楊小平 何偉標(biāo) 鄧國蘭

(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、碳中和的時代背景下,汽車行業(yè)也在不斷地轉(zhuǎn)型升級。傳統(tǒng)的燃油汽車在工作的過程中會排放出一些HC、NOx、CO、PM等污染物。隨著環(huán)境問題和能源問題日益突出,新能源汽車替代傳統(tǒng)燃油汽車是當(dāng)前低碳經(jīng)濟(jì)時代發(fā)展的趨勢[1-3]。如今由于新能源汽車加快普及,純電動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,純電動汽車由于具有能源利用效率高、近乎零排放的優(yōu)點,能夠有效緩解能源危機和環(huán)境問題。鋰電池因其具有工作電壓高、比能量高、循環(huán)壽命長、自放電率低、無記憶性、對環(huán)境無污染和能制造成任意形狀等優(yōu)點[4]被廣泛用作電動汽車的動力電池,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 ℃,超過這個溫度范圍,輕則會降低純電動汽車的性能,重則會影響到汽車電池的使用壽命,極端的情況還會引發(fā)爆炸等事故[5],給消費者的安全帶來了威脅。因此,對純電動汽車的電池進(jìn)行熱管理成為迫切需求,如何對純電動汽車的電池進(jìn)行高效的熱管理是目前研究的熱點。

1 電動汽車電池組產(chǎn)熱分析

鋰電池工作時,在電池的內(nèi)部會發(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。美國加州大學(xué)Bernadi從兩個方面入手——熵增反應(yīng)原理和鋰離子電池內(nèi)阻[6],同時假設(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),得到鋰離子動力電池的生熱速率來估算電池?zé)嵩茨Ｐ汀＜偀崮Ｐ蛣t描述了電池組的溫度隨時間的變化。下面對電池產(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)

上述對鋰電池在充放電過程中主要產(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態(tài)速率。上述模型為分析產(chǎn)熱提供了基礎(chǔ),可以通過計算模擬以及實驗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,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,超過這個溫度范圍,鋰電池性能將迅速下降。特別是電池產(chǎn)生的過熱和溫度分布不均勻,容易導(dǎo)致模塊過早失效和嚴(yán)重的生命周期退化,在惡劣條件下,還會導(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能讓電動汽車發(fā)揮出極致的性能,還能為電池系統(tǒng)的運行提供安全保障,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)合冷卻來展開論述。

2.1 空氣冷卻

空氣冷卻分為被動空氣冷卻和主動空氣冷卻的方式[11-13],被動空氣冷卻(如圖1a所示)主要靠自然風(fēng)以及電動汽車在行駛過程中的流速作用,是一種經(jīng)濟(jì)實惠、操作方便的方式;而主動空氣冷卻(如圖1b所示)的方式因為加了主動風(fēng)源,能夠靈活的應(yīng)對更多的使用場景,其散熱效果比被動風(fēng)冷會更好。日本豐田公司的混合動力電動汽車Prius和本田公司的Insight都采用了風(fēng)冷技術(shù)。

圖1 a.被動空氣冷卻;b.主動空氣冷卻[14]

空氣冷卻的冷卻通道很大程度上影響著電動汽車鋰電池組的散熱能力和均溫性,以下將針對空氣冷卻通道發(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,外部的空氣通過進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入電池系統(tǒng),穿過電池之間的縫隙,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,而且在電動汽車高強度工作時,被動風(fēng)冷散熱能力不足以將電動汽車運行過程中產(chǎn)生的熱量帶走,因此增加風(fēng)扇或者鼓風(fēng)機等主動風(fēng)冷方法能夠帶來更好的散熱效果。

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,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)。同時采用空氣冷卻的方法,電池組內(nèi)存在的溫差會比較大,一定程度上會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,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)。同時采用空氣冷卻的方法,電池組內(nèi)存在的溫差會比較大,一定程度上會影響鋰電池的性能及使用壽命。

2.2 液體冷卻

液體冷卻方法通過液體介質(zhì)的流動換熱, 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。比亞迪、吉利帝豪和特斯拉等電動車都采用了液冷散熱方式對電池進(jìn)行熱管理。寧德時代發(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較好的散熱效果,但是也有局限性。在高溫天氣或者電動汽車高強度運行等極端情況下,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,同時也對冷卻系統(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,不利于電動汽車輕量化發(fā)展。

2.3 熱管冷卻

熱管冷卻是利用相變實現(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)階段會吸收電池產(chǎn)生的熱量,再通過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)對布置的位置也有特定的要求,布置不好會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)生相變過程中能夠吸收大量的熱量。其分類包括:有機相變材料、無機相變材料和復(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)高效地運行。下面針對不同復(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)合相變在高強度的運行狀態(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,在復(fù)合相變材料發(fā)生相變的過程是由固態(tài)變成液態(tài),會造成漏液,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和優(yōu)勢。所以,將兩種或兩種以上的冷卻方式融合形成復(fù)合冷卻,取長補短,能夠發(fā)揮出更佳的熱管理能力。下面針對不同復(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，同時又能彌補劣勢，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)格和運行環(huán)境，并結(jié)合經(jīng)濟(jì)效益來制定相應(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)行高效的熱管理對純電動汽車的發(fā)展有重要的意義。目前在市場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驗研究中，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。隨著純電動汽車整體性能的上升趨勢，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補短，能充分發(fā)揮熱管理性能，是未來熱管理方法的發(fā)展趨勢。同時在研究的過程中，需要對電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)進(jìn)行較為全面的測試，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)。