基于鋰電池余熱回收的綜述

趙春榮　孫峰

摘 要：新能源汽車誕生時(shí)不叫新能源汽車，而是叫純電動(dòng)汽車，在很早以前就出現(xiàn)過，只是當(dāng)時(shí)的電池技術(shù)及電池容量相對(duì)較為落后，電池的電壓也比較低，后來逐漸被淘汰了。直至世界能源危機(jī)爆發(fā)、環(huán)境污染越發(fā)嚴(yán)重的今天，純電動(dòng)汽車又被推上歷史的舞臺(tái)。現(xiàn)在的純電動(dòng)汽車有另外一個(gè)名稱叫新能源汽車，其能源主要來自汽車自帶的動(dòng)力電池包。

關(guān)鍵詞：新能源汽車;電池容量;純電動(dòng)汽車

隨著世界能源危機(jī)的到來，環(huán)境污染對(duì)人們的健康生活已經(jīng)造成嚴(yán)重的影響，傳統(tǒng)的燃油汽車逐漸向小排量加渦輪增壓方向發(fā)展，但還是不能完全離開化石燃料。于是，新能源汽車應(yīng)運(yùn)而生。新能源汽車是少用或者不需要使用傳統(tǒng)的燃料進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)換以驅(qū)動(dòng)車輛行駛，所以，在新能源汽車大類中的純電動(dòng)汽車電池包又稱為動(dòng)力電池包。

1 ? ?純電動(dòng)汽車中最常用的動(dòng)力電池

1.1 ?鉛酸蓄電池

鉛酸蓄電池是最先被用在純電動(dòng)車上的電池。將純鉛與鉛的氧化物相互交叉放置于箱體內(nèi)部，利用稀硫酸溶液作為電解液的鉛酸蓄電池。在充電狀態(tài)下，鉛酸蓄電池的正極由硫酸鉛變成二氧化鉛，負(fù)極材料由硫酸鉛變成純鉛。在放電的情況下，正極與負(fù)極都變成硫酸鉛白色的晶體。由于鉛酸蓄電池存在質(zhì)量大、自放電率高、低溫性能差、能量密度低、比功率低等缺點(diǎn)，現(xiàn)在純電動(dòng)汽車已經(jīng)不采用這樣的動(dòng)力電池，但是將其作為輔助電池。

1.2 ?鋰離子電池

鋰離子電池在新能源汽車上的應(yīng)用越來越多。鋰離子電池端電壓達(dá)到3.7 V，而鉛酸蓄電池的端電壓只有2 V，現(xiàn)在的純電動(dòng)汽車一般使用的動(dòng)力電池電壓在380 V左右，使用鋰電池可以減少電池的個(gè)數(shù)，從而減小電池整體的質(zhì)量。此外，鋰電池的自放電率低，能量密度、比功率比鉛酸蓄電池高。所以，在現(xiàn)在的新能源汽車中，使用較多的是鋰離子電池。

1.3 ?鎳氫電池

鎳氫電池介于鋰電池與鉛酸蓄電池之間，一節(jié)鎳氫電池的端電壓只有1.2 V左右，電池電壓較低。在沒有充足電量的情況下，存儲(chǔ)電池會(huì)造成電池過早損壞。雖然可以減少對(duì)環(huán)境的污染，但作為動(dòng)力電池因?yàn)殡妷哼^低，當(dāng)要達(dá)到相同電壓時(shí)需要更多的電池單體，會(huì)造成電池的體積及質(zhì)量過大。所以，這種電池一般在混合動(dòng)力汽車中使用較多。

2 ? ?鋰離子電池工作原理及發(fā)熱原因

2.1 ?鋰離子電池工作原理

在鋰離子電池中，以炭為負(fù)極材料、以含鋰的化合物為正極的鋰電池，在充放電過程中，沒有金屬鋰存在，只有鋰離子在正負(fù)極之間移動(dòng)，當(dāng)對(duì)電池進(jìn)行充電時(shí)，電池的正極上有鋰離子生成，生成的鋰離子經(jīng)過電解液運(yùn)動(dòng)到負(fù)極。作為負(fù)極的碳呈層狀結(jié)構(gòu)，有很多微孔，達(dá)到負(fù)極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔中，嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。同樣，當(dāng)對(duì)電池進(jìn)行放電時(shí)，嵌在負(fù)極碳層中的鋰離子脫出，又運(yùn)動(dòng)回正極。回正極的鋰離子越多，放電容量越高。

2.2 ?鋰離子電池發(fā)熱原因

鋰離子電池?zé)o論是在充電還是在放電過程中，都會(huì)產(chǎn)生熱量。充電時(shí)，因?yàn)殡姵卦诜烹娺^程中的內(nèi)阻逐漸變大，充電槍與電池兩端的電勢差較大，在使用定壓充電的方法對(duì)電池充電的初期，電池內(nèi)部流過的電流較大，電流流過電阻較大的電池內(nèi)部，消耗在電池內(nèi)部的電能也較大，產(chǎn)生的熱量就多。

在電池對(duì)外放電時(shí)，由于在滿電狀態(tài)下，電池的內(nèi)阻很小，剛開始放電時(shí)，消耗在電池內(nèi)部的電能少發(fā)熱較小。隨著放電過程的進(jìn)行，電池內(nèi)阻開始慢慢地變大，很大一部分電能需要消耗在電池的內(nèi)部，此時(shí)電池內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生大量的熱能，使電池溫度升高。

3 ? ?鋰電池溫度過高或者過低的危害

鋰離子電池其實(shí)與汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)一樣，都有合適的工作溫度，溫度過高或者過低都會(huì)嚴(yán)重影響電池的容量。當(dāng)溫度過低時(shí)，鋰離子的活性不夠，放電時(shí)化學(xué)反應(yīng)過慢，單位時(shí)間內(nèi)不能大電流放電，影響汽車的加速性能，而且在溫度低的時(shí)候，還會(huì)影響電池的容量，繼而影響汽車的續(xù)航里程。

溫度過高會(huì)使鋰離子電池內(nèi)部材料發(fā)生短路的可能性增大，鋰離子電池變得極其不穩(wěn)定。一旦造成熱失控就會(huì)使電池內(nèi)部溫度急劇升高，進(jìn)而發(fā)生自燃。溫度過高還會(huì)嚴(yán)重影響電池的使用壽命。所以，在使用鋰離子電池時(shí)一定要嚴(yán)格地將溫度控制在允許工作的范圍內(nèi)。

使用鋰離子電池時(shí)，在嚴(yán)格控制溫度的同時(shí)，要嚴(yán)格均衡電池的溫度。在動(dòng)力電池箱里有較多動(dòng)力電池模組，由單體電池經(jīng)過焊接連接在一起。在控制電池溫度時(shí)一定要考慮怎樣對(duì)單體電池進(jìn)行冷卻或者加溫。

4 ? ?電池的冷卻系統(tǒng)

現(xiàn)在的新能源汽車較多采用油電混合，因?yàn)橛团c電混合可以彌補(bǔ)兩者的缺點(diǎn)。使用純?nèi)加万?qū)動(dòng)的車輛在低速時(shí)耗油量比較大，減速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)不熄火，又浪費(fèi)燃油。所以，油電混合可以降低汽車在低速或者減速時(shí)的燃油消耗量，同時(shí)，可以將汽車在減速時(shí)的能量回收。

油電混合車輛分為插電式混合動(dòng)力汽車和非插電式混合動(dòng)力汽車。但不管是哪種形式的混合動(dòng)力汽車，在對(duì)電池進(jìn)行冷卻或加溫時(shí)，都是通過電加熱器將動(dòng)力電池冷卻液加熱。然后通過熱傳遞的形式對(duì)電池進(jìn)行升溫，使之達(dá)到合適的工作溫度。電池溫度升高之后，電池管理系統(tǒng)通過控制一個(gè)小型水泵強(qiáng)制電池包中的冷卻液循環(huán)，經(jīng)散熱器將冷卻液吸收的電池包熱量散發(fā)至大氣中，以降低電池溫度。雖然這樣的方式比較直接、方便、快捷，但是在冷卻的過程中，能量白白散失，在一定程度上增加了能量的消耗。在純電動(dòng)車上，這樣的能量散失會(huì)制約車輛的續(xù)航里程，因?yàn)榧冸妱?dòng)車的能量主要來自動(dòng)力電池包。

5 ? ?鋰離子電池包冷卻的方式

純電動(dòng)汽車電池包冷卻方式主要有兩種：風(fēng)冷和水冷。

5.1 ?風(fēng)冷

風(fēng)冷就是利用流動(dòng)的空氣將電池包內(nèi)部的熱量帶走。利用強(qiáng)制冷卻風(fēng)扇進(jìn)行抽吸，使外界溫度較低的新鮮空氣進(jìn)入電池包并在電池包內(nèi)部被加熱，然后被抽出電池包，這種冷卻方式結(jié)構(gòu)較為簡單。

5.2 ?水冷

現(xiàn)在的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻基本都是水冷。不僅因?yàn)樗浒l(fā)動(dòng)機(jī)溫度比較容易控制，還因?yàn)樗谋葻崛葺^高，使單位質(zhì)量的水升高1 ℃需要的熱量較多。同時(shí)，當(dāng)電池需要加熱時(shí)，電池包冷卻水流過電池周圍能使電池加熱均勻，保持電池溫度均衡。

6 ? ?余熱二次利用

6.1 ?利用熱量對(duì)駕駛室進(jìn)行升溫

幾乎每輛汽車都有空調(diào)，冬季環(huán)境溫度下降，車內(nèi)的溫度也下降。人在駕駛車輛時(shí)會(huì)感覺冰涼，此時(shí)需要將車?yán)锏臏囟壬呤谷烁械绞孢m。在傳統(tǒng)的燃油車上，通常利用發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻水對(duì)流過熱交換器的空氣進(jìn)行加熱，繼而使車內(nèi)的溫度升高。但是在此過程中，溫度上升比較慢，假如發(fā)動(dòng)機(jī)剛啟動(dòng)就開暖氣，此時(shí)肯定無法有暖氣吹出。只有等發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫度上升后，才會(huì)慢慢有暖氣從空調(diào)出風(fēng)口吹出來，過程相當(dāng)緩慢。

純電動(dòng)汽車用鋰離子電池作為動(dòng)力電池，鋰離子電池有幾大缺點(diǎn)：不支持大電流充電、過度放電、溫度不能過低也不能過高。但是在對(duì)鋰離子電池進(jìn)行充電或者放電時(shí)，電池由于本身的內(nèi)阻而發(fā)熱，產(chǎn)生余熱。如果能將這些熱量加以利用就能節(jié)約能源。同時(shí)，減少了動(dòng)力電池的負(fù)載。在充電的時(shí)候就已經(jīng)將熱量轉(zhuǎn)移至車內(nèi)，從車外進(jìn)入車內(nèi)就能立刻感受到溫暖。

6.2 ?利用電池余熱對(duì)冷卻水進(jìn)行加熱

純電動(dòng)汽車在一般情況下都會(huì)有兩個(gè)水壺，一個(gè)水壺冷卻的是驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及電機(jī)控制器，防止電機(jī)以及電機(jī)控制器過熱而造成功率限制。但是天氣過冷時(shí)電機(jī)的一些軸承潤滑油會(huì)凝固，造成車輛在早晨啟動(dòng)時(shí)阻力過大。電機(jī)的轉(zhuǎn)子在定子產(chǎn)生的電磁作用下感應(yīng)出感應(yīng)電動(dòng)勢，而阻力過大的電機(jī)轉(zhuǎn)速下降時(shí)發(fā)熱量猛然增大，造成電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生大量的熱量。

電動(dòng)汽車在電池充電時(shí)，除了利用熱泵空調(diào)將熱量帶入駕駛室內(nèi)部，也可以通過電池冷卻液循環(huán)對(duì)電機(jī)冷卻液進(jìn)行加溫，讓電機(jī)冷卻液溫度升高，繼而對(duì)電機(jī)進(jìn)行保溫。還可以利用一個(gè)罐子將電池包加熱過的水收集起來，對(duì)車輛需要加溫的地方進(jìn)行保溫處理，能使汽車行駛里程增加，大大降低電機(jī)控制器及電機(jī)的故障發(fā)生率。

6.3 ?利用電池包熱反饋對(duì)充電功率進(jìn)行限制

無論是鋰電池還是鉛酸蓄電池，只要是存儲(chǔ)電能的化學(xué)電池，都不能利用大電流對(duì)其進(jìn)行充電。因?yàn)榛瘜W(xué)反應(yīng)有轉(zhuǎn)換效率，超過了這個(gè)轉(zhuǎn)換效率，多余的電能就會(huì)使電池發(fā)熱，在鉛酸蓄電池中就是電解水。要想讓電池更好地持久使用，就要嚴(yán)格控制電池的充電電流。雖然現(xiàn)在的純電動(dòng)汽車對(duì)動(dòng)力電池已經(jīng)有了一定的保護(hù)，即過溫保護(hù)，但這種保護(hù)方法過于簡單，當(dāng)車輛充電時(shí)，電池管理系統(tǒng)對(duì)電池的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，只要電池的溫度過高就立即切斷對(duì)電池的充電，較好地保護(hù)了動(dòng)力電池。

7 ? ?結(jié)語

關(guān)于純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池—鋰電池余熱回收利用方法，許多文獻(xiàn)簡單地?cái)⑹隽思冸妱?dòng)汽車車用動(dòng)力電池的種類，特別是鋰電池的性能、充電方式和動(dòng)力電池在汽車上的實(shí)際冷卻方式，還綜述了熱泵空調(diào)。現(xiàn)在，汽車上應(yīng)用較多的還是水冷電池，因其造價(jià)低廉、冷卻有效，更適合當(dāng)前的純電動(dòng)汽車使用。

[參考文獻(xiàn)]

[1]江挺候，張勝昌，康志軍.電動(dòng)汽車熱泵系統(tǒng)研究進(jìn)展[J].制冷技術(shù)，2012（2）：71-74.

[2]胡志勇.當(dāng)今電子設(shè)備冷卻技術(shù)的發(fā)展趨勢[J].電子機(jī)械工程，1999（1）：2-5.

[3]楊世銘，陶文銼.傳熱學(xué)[M].北京：高等教育出版，2006.

[4]王若平.汽車空調(diào)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.