動力電池熱模型研究現狀＊

蘇建彬

（福州職業技術學院，福建 福州 350108）

前言

隨著中國的制造業迅速發展，汽車工業面臨著許多挑戰，例如能源危機、污染治理、低碳發展和產業轉型，因此，發展新能源汽車已經成為降低汽車工業石油依賴、降低排氣污染的唯一途徑。為了推動新能源汽車工業，中國政府發布了一系列獎勵、鼓勵措施，隨著新技術的飛速發展，新能源汽車將迎來重要的轉型變革。

然而，目前關鍵零部件的技術水平任仍然是制約新能源汽車產業發展的重要因素，如驅動電機、動力電池和電子電控技術等。其中，動力電池是新能源汽車的動力輸入，是整車當中首要的零部件，其技術的高低，決定了新能源汽車的發展程度。新能源汽車的續航里程和安全性能一直是人們關注的重點，學者也基本圍繞這個問題開展研究，希望解決動力電池的可靠性、使用壽命和充電效率技術問題[1]。通常0℃到45℃是鋰電池的工作溫度范圍，而電動汽車電池的使用范圍在-20℃到60℃之間，在使用過程中，由于溫度的差異容易引起鋰電池溫度問題，導致電池組自燃或爆炸[2]。

并聯的電池在充放電過程中，由于各個電池之間溫度的不同，會產生熱電耦合現象，溫度低的電池內阻大，分擔的電流過小，造成電池不均衡，引發安全事故。當電池嚴重過熱，特別是在高溫環境下，使用高倍率放電，會加劇化學反應的進行，發生熱失控，電池很可能出現漏液、冒煙等情況，嚴重時可能發生爆炸[3]。相反，當溫度過低時，電池會發生惰性現象，電池的容量降低，可能導致電池壽命下降。近年來，關于電動車自燃事件的報道也不少，比如著名的特斯拉電動車和比亞迪唐。

綜上所述，車用鋰離子動力電池的溫度管理問題突出，綜合多方面因素，設計合理的熱管理系統，來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。優良的電池熱管理系統，能保證電池組在合適溫度范圍工作，延長其壽命，減少電池自燃現象，從而提高電動車安全性、加快電動汽車產業的發展以及改善自然環境[4]。

1 動力電池熱模型研究進展

電池熱模型主要有四種，每種名稱和特點如表1 所示：

表1 模型類別表

各模型的研宄進展如下：

1.1 集總參數模型

集總參數模型，是將電池一體化，獲取電池的總體溫度，由此得到的是一個平均值，不能計算出電池各個位置的具體溫度值。因此，集總參數模型主要用于研究電池的整體特性，且相對簡單。使用集總參數模型，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]。王發成利用集總參數模型，建立了簡易的電池熱模型，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。相對來說，一維模型的結果較為粗略，只能簡單計算電池在某一方向的溫度分布。采用一維模型的有：Ohshima.T 等人為了驗證一維模型的準確性，對比了鋰電池在充放電過程中的溫度實測值，和在相同條件下用一維模型計算出的溫度模擬值[7]。Smith.K等人通過一維模型，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 等對卷繞式單體鋰離子電池建立了二維產熱模型，并利用氣冷方式對其進行冷卻模擬[9]。Wu Mao Sung 等用二維模型，對18650鋰電池在不同散熱方式下的縱向、徑向溫度分布進行了模擬，并與試驗的實測值進行詳細比較[10]。

1.4 三維模型

三維模型是通過建立完整的電池三維模型，來計算出整個電池的溫度分布，是最為準確的描述電池溫度的熱模型，有利于研究者對各個部分溫度的具體分析，優化電池、電池組以及熱管理系統的設計。采用三維模型的情況如表2：

表2 研究現狀表

2 鋰離子動力電池熱管理系統要求

電池組熱管理主要是依據電池的最佳溫度工作范圍，通過優化電池箱結構和控制系統、改進電池排列方式以及加入傳熱導熱介質等來有效地對電池組進行溫度調節。主要是當電池溫度過高時進行散熱、電池溫度過低時進行加熱，達到降低電池組的最高溫度和電池與電池之間的溫度差，從而提高電動汽車的安全性以及運行效率。

2.1 散熱方案的研究

20 世紀80 年代，便有了電池熱管理相關技術，不過，由于電池在大型設備等領域幾乎沒有應用，在1998 年之前，電池熱管理技術很少受到關注。1999 年之后，動力電池運用越來越廣泛，動力電池也顯現出其本身的熱問題，電池熱管理技術引起重視，并開始系統化。目前，電池熱管理的技術主要有以下幾種：

（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，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，能彌補不同技術的缺點，發揮出更好的作用，一直是研究的熱點[12]。

2.1.1 空氣冷卻

目前主要采用的冷卻方法是空氣冷卻，分為被動散熱（自然冷卻）和主動散熱（強制對流散熱）兩種。電池的溫度受換熱系數的影響，當換熱系數減小到0 即絕熱時電池的溫度，電池組的溫度越來越高。一般認為5W/m2·K 的對流換熱系數對應自然冷卻，而25W/m2·K 的對流換熱系數對應強制對流冷卻。常見的送風通道，有串聯通道和并聯通道兩種（如圖 5）[13]。

圖5 （a）串聯通道；（b）并聯通道

雖然空氣冷卻實現起來比較容易，但是其冷卻效果不大理想，而且還需要給風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在冷卻液中，這種方式要求液體必須是絕緣的電介質，以避免短路[15]。一般冷卻系統通過管路和電池相連，將冷卻液注入到管路中，通過冷卻液的循環流動，將電池的熱量帶走。通常來說，液體的傳熱效率大于空氣[16]。液體能通過傳遞熱量來冷卻，可以使電池組的溫度分布得更均勻，但是如果采用導電液體，就得考慮短路問題，增加結構和密封性將液體和電池隔開，這樣帶來的不利影響包括：增加了結構的復雜性、增加設計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，自身的物理狀態發生變化的物質。當其物理性質發生變化，即發生相變時，相變材料會吸收或者釋放很大的相變潛熱，電池組內溫度的一致性，就是由相變潛熱來保證的。這種散熱方式不像空氣冷卻是通過溫差來散熱的，因此，對平衡溫度要求較低，幾乎不受外界環境因素的影響，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熱物質，不能將本身的熱量散去，電動汽車在工作時需要將熱量及時的散掉，所以，采用這種冷卻方式與其他散熱方式相結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 常見相變材料參數表

2.1.4 熱管材料冷卻

除了相變材料，鋰離子動力電池熱管理也常采用熱管技術，這是因為熱管具有超強的導熱能力。同時熱管的工作溫度范圍廣，因此在各個領域得到廣泛應用。熱管技術主要時通過熱傳導原，透過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、按介質分以及按結構分。

熱管主要由液芯、熱管殼和傳熱工質組成。熱管構件分為三個工作段，從軸向依次為蒸發段、絕熱段和冷凝段[18]。熱管就是通過這三個工作段的熱量循環來進行熱傳輸的。

每個工作段的作用如表4：

表4 熱管各段作用表

熱管工作過程如表5 所示：

表5 熱管工作過程表

由于是相變傳熱，且沒有外部能量輸入，因此熱管連續循環的工作過程是無源的，提高了熱管的安全可靠性，而且延長了其使用周期。另外，熱管的工作方式，決定了其內阻很小，能夠以極小的溫差轉化大量的熱。

3 結論

本文主要對鋰離子動力電池熱狀態研究現狀進行闡述，并就鋰離子動力電池熱管理系統要求進行分析。建議以后鋰離子電池熱狀態研究可以將研究重心放在多種維度模型結合，得到在各種條件下的最佳組合方式。