动力电池热管理及其系统开发

动力电池热管理及其系统开发2012年03月06日 15:10 来源：《汽车纵横》2011年12月刊文王泰华新能源汽车的关键技术之一是动力电池，电池的好坏一方面决定着电动汽车的成本, 另一方面决定着电动汽车的续驶里程，这两项也是新能源汽车是否能为广大消费者接受和迅速得到普及的关键因素。

所以，围绕动力电池及其应用的研究显得特别有意义。

本文从动力电池的种类和应用入手，分别介绍了它的产热行为和各种热管理方式，然后通过一款混合动力汽车的磷酸铁锂电池应用，对其热管理系统、运行特性等进行分析和探讨，最后提出了后续热管理开发中需要进一步研究的问题。

动力电池种类及应用作为新能源汽车上的动力电池必须具备一定的条件,首先是安全性，只有安全性达到了一定的标准才能得到应用；其次是制造成本，那些制造成本低且寿命长的电池才有机会作为动力电池；再次，动力电池还要具有高的能量密度和功率密度，这些是电动汽车是否具有高的续驶里程、加速性及爬坡度的一个衡量标准；动力电池还必须能够回收，尽量减小对环境的污染。

根据动力电池的使用特点、要求、应用领域不同, 国内外动力电池的研发种类大致为: 铅酸蓄电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池、燃料电池等，其中以锂离子电池的发展最值得关注。

锂离子电池具有电压高、比能量高、充放电寿命长、无记忆效应、对环境污染小、快速充电、自放电率低等优点，其发展势头极为迅猛，已广泛应用笔记本电脑、移动电话、录像机、小型医疗保健设备、摩托车、自行车等领域，而在航空、航天、航海和军事领域的应用研究也正在积极开展和深入，在电动汽车领域目前已成为主要的动力源。

锂离子电池的技术发展呈现出多方向并举的局面，主要在于所采用的正极材料的不同。

因为正极材料的性能将很大程度地影响电池的性能。

同时正极材料也直接决定电池成本的高低。

目前已批量应用于锂电池的正极材料主要有钴酸锂、镍酸锂、锰酸锂以及磷酸铁锂。

但由于钴金属储量少、价格昂贵，而且作为动力电池其安全也存在问题, 目前应用最为广泛的是锰酸锂电池和磷酸铁锂电池。

产热行为电池模块的热来源、产热速率、电池热容等有关参数，与电池的本质密切相关。

电池放出热量取决于电池的化学、机械、电学本质和特征，特别是电化学反应的本质。

电池反应中产生的热能，可以用电池反应热Qr来表示；电化学极化使电池实际电压偏离其平衡电动势，而由电池极化引起的能量损失用Qp来表示。

电池反应除了按照反应方程式进行之外，还存在一些副反应，典型的副反应包括电解液分解及电池自放电，这个过程中产生的副反应热为Qs。

此外，由于任何电池都会不可避免地存在电阻，故电流通过时就会产生焦耳热Qj。

因此，一个电池总的热量为如下几个方面的热量总和： Qt = Qr +Qp +Qs +Qj 根据具体充电（放电）过程的不同，引起电池产热的主要因素也不同。

例如，在电池正常充电时，Qr是主导因素；而在电池充电后期，由于电解液的分解，导致了副反应开始发生（副反应热为Qs )，当电池接近充满电而进行过充电时，主要发生的是电解液分解，这时Qs占主导地位。

而焦耳热Qj则取决于电流和电阻，常用的充电方式是在恒定电流下进行的，此时Qj是一个特定值。

然而，在启动和加速时，电流比较大。

这对于HEV来说，相当于几十安培到上百安培的电流，这时候焦耳热Qj很大，成为了电池放热的主要来源。

热管理方式电池组中有电解液、电极、隔板等各种材料，由于高温会加速它们的老化速率，而且当电池组中温差较大时，高温部分的老化速率会明显快于低温部分，随着时间的积累不同电池之间的物性差异将越加明显，从而破坏了电池组的一致性，最终使整组电池提前失效。

所以，电池热管理设计对于维持电池正常工作，延长使用寿命从而减少售后使用成本具有重要作用。

从控制性的角度，热管理系统可以分为主动式、被动式两类。

从传热介质的角度，热管理系统又可以分为：空气冷却式热管理、液体冷却式热管理，以及相变蓄热式热管理。

以空气为传热介质的热管理传热介质对热管理系统的性能和成本有重大的影响。

采用空气作为传热介质就是直接把空气引入，使其流过模块以达到散热目的，一般需有风扇、进出口风道等部件。

根据进风来源的不同，一般有以下几种形式：1．外界空气通风被动式冷却2. 乘客舱空气通风被动式冷却/加热3. 外界或乘客舱空气主动式冷却/加热被动式的系统结构相对简单，直接利用现有环境。

比如，冬季电池需要加热，可以利用乘客舱的热环境将空气吸入，若行驶中电池温度过高，乘客舱空气的冷却效果不佳，则可将外界冷空气吸入降温。

而主动式系统，则需建立单独系统，提供加热或冷却的功能，根据电池状态独立控制，这也增加了整车能源消耗和成本。

不同系统的选择主要取决于电池的使用要求。

以液体为传热介质的热管理以液体为介质的传热，需在模块与液体介质之间建立传热通道，比如水套，以对流和导热两种形式进行间接式加热和冷却，传热介质可以采用水、乙二醇甚至制冷剂。

也有把模块沉浸在电介质的液体中直接传热，但必须采用绝缘措施以免发生短路。

被动式液体冷却一般是通过液体-环境空气换热后再将其引入电池进行二次换热，而主动式则是通过发动机冷却液-液体介质换热器，或者电加热/燃油加热实现一级加热，以乘客舱空气/ 空调制冷剂-液体介质实现一级冷却。

对以空气和液体为介质的热管理系统由于需要风扇、水泵、换热器、加热器、管路以及其它附件而使结构过于庞大、复杂，同时也消耗了电池能量、降低了电池的功率密度和能量密度。

相变蓄热式热管理近年来在国外和国内出现采用相变材料（PCM）冷却的电池热管理系统展现出良好前景。

利用PCM 进行电池冷却原理是：当电池进行大电流放电时，PCM 吸收电池放出的热量，自身发生相变，而使电池温度迅速降低。

此过程是系统把热量以相变热的形式储存在PCM 中。

在电池进行充电的时候,特别是在比较冷的天气环境下(亦即大气温度远低于相变温度PCT )，PCM 把热量排放到环境中去。

相变材料用于电池热管理系统中具有不需要运动部件、不需要耗费电池额外能量等优势。

具有高的相变潜热和导热率的相变材料，用于电池组的热管理系统中可以有效吸收充放电过程中放出热量，降低电池温升，保证电池在正常温度下工作。

可以使大电流循环前后电池性能保持稳定。

通过在石蜡中添加热导率高的物质制成复合PCM，有助于提高材料的综合性能。

从以上三类热管理形式上看，相变蓄热式热管理具有得天独厚的优势，值得进一步研究和产业化开发应用。

磷酸铁锂电池的热管理系统开发下面以应用在某插电式混合动力汽车中磷酸铁锂电池的热管理系统为案例，对其模拟不同的整车工况，通过系统台架对冷却运行特性、控制目标和策略等进行测试和分析。

系统架构水冷式电池冷却系统采用冷却液（50%/50% 水/乙二醇）将电池热量，经电池冷却器传递至空调制冷剂系统，并通过冷凝器传递至环境中。

电池进口水温经电池冷却器换热后容易达到较低的温度，可调节电池在最佳工作温度范围内运行；系统原理如图所示。

其中制冷剂系统主要部件有：冷凝器、电动压缩机、蒸发器、膨胀阀带截至阀、电池冷却器（膨胀阀带截止阀）及空调管等；冷却水路包括：电动水泵、电池（含冷却板）、电池冷却器以及水管、膨胀水箱等辅件。

冷却运行特性在试验准备阶段，为了使电池充满电量并达到一定的起始电池温度点，采用了充电、充-放电以及环境温度舱升温等不同方式。

根据电池产热行为分析，这个过程中电化学反应热和焦耳热占主导，伴随着副反应热和电极极化热以及外界传热等形式，将电池加热到恶劣起始工况；在试验阶段，研究冷却过程的启动、运行特性，掌握电池的降温速率、影响因素及温度分布等。

对电池的负载工况，根据整车适用环境、目标市场、行驶模式、热管理需求等制定，可以分恶劣驾驶工况、普通驾驶工况等分别对电池热管理系统的冷却特性进行考察，本文将以热启动、NEDC（新欧洲驾驶循环）、低速爬坡三种工况为例进行分析。

我们结合一款电池热管理系统的台架试验开发进行了简单分析和说明，结果表明该系统能满足电池在这三个工况下的冷却要求。

因为电池冷却的传热途径为电池芯体-传热介质-冷却板-冷却液，所以在电池内部存在温差，以及建立稳定的热平衡需要一定的时间。

依此，在试验中，切断冷却器，即电池冷却停止后，冷却液温度回升，但电池温度仍维持下降趋势，因为冷却板表面与电池之间仍存在温度梯度和传热行为，下降速率也逐渐放缓；该过程持续大约20分钟。

这对有效减少电力消耗和优化控制提供了重要参考。

以上基于动力电池热管理，从电池的产热行为认识了不同工作过程的主要热源，以及高温和温度差异对电池的不良影响，并讨论了不同的热管理形式及优缺点。

另外，我们也从中发现：⒈电池降温速度对系统冷却能力设计有重要影响，这主要是涉及到电池内部的传热设计，比如热量传递路径、传热介质、电池芯体结构设计等，电池自身发热和能够被带走的热量不能等同，这一点必须由电池总成的台架试验进行测定，然后输入给外部热管理系统；⒉电池模块布置方式也是重要影响因素，但这与整车布置空间、碰撞安全等相关，在进行布置设计时，热管理系统设计也需密切关注和评估，并可以作为整车电池布置方案决策的输入。

结合电池运行特性，在后续开发阶段，需对空调系统耦合运行和热管理控制策略进行深入研究，使系统节能、高效地对电池进行热管理。

另外，从电池设计和热管理系统开发两个环节来看，应从战略高度将两者有机结合起来，进行同步开发，使电池更好地适应整车应用和开发，这样既能节约整车成本，又能降低应用难度和开发成本，形成平台化应用，从而缩短新能源汽车的开发周期，加快不同新能源车型的市场化进度。

（本文作者系上海汽车集团股份有限公司技术中心工程师）。