車載動力電池熱管理專利技術路線綜述

崔巖　馬宏珺　郭耀斌

摘 要：車載動力電池的安全、性能、壽命等均與電池的溫度密切相關。電池熱管理是新能源汽車車載儲能裝置安全的重要技術分支，受到新能源整車企業、電池廠商以及公眾的廣泛關注。該文針對動力電池熱管理技術，通過動力電池熱管理的技術發展路線、撰寫了動力電池熱管理技術綜述。

關鍵詞：動力電池 儲能裝置 熱管理 技術路線

中圖分類號：G306 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）01（c）-0046-03

1 車載動力電池熱管理技術

動力電池作為新能源汽車的心臟，即動力來源，因此其安全性對于新能源汽車的安全性而言是至關重要的。電池熱管理技術，是根據溫度對電池性能的影響，結合電池的電化學特性與產熱原理，基于具有電池的最佳充放電溫度區間，通過合理的設計，建立在材料學、電化學、傳熱學、分子動力學等多學科多領域基礎之上，為解決在溫度過高或過低情況下工作而引起熱散逸或熱失控問題，以提升電池安全性能的技術。

2 車載動力電池技術發展路線

車載動力電池熱管理技術的發展主要涉及流道布置、空氣、液體和相變材料4條主線，四者作為一個統一的整體，共同影響著新能源汽車電池的安全性能。從技術發展路線來看，流道布置的發展注重和整車流道系統的結合，而空氣、液體和相變材料3個熱管理介質的發展路線，注重取長補短，采取兩兩配合的方式一起使用在電池的熱管理技術中。對于電池熱管理技術發展路線的研究，有助于行業和企業理解熱管理技術的發展歷史、現狀以及未來發展方向，從而引導行業和企業準確把握技術發展方向，合理布局研發重點。

2.1 流道布置注重和整車流道系統的結合

首先，流道的布置決定了傳熱介質流經電池組不同位置的先后順序，從而影響不同位置的局部散熱速率。其次，流道的布置決定了傳熱介質在不同位置的流速，而流速將影響局部對流換熱系數。再次，流道的布置決定了流道的局部形狀，該形狀也將影響到局部對流換熱系數的取值，因此流道布置的合理性對電池熱管理效果的影響十分顯著。結合在新能源汽車領域，流道的布置和整車的流道系統的完美結合更是對電池的熱管理起著至關重要的作用，因此從流道布置的技術發展路線來看，其注重和整車流道系統的結合。

參見圖1，早期的流道布置還停留在電池組的流道本身的改進，并沒有涉及和新能源汽車整車的流道系統的整合。例如多組電池的空氣冷卻通道布置，參見布朗勃法瑞在1982年申請的專利“高溫儲能電池”（DE3247969A1）。由于該專利僅是局限于電池組內部的冷卻流道方式，對于整車的流道系統并沒有涉及，而本田顯然更注重電池組的流道系統和整車的流道系統的整合，例如本田于1991年申請的專利“用于電動車電池冷卻裝置”（JPH05169981A）。這一時期的專利，雖然能夠將電池流道和整車流道系統進行整合，但是只是停留在電池機械布置在車架中的簡單結構布置，并沒有和車輛其他系統的集成，整車系統的流道部件最重要的空調系統和發動機系統等并沒有與電池的流道進行結合布置，導致其系統集成度不夠，布置不夠便捷，并且該專利“用于電動車電池冷卻裝置”（JPH05169981A）只是考慮了電池的冷卻問題，并沒有注意到電池的加熱問題。針對現有流道系統的問題，流道系統向更集成的方向發展，并且出現了與車輛發動機系統的結合，例如三菱與通用于1999年申請的專利“車輛電池的溫度控制器”（EP1065354A2），采用發動機的余熱來控制電池的溫度，其系統集成度更高，并且節省了熱源等其他部件，降低成本，并且給布置帶來了空間的便利。隨著新能源汽車在2005年之后的大幅度增長，降低成本，節省空間等問題變得更為迫切，各個廠家分別提出更集成的流道布置方案，比如電裝于2007年申請的專利“用于車載電池組的溫度控制裝置”（US2009078400A1），該專利申請集成了發動機系統和空調系統的流道，在節省成本和節省空間上優勢更為明顯。通用于2011年申請的專利“用于基于空氣的混合動力蓄電池熱調節系統的分開的雙進口殼體”（US2013327581A1），涉及一種基于空氣的混合動力蓄電池熱調節系統的分開的雙進口殼體，其也是采用電池流道和整車流道的結合布置的。

綜上所述，流道布置從電池組內部的流道設計，發展到與整車其他系統的結合的集成系統，其經歷了從單一到集成從而使整車系統集成度提高的過程。純電動汽車以后將不會采用發動機，但是整車系統的集成一直是新能源汽車領域的發展方向，因此系統集成化的道路還可能會有更新的發展，比如電池的流道布置與電動機和/或發電機冷卻流道以及空調系統的集成和結合將會是純電動新能源汽車的未來集成方向。

2.2 流道布置根據電池的類型和車輛空間進行演進

參見圖1，隨著豐田公司于1997年推出了世界上首臺量產的新能源汽車普銳斯，日本的新能源汽車的發展開始大幅度領先于世界，無論整車企業還是電池配套企業在這一時期申請了大量的專利。這一期間的新能源汽車主要是以鎳氫電池為主，流道布置也是根據鎳氫電池的特點進行布置的，比如松下于1995年申請的專利“具有通風系統的電池”（US5800942A）。相對于鎳氫電池，鋰離子電池的體積小、質量輕、循環壽命長，自放電率低，無記憶效應且污染相對較小。在2000年之后隨著鋰離子電池技術的快速發展，鋰離子電池逐漸取代了鎳氫電池應用在新能源汽車上作為動力電池使用。這一時期，疊層鋰離子由于體積上的優勢，被廣泛地應用于新能源汽車，其流道的布置的專利申請的隨之增多，比如日產于2004年申請的專利“蓄電池”（EP1583170A2），該電池組，其包括：堆疊于彼此之上的單元電池層，該技術方案在保證電池組小型化、輕型化的同時通過流道的設計，使該電池組散熱性能良好。疊層電池組具有每個電池單體排列緊湊的特點，但是隨之而來的問題就是不能對每個電池單體就行充分的冷卻，每個電池單體之間的溫度不均勻，針對這一問題，LG于2011年申請了專利“具有新型氣冷結構的電池組”（WO2012177000A2），其采用新的單體電池布置方案，通過該技術方案保證了每個電池單體可以充分的冷卻，防止電池組溫度不均勻的現象發生。

由于在新能源汽車中，其空間是十分有限的，既要考慮整車的乘坐舒適性，又要保證各個系統可以緊湊的布置在車架的有限空間內，因此，電池流道的布置要根據車型和車型的空間進行調整。比如豐田為申請人于2000年申請的專利“一種能將冷卻空氣能夠從車輛地板的開口引入電池殼體中車輛儲能裝置”（EP1153803A2），其將電池流道的入口與車輛的地板上的開口相連通，不需要單獨設置一個開口部件，節省了流道布置的空間。隨著新能源汽車技術的發展，各種車型不斷推出，除了節省空間的需求外，還對冷卻流道的布置提出了新的要求，比如在最大化地利用空間的同時，避免與車輛的其他部件之間發生物理和傳熱的干涉，保證電池能夠良好地運行。豐田公司又于2005提出了專利申請“用于二次電池的冷卻結構”（EP1864845A1），冷卻流道結構在駕駛員座椅與副駕駛座椅之間的地板上布置第一中心排出管以及第二中心排出管，該構造使得冷卻結構能夠不會受到來自布置在地板表面下方的排氣管的影響。并且隨著純電動汽車的出現，需要電池能夠提供足夠大的驅動力，對電池容量需求的提高，在電池的類型不發生變化的情況，只能通過增加電池的數量來解決，這樣不可避免地帶來電池體積的增大，如何在整車的有限空間內布置體積越來越大的電池成為了迫切需要解決的問題，本田公司于2011年提出了專利申請“電動車的電池包結構”（WO2013084935A1），其通過使電池在車架的前后方向上布置，作為車輛的地板結構，最大化地利用車輛的前后方向的長度，以減小電池包的高度，同時隨著電池在車架前后方向上的加長，保證了上流冷卻流道和下流冷卻流道的長度，增加了整個電池組的冷卻能力。

綜上所述，新能源車的構形不斷地出現，從混動到純電動，電池的技術總是在不斷地向前發展，從鎳金屬電池到鋰離子電池，未來可能會出現新車型和電池類型，為了適應車型和電池類型的不斷出現，流道的設計和布置必須適應車型和電池類型的發展歷程，只有這樣才能讓電池運行在一個適宜的溫度范圍內。

2.3 熱交換介質從單獨使用向互相結合使用演進

電池的熱交換介質，主要分為3類：空氣，液體，相變材料。三者各自具有優缺點，空氣的系統成本和系統復雜性都較低，傳熱效果較低，液體卻相對于空氣，其系統成本和復雜性都較高，傳熱效果也較高，而相變材料系統復雜性較低，但是其系統成本較高，傳熱效果也較高。

參見圖1，以空氣作為傳熱介質出現的相對較早，如前文提到的布朗勃法瑞于1988年申請的專利“高溫儲能電池”（DE3247969A1），就是采用的空氣作為冷卻介質的。上述冷卻對電池之間的流道沒有導向作用，可能導致冷卻的不均勻性，針對該問題，松下和豐田作為申請人于1997年提交了專利申請“用于電池電源裝置的端板及電池電源的冷卻裝置”（EP0892450A2），其采用強制風冷，這樣就使電池的冷卻更加均勻。由于空氣的傳熱效率較低，隨著電池的容量越來越大，那么就需要采用傳熱效率更好的介質與其進行熱交換，以使電池在合適的溫度下工作。豐田作為申請人于2007年提交了專利申請“電源系統”（US2009233158A1），其將電池設置在熱交換液體中，從而，電池組件的溫度能夠被迅速調整到合適的溫度。隨著相變材料的出現，為了使空氣作為傳熱介質能夠結合相變材料熱交換效率高的特征，豐田作為申請人于2011年提交了專利申請“電池殼體和車輛”（WO2013061132A2），在其電池的殼體外部設置有相變材料，并且采用強制風冷的方式進行熱交換，采用了相變材料和空氣兩種傳熱介質，能夠結合兩者的優點，實現快速熱交換。

參見圖1，以液體作為傳熱介質出現的也是相對較早，比如株式會社明電舍作為申請人于1985年提出的專利申請“用于電動車的電池的冷卻方法”（JPS622471A），將冷卻劑送入到電池的冷卻劑槽中以冷卻電池，其采用非接觸式。但是其并不涉及在多個電池組之間的傳熱管路布置，可能會造出傳熱不均勻的情況。豐田作為申請人于1992年提出的專利申請“用于電動車的升溫裝置”（US5624003A），其是在電池組之間布置管路，以將傳熱介質液體引入管路中，使電池組和液體之間熱交換均勻，并且其采用水作為傳熱介質，也為非接觸式。由于非接觸的傳熱效率相對于接觸式來說，是相對較低的，因此為了提高傳熱效率，戴姆勒作為申請人于1994年提交了專利申請“浸入冷卻液中的電池組”（GB2295264A），其把電池組浸入到冷卻液中以對電池進行直接冷卻，采用接觸式的方式進行冷卻，冷卻液采用鄰苯二甲酸二丁酯。采用接觸式傳熱，能夠大大地提高傳熱效率。為了進一步提高傳熱液體在電池之間的循環能力，豐田作為申請人于2007年提交了專利申請“用于車輛的電源裝置”（JP2008251304A）以及專利申請“電源裝置”（JP2008192378A），都是把電池組浸入到冷卻液中以對電池組進行直接冷卻，采用接觸式的方式進行冷卻，冷卻液采用氟系惰性液體、自動傳動液或者硅油，為了提高傳熱效率，采用外部動力對冷卻液進行攪拌。隨著相變材料的出現，為了使液體作為傳熱介質能夠結合到相變材料的優點，通用作為申請人于2011年提交了專利申請“用于汽車蓄電池的具有微囊封裝的相變材料的液體冷卻劑”（專利公開號：US2013004806A1），其公開了與冷卻流體結合使用的微囊封裝的相變材料，微囊封裝的相變材料構造為在較低的溫度和較高的溫度下具有增強的潛熱傳遞性質，以致使用這種汽車電池組組件的車輛更能抵抗冰凍和過熱的環境，采用了相變材料和液體兩種傳熱介質，形成了復合冷卻流體，能夠結合兩者的優點，實現快速熱交換。

參見圖1，相變材料作為傳熱介質，其相對于空氣和液體來說，出現的相對較晚，比如寶馬作為申請人于1992年提出的專利申請“特別是用于驅動車輛的電池”（EP0588004A1）。隨著鋰離子電池的出現，對電池的散熱性能提出了更高的要求，單純在電池殼體外部設置有相變材料已經不能滿足電池熱交換的需求。日產作為申請人于2002年提出的專利申請“疊層電池”（專利公開號：EP1414084A2），其在制造極片時，在材料中混入了相變材料以提高熱交換性能。只是將材料混入了相變材料，相變材料較少，其熱交換能力具有一定的局限性。進一步的，LG在其疊層電池中也采用了相類似的散熱技術，比如LG作為申請于2009年提出的專利申請“具有改進的安全性的電池模塊”（EP2416438A2）。

綜上所述，通過傳熱介質的演進來看，在初期各傳熱介質單獨的發展，隨著電池熱交換需求的逐漸提高，開始在電池上出現不同傳熱介質的結合使用，這將是未來的發展方向，同時隨著新材料的不斷涌現，未來可能會出現新的傳熱介質形式。

參考文獻

[1] 陳柳欽.我國新能源汽車產業的發展及其政策支持[J].汽車工程師，2010（7）：12-15.

[2] 竇汝振，李磊，宋建鋒.電動汽車用驅動電機系統的現狀及發展趨勢[J].變頻器世界，2007（2）：73-74.