淺談新能源汽車用鋰電池熱管理系統設計

謝佳平

上海松岳電源科技有限公司 上海市 201804

1 引言

鋰電池生熱首先會對自身造成影響，導致電能輸出功率不穩定或中斷，由于電能是新能源汽車的驅動能源，一旦出現此類現象就代表汽車失去動能，這對于高速行駛的新能源汽車而言十分危險，其次熱能還可能對周邊線路造成影響，間接引發其他故障。由此可知鋰電池熱管理系統的重要性，但該系統在不同新能源汽車中的設計方式不同，就這一點文中將提出兩種熱管理系統設計方案，并對兩者進行仿真測試對比兩者優劣。

2 鋰電池生熱與傳熱機理

2.1 生熱機理

鋰電池生熱機理可以幫助我們對電池溫度進行預測，同時給予熱管理系統設計信息支撐，因此有必要對此進行分析。根據相關研究得知鋰電池生熱原因有四，分別為焦耳熱、反應熱、極化熱、副反應熱，四者在鋰電池運作中同時存在，因此電池總生熱量為四者相加之和，但要確認總生熱量數值就必須先確認四者實際熱量，就這一點下文將對四者產生機理與計算方法進行分析。

2.1.1 焦耳熱

焦耳熱是在焦耳原理下產生的熱能，即鋰電池的殼體、極柱、正負極等組成部分都存在內阻，相應在運作中電流會與內阻接觸激發焦耳原理，最終出現焦耳熱。焦耳熱是鋰電池運作中最主要的熱源，其恒定為正值。關于焦耳熱的計算方法見公式（1）[1]。

式中Qj代表焦耳熱；I代表電流大小；RΩ代表電池歐姆內阻。

2.1.2 反應熱

鋰離子電池的工作原理為：鋰離子、電子之間不斷進行正負極的嵌入和脫嵌，這一過程代表電池運作時內部粒子存在轉移動作，此動作就會產生反應熱。根據理論可知反應熱可逆，代表電池無論在充電或者放電條件下熱量大小都是相等的，但正負相反（充電為負、放電為正）。關于反應熱的計算方法見公式（2）。

式中Qr代表反應熱；m代表電極質量；n代表電池數量；QI代表電池正負極化學反應總生熱量；M代表摩爾質量；F代表法拉第常數。

2.1.3 極化熱

極化是鋰電池運作中必然存在的現象，具體表現有三：①因歐姆內阻導致的歐模電阻極化；②因電子移動速度超過電極反應速度導致的電化學極化；③因鋰電池內鋰離子擴散速度低于電極反應速度導致的濃差極化。在任意極化表現下都會帶來壓降，相應就出現了極化熱，極化熱同樣恒定為正值。關于極化熱的計算方法見公式（3）。

式中Qp代表極化熱；Rp代表極化內阻；R0、Rn、Rd代表以上三種極化現象，說明三者將同時存在。

2.1.4 副反應熱

副反應熱是一種出現概率、造成熱量較小的鋰電池熱源，即只有在鋰電池過充電或過放電條件下，導致電池電極材料出現分解狀態時才會出現副反應熱。就這一點可知，現代新能源汽車鋰電池運作中基本不會出現過充、過放現象，因此副反應熱可以忽略不計。

2.2 傳熱機理

在鋰電池生熱之后，熱能對傳播到周邊物體上，這一表現即為鋰電池的傳熱現象。傳熱現象的機理表現有三，分別為熱傳導、對流換熱、熱輻射，下文將對三者進行分析。

2.2.1 熱傳導

熱傳導是一種利用肉眼不可察介質實現熱能傳播的物理現象，在生活中十分常見。例如當鋰電池生熱之后，附著于鋰電池上的粒子溫度就會升高，隨后因為粒子存在無序運動行為，所以當帶有溫度的粒子與周邊事物接觸，就實現了熱能傳播[2]。

2.2.2 對流換熱

對流換熱是一種以流體為介質實現熱能傳播的物理現象，即當流體整體存在溫差時，受流體的宏觀位移使得溫度相互混合，由此就實現可傳熱。另外，對流換熱同時還具備熱傳導的特征，即只有在外部與流體之間存在溫差才能實現熱能傳播。

2.2.3 熱輻射

熱輻射是一種不需要介質或媒介就能實現熱能傳播的物理現象，即任何溫度大于0k的物體都具有吸收熱能的作用，相應受發熱物體粒子運動下產生的電磁波影響，會導致其他物體溫度升高。

3 熱管理系統設計

3.1 設計方案一

方案一設計中，首先依照5mm的間距將所有鋰電池分為兩列，通過條形支架對電池進行固定、支撐，支架的安裝與安裝面平行，其次進行空氣進出口設計，主要采用矩形形狀。表1為方案具體數據；方案一設計結構見圖1。

表1 方案具體數據

圖1 方案一設計結構

對方案一運作進行理論分析：氣體將通過箱體的左下方進入箱體內，方向為水平向，通過內設導流板（因導流板并不會影響到模型運作，因此在設計部分省略）使氣流均勻滲透到電池間隙，利用氣流流動帶走電池表面熱量，再從右上方出口排出，由此實現散熱。在整個設計當中，因為支架緣故氣流進入箱體后并不會出現紊亂，而是不斷朝出風口發展，可保障散熱功能的有效性。

3.2 設計方案二

方案一的特點在于風力進入箱體后可以均勻的對每個電池進行散熱，但該方案的面積較大，可能不適用于內部空間較小的新能源汽車，就這一點本文將在方案二中，采用與方案一相同的材料進行熱管理系統設計，旨在降低系統面積，且不影響散熱能力。圖2為方案二設計結果。

圖2 方案二設計結果

根據圖2可知，方案二與方案一的根本差別有二，即電池排列均采用階梯形式，由高至低各相差50/7mm，此舉使得箱體的高度減小，且不需要采用菱形箱體來進行設計，說明系統面積得到降低；為了不影響到散熱能力，方案二中并沒有安裝導流板，此舉是為了避免導流板對風力的阻隔，提高了系統內部空間的空氣密度與強度，確保散熱能力不會降低。綜上，方案二的使用更具優勢，建議采用這種方式進行新能源汽車鋰電池熱管理系統設計。

4 系統仿真測試

4.1 測試思路

介于方案一、二的散熱原理都在于風力，因此在仿真測試當中，主要模擬一個風力環境，再將兩個方案模型放入該環境當中，通過數據可知兩者優劣。風力環境參數為：進口風速依次設置為1、2、3m/s；系統初始溫度及進氣溫度為25℃；放電倍率為3C；仿真時間10min[3]。

4.2 方案一測試結果

根據方案一仿真測試結果可知，方案一在不同風速條件下電池溫度分布并沒有發生變化，都存在上部溫度低、下部溫度高、左側溫度低、右側溫度高的現象，從這一點上可以看出，方案一的散熱效果實際上仍舊存在不均勻的現象。

另外，通過觀察發現在方案一進風口角度上，其在風速為1m/s時左右兩側電池溫度出現了較大的溫差，但上下電池溫度沒有出現影響；在風速為2m/s時左右兩側電池的溫差值大幅減小；在3m/s時左右兩側電池的溫差值并未發生變化。綜上可知，方案一的散熱必須建立在較強風力的條件下才能發揮有效作用，但能效存在較大上限，并不存在“風速越大則散熱效果越好”的表現。

4.3 方案二測試結果

根據方案二仿真測試結果可知，方案二在不同風速條件下電池溫度分布同樣沒有太大變化，但在各鋰電池的溫度豐富表現相對良好，溫差數值不大，說明方案二可以更好的維護鋰電池內部的熱均衡分布，具有更優秀的性能表現。

另外，通過觀察發現在方案二進風口角度上，其在風速為1m/s時左右兩側電池溫差較于方案一更小，但差值依舊較大；在風速為2m/s時左右兩側電池的溫差值大幅減小；在3m/s時左右兩側電池的溫差值進一步減小。綜上可知，方案二的散熱能力對于風力的要求低于方案一，且能效上限也大于方案一，再一次證實了方案二的優勢。

5 結語

綜上，為了保障新能源汽車電能供給穩定與形式安全，文章對鋰電池熱管理系統設計進行了分析，可知鋰電池生熱來源于四大熱源，且會對周邊線路造成影響。針對鋰電池生熱現象，提出了兩種熱管理系統設計方案，并采用仿真測試對兩者的散熱表現、原理進行分析，結果顯示兩個方案均具備散熱能力，但方案二的散熱性能與體積更具優勢，因此建議選擇方案二來進行鋰電池熱管理。