蘇建彬

（福州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 福州 350108）

前言

隨著中國(guó)的制造業(yè)迅速發(fā)展，汽車工業(yè)面臨著許多挑戰(zhàn)，例如能源危機(jī)、污染治理、低碳發(fā)展和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，因此，發(fā)展新能源汽車已經(jīng)成為降低汽車工業(yè)石油依賴、降低排氣污染的唯一途徑。為了推動(dòng)新能源汽車工業(yè)，中國(guó)政府發(fā)布了一系列獎(jiǎng)勵(lì)、鼓勵(lì)措施，隨著新技術(shù)的飛速發(fā)展，新能源汽車將迎來(lái)重要的轉(zhuǎn)型變革。

然而，目前關(guān)鍵零部件的技術(shù)水平任仍然是制約新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要因素，如驅(qū)動(dòng)電機(jī)、動(dòng)力電池和電子電控技術(shù)等。其中，動(dòng)力電池是新能源汽車的動(dòng)力輸入，是整車當(dāng)中首要的零部件，其技術(shù)的高低，決定了新能源汽車的發(fā)展程度。新能源汽車的續(xù)航里程和安全性能一直是人們關(guān)注的重點(diǎn)，學(xué)者也基本圍繞這個(gè)問(wèn)題開展研究，希望解決動(dòng)力電池的可靠性、使用壽命和充電效率技術(shù)問(wèn)題[1]。通常0℃到45℃是鋰電池的工作溫度范圍，而電動(dòng)汽車電池的使用范圍在-20℃到60℃之間，在使用過(guò)程中，由于溫度的差異容易引起鋰電池溫度問(wèn)題，導(dǎo)致電池組自燃或爆炸[2]。

并聯(lián)的電池在充放電過(guò)程中，由于各個(gè)電池之間溫度的不同，會(huì)產(chǎn)生熱電耦合現(xiàn)象，溫度低的電池內(nèi)阻大，分擔(dān)的電流過(guò)小，造成電池不均衡，引發(fā)安全事故。當(dāng)電池嚴(yán)重過(guò)熱，特別是在高溫環(huán)境下，使用高倍率放電，會(huì)加劇化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，發(fā)生熱失控，電池很可能出現(xiàn)漏液、冒煙等情況，嚴(yán)重時(shí)可能發(fā)生爆炸[3]。相反，當(dāng)溫度過(guò)低時(shí)，電池會(huì)發(fā)生惰性現(xiàn)象，電池的容量降低，可能導(dǎo)致電池壽命下降。近年來(lái)，關(guān)于電動(dòng)車自燃事件的報(bào)道也不少，比如著名的特斯拉電動(dòng)車和比亞迪唐。

綜上所述，車用鋰離子動(dòng)力電池的溫度管理問(wèn)題突出，綜合多方面因素，設(shè)計(jì)合理的熱管理系統(tǒng)，來(lái)降低電池的溫度和減少電池之間的溫度不均勻性是及其重要的。優(yōu)良的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，能保證電池組在合適溫度范圍工作，延長(zhǎng)其壽命，減少電池自燃現(xiàn)象，從而提高電動(dòng)車安全性、加快電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展以及改善自然環(huán)境[4]。

1 動(dòng)力電池?zé)崮Ｐ脱芯窟M(jìn)展

電池?zé)崮Ｐ椭饕兴姆N，每種名稱和特點(diǎn)如表1 所示：

表1 模型類別表

各模型的研宄進(jìn)展如下：

1.1 集總參數(shù)模型

集總參數(shù)模型，是將電池一體化，獲取電池的總體溫度，由此得到的是一個(gè)平均值，不能計(jì)算出電池各個(gè)位置的具體溫度值。因此，集總參數(shù)模型主要用于研究電池的整體特性，且相對(duì)簡(jiǎn)單。使用集總參數(shù)模型，Gerardine Botte 高研究了鋰離子電池在高放電倍率下的溫度，并分析得到了電池溫度的影響因素[5]。王發(fā)成利用集總參數(shù)模型，建立了簡(jiǎn)易的電池?zé)崮Ｐ?，并由此得到電池的溫度、換熱量等[6]。

1.2 一維模型

為了研究電池在某一維度上的溫度分布，可采用一維模型。電池的維度包括徑向、縱向和厚度方向。相對(duì)來(lái)說(shuō)，一維模型的結(jié)果較為粗略，只能簡(jiǎn)單計(jì)算電池在某一方向的溫度分布。采用一維模型的有：Ohshima.T 等人為了驗(yàn)證一維模型的準(zhǔn)確性，對(duì)比了鋰電池在充放電過(guò)程中的溫度實(shí)測(cè)值，和在相同條件下用一維模型計(jì)算出的溫度模擬值[7]。Smith.K等人通過(guò)一維模型，得到方形鋰電池厚度方向的溫度分布情況[8]。

1.3 二維模型

二維模型較一維模型更為具體，能體現(xiàn)出電池在某一切面上的溫度分布情況。釆用二維模型的有：ChenSC 等對(duì)卷繞式單體鋰離子電池建立了二維產(chǎn)熱模型，并利用氣冷方式對(duì)其進(jìn)行冷卻模擬[9]。Wu Mao Sung 等用二維模型，對(duì)18650鋰電池在不同散熱方式下的縱向、徑向溫度分布進(jìn)行了模擬，并與試驗(yàn)的實(shí)測(cè)值進(jìn)行詳細(xì)比較[10]。

1.4 三維模型

三維模型是通過(guò)建立完整的電池三維模型，來(lái)計(jì)算出整個(gè)電池的溫度分布，是最為準(zhǔn)確的描述電池溫度的熱模型，有利于研究者對(duì)各個(gè)部分溫度的具體分析，優(yōu)化電池、電池組以及熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。采用三維模型的情況如表2：

表2 研究現(xiàn)狀表

2 鋰離子動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)要求

電池組熱管理主要是依據(jù)電池的最佳溫度工作范圍，通過(guò)優(yōu)化電池箱結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)、改進(jìn)電池排列方式以及加入傳熱導(dǎo)熱介質(zhì)等來(lái)有效地對(duì)電池組進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)。主要是當(dāng)電池溫度過(guò)高時(shí)進(jìn)行散熱、電池溫度過(guò)低時(shí)進(jìn)行加熱，達(dá)到降低電池組的最高溫度和電池與電池之間的溫度差，從而提高電動(dòng)汽車的安全性以及運(yùn)行效率。

2.1 散熱方案的研究

20 世紀(jì)80 年代，便有了電池?zé)峁芾硐嚓P(guān)技術(shù)，不過(guò)，由于電池在大型設(shè)備等領(lǐng)域幾乎沒(méi)有應(yīng)用，在1998 年之前，電池?zé)峁芾砑夹g(shù)很少受到關(guān)注。1999 年之后，動(dòng)力電池運(yùn)用越來(lái)越廣泛，動(dòng)力電池也顯現(xiàn)出其本身的熱問(wèn)題，電池?zé)峁芾砑夹g(shù)引起重視，并開始系統(tǒng)化。目前，電池?zé)峁芾淼募夹g(shù)主要有以下幾種：

（1）研究耐溫電池材料，具體分類如圖1：

圖1 耐溫材料分類圖

（2）研究空氣冷卻，具體分類如圖2：

圖2 空氣冷卻分類圖

（3）研究液體冷卻，具體分類如圖3：

圖3 液體冷卻分類圖

（4）基于制冷制熱原理的熱管理系統(tǒng)，具體分類如圖4：

圖4 制冷制熱原理分類圖

（5）研究相變材料冷卻。

其中多種方式的耦合，能彌補(bǔ)不同技術(shù)的缺點(diǎn)，發(fā)揮出更好的作用，一直是研究的熱點(diǎn)[12]。

2.1.1 空氣冷卻

目前主要采用的冷卻方法是空氣冷卻，分為被動(dòng)散熱（自然冷卻）和主動(dòng)散熱（強(qiáng)制對(duì)流散熱）兩種。電池的溫度受換熱系數(shù)的影響，當(dāng)換熱系數(shù)減小到0 即絕熱時(shí)電池的溫度，電池組的溫度越來(lái)越高。一般認(rèn)為5W/m2·K 的對(duì)流換熱系數(shù)對(duì)應(yīng)自然冷卻，而25W/m2·K 的對(duì)流換熱系數(shù)對(duì)應(yīng)強(qiáng)制對(duì)流冷卻。常見的送風(fēng)通道，有串聯(lián)通道和并聯(lián)通道兩種（如圖 5）[13]。

圖5 （a）串聯(lián)通道；（b）并聯(lián)通道

雖然空氣冷卻實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較容易，但是其冷卻效果不大理想，而且還需要給風(fēng)扇等散熱器提供額外的功率。

2.1.2 液體冷卻

液體冷卻分為兩種，一種是把液體灌注到條狀管式裝置或者散熱夾套中[14]。另一種是將電池浸沒(méi)在冷卻液中，這種方式要求液體必須是絕緣的電介質(zhì)，以避免短路[15]。一般冷卻系統(tǒng)通過(guò)管路和電池相連，將冷卻液注入到管路中，通過(guò)冷卻液的循環(huán)流動(dòng)，將電池的熱量帶走。通常來(lái)說(shuō)，液體的傳熱效率大于空氣[16]。液體能通過(guò)傳遞熱量來(lái)冷卻，可以使電池組的溫度分布得更均勻，但是如果采用導(dǎo)電液體，就得考慮短路問(wèn)題，增加結(jié)構(gòu)和密封性將液體和電池隔開，這樣帶來(lái)的不利影響包括：增加了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、增加設(shè)計(jì)制作成本以及降低了冷卻性能。

2.1.3 相變材料（PCM）冷卻

相變材料是指：在一定溫度下，自身的物理狀態(tài)發(fā)生變化的物質(zhì)。當(dāng)其物理性質(zhì)發(fā)生變化，即發(fā)生相變時(shí)，相變材料會(huì)吸收或者釋放很大的相變潛熱，電池組內(nèi)溫度的一致性，就是由相變潛熱來(lái)保證的。這種散熱方式不像空氣冷卻是通過(guò)溫差來(lái)散熱的，因此，對(duì)平衡溫度要求較低，幾乎不受外界環(huán)境因素的影響，從而能起到保證電池單元在正常溫度范圍的作用。但是相變材料作為單純的吸熱和儲(chǔ)熱物質(zhì)，不能將本身的熱量散去，電動(dòng)汽車在工作時(shí)需要將熱量及時(shí)的散掉，所以，采用這種冷卻方式與其他散熱方式相結(jié)合能獲得更好的效果[17]。

常見相變材料的比熱容和相變潛熱如表3：

表3 常見相變材料參數(shù)表

2.1.4 熱管材料冷卻

除了相變材料，鋰離子動(dòng)力電池?zé)峁芾硪渤２捎脽峁芗夹g(shù)，這是因?yàn)闊峁芫哂谐瑥?qiáng)的導(dǎo)熱能力。同時(shí)熱管的工作溫度范圍廣，因此在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。熱管技術(shù)主要時(shí)通過(guò)熱傳導(dǎo)原，透過(guò)熱管將熱源的熱量快速傳遞到外界去。熱管的多樣性性決定了其有多種分類方式，有按工作溫度分、按工作回流力分、按介質(zhì)分以及按結(jié)構(gòu)分。

熱管主要由液芯、熱管殼和傳熱工質(zhì)組成。熱管構(gòu)件分為三個(gè)工作段，從軸向依次為蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段[18]。熱管就是通過(guò)這三個(gè)工作段的熱量循環(huán)來(lái)進(jìn)行熱傳輸?shù)摹?/p>

每個(gè)工作段的作用如表4：

表4 熱管各段作用表

熱管工作過(guò)程如表5 所示：

表5 熱管工作過(guò)程表

由于是相變傳熱，且沒(méi)有外部能量輸入，因此熱管連續(xù)循環(huán)的工作過(guò)程是無(wú)源的，提高了熱管的安全可靠性，而且延長(zhǎng)了其使用周期。另外，熱管的工作方式，決定了其內(nèi)阻很小，能夠以極小的溫差轉(zhuǎn)化大量的熱。

3 結(jié)論

本文主要對(duì)鋰離子動(dòng)力電池?zé)釥顟B(tài)研究現(xiàn)狀進(jìn)行闡述，并就鋰離子動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)要求進(jìn)行分析。建議以后鋰離子電池?zé)釥顟B(tài)研究可以將研究重心放在多種維度模型結(jié)合，得到在各種條件下的最佳組合方式。