電池，加熱效果較好，但影響了單體電池的散熱。李兵等[41]在5℃下利用熱敏電阻加熱帶加熱磷酸鐵鋰電池，電池最大充電容量在25℃時提高了7%。張承寧等[42]在電池面積最大的兩個側(cè)面安裝寬線金屬膜，采用FR-4銅片和絕緣耐磨層。該加熱方式安裝方便，結(jié)構(gòu)簡單，電池在低溫下的放電性能有了很大的提高。但文章中只說明了動力電池單體加熱實(shí)驗(yàn)的效果，電池組的加熱效果并未說明。劉斌等[43]在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了模擬，發(fā)現(xiàn)金屬膜數(shù)量以及加熱功率均會影響加熱效果，同時也從性能回升、能耗、一致性和溫升速率四個方面比較了PTC材料底部加熱和寬線金屬膜側(cè)面加熱的效果，結(jié)果表明，側(cè)面加熱后，動力電池的性能得到了明顯改善，其傳熱效率較高、比能耗最低，溫升速率最大且熱后溫度場均勻性好，同時一致性也最高。

3 結(jié)論

低溫下對電池進(jìn)行熱管理目的在于使電池在低溫下發(fā)揮良好的性能，電池的內(nèi)部加熱法雖然結(jié)構(gòu)簡單，加熱時間快，其中的自加熱法消耗很少的電量就可以實(shí)現(xiàn)顯著升溫，但對電池的溫度均勻性和安全性無法提供保障，在低溫下快速升溫可能電池的性能會有一定恢復(fù)，但是不能保證它能完全正常工作。而電池外部加熱雖然裝置復(fù)雜，但電池表面的溫度均勻性得到保證，電池容量不會有過多損失，這其中對流加熱結(jié)構(gòu)最為簡單，但是效率不高。相變材料加熱在保溫和電池溫度均勻性上有優(yōu)勢，但單一相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)過低，復(fù)合相變材料如今越來越多的應(yīng)用于電池?zé)峁芾?。如今PTC加熱元件法因?yàn)榧訜釡囟鹊牟痪鶆蛐砸鸦静槐徊捎?，帕爾貼效應(yīng)加熱則能將低溫環(huán)境中的熱量用于電池預(yù)熱，即使裝置不易制作，但它的高實(shí)用性仍有很好的發(fā)展前景。

未來的升溫?zé)峁芾硐到y(tǒng)應(yīng)著重研究以下幾個方面：

（1）保證電池預(yù)熱和保溫效果好的同時，盡量減小體積、減輕質(zhì)量。

（2）電池在預(yù)熱過程中盡量不要消耗自身電量，保證安全性和溫度均勻性。

（3）建議開發(fā)帕爾貼元件與相變材料耦合熱管理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高溫下相變材料蓄熱、低溫時加熱及保溫電池組，使電池組始終處于合適的工作狀態(tài)下。