純電動汽車電池熱管理技術研究

賈明正　李雪麗　趙志豪

摘 要：隨著新能源汽車的快速發展，電動汽車愈來愈受到人們的青睞，人們對電池熱管理技術的改進也越來越深入。為了讓更多的人了解電池熱管理技術，給后期欲從事電池熱管理系統研究者提供參考，本文就幾種常用電池熱管理系統的基本原理、優缺點及其研究現狀進行了分析總結。

關鍵詞：純電動汽車 電池熱管理 冷卻

電動汽車作為新能源汽車主要類型之一，其銷量也在逐年上升。但續駛里程短、充電時間長以及偶有發生的電動汽車自燃、起火事故等一直廣為詬病。針對這些問題，業界人士提出：一是要大力研發能量密度更高、可以快速充放電、使用更加安全的電池;二是要提高電池的管理技術和管理手段，構建一個更加科學、完善的電池管理系統，更好發揮電池的性能。

在電動汽車電池管理當中，熱管理系統是電池管理系統的核心組成之一。電動汽車的電池在正常工作中，會因為鋰離子在電池內部的嵌入和脫嵌、電流在電池及電池組內的流動以及電池內各種微小的副反應等原因產生大量的熱量，這些熱量如果不盡快排出，堆積在電池包內部，會使電池的溫度升高，當時間過長或溫度超過許用上限時，會嚴重影響電池的壽命甚至直接使電池短路爆炸。此外，鋰離子電池在溫度較低的環境充電時，會出現鋰枝晶現象，不斷生長的枝晶存在刺穿隔離膜致使電池短路的風險。因此，電動汽車電池熱管理系統的好壞直接關系到電池組的安全性能及充放電性能。

電池熱管理技術的研究，目前主要集中在如何導出電池工作時產生的熱量，使電池在最佳的溫度范圍內工作。現在應用于純電動汽車上的冷卻方法主要是風冷、液冷、直冷，同時相變材料在電池熱管理中的應用也作為一個研究熱點。下面依次對主要的電池冷卻類型及研究現狀進行介紹，同時簡單介紹電池低溫加熱方式，為純電動汽車電池熱管理系統的選擇、優化設計提供參考。

1 風冷

風冷是最早開始使用的動力電池冷卻技術。按風的流動動力有自然風冷和強制風冷兩種，而按風冷系統風道劃分有串聯冷卻和并聯冷卻兩種，如圖1所示。風冷系統的優點在于結構上比液冷、直冷系統簡單，功率消耗低。但是由于其流道布置使得空間利用率低、防水防塵困難，因此不適用于排列緊密的方形、軟包電池。此外，在外界空氣溫度過高、過低時熱管理系統難以滿足需要，需要空調系統送風冷卻等。因此風冷系統冷卻性能難以滿足使用需求，正在逐步被液冷、直冷系統取代。

對于風冷系統，羅宗鴻[1]通過建立使用18650型號圓柱電池的電池包三維模型，并結合計算機仿真分析和相關實驗，探究了在電池包箱體不同位置開設進、出風口，以及電池在電池包內不同排布時風冷散熱的有效性和局限性，為后續研究提供了理論指導和可靠依據。

高肖璟[2]重點考慮到單體電池表面溫度與內核溫度的不一致，通過建立單個電池電熱耦合模型進而建立了電池組電熱耦合模型，在驗證了模型的精度后，設計了一個“模型預測溫度控制器”，該控制器通過控制入口處的空氣溫度，將電池組的內核溫度控制在目標溫度界限內。

Shahabeddin等[3]為了解決空冷電池均溫性差的問題，在空氣流動的通道內嵌入泡沫鋁，并進行仿真模擬，結論證明該方法可有效降低電池間的溫差，當空氣流道內有三分之一或全部充滿泡沫鋁時可獲得最理想的均溫性。

2 液冷

液冷是綜合性能最好的冷卻方式。對電池液冷系統影響較大的主要因素有冷卻液的理化性質、冷卻管路的流道布置。液冷按結構分，可以分為直接接觸和間接接觸兩種方式。

直接接觸式是將電池浸泡在冷卻液中，優點在于換熱效果極佳，溫度均勻性較好，但缺點是對電池包內外的密封、絕緣性能提出了很高的要求。間接接觸式則是在電池包內鋪設流道，使冷卻液在流道內流動，優點在于降低了對密封、絕緣性能的要求，因此多使用水、水/乙二醇等粘度小、導熱率高、比熱容高的液體作為冷卻液，這樣通過在較小范圍內調整循環泵的轉速，即可在較大范圍內調整冷卻強度。但因為冷卻液只能在預設的流道內流動，而流道同電池間接觸有限，使得電池的溫度均勻性下降，因此需要研究如何布置流道以獲得最好的溫度均勻性。圖2為一種間接接觸式的液冷系統。

對于液冷系統，國內外學者進行了大量的研究。楊洋[5]通過對鋰離子電池和整車的仿真分析，得到了電池的生熱速率，并設計了一種液冷系統。又結合環境溫度、冷卻液入口溫度、流量等影響因素，對電池組溫差較大的問題，從導熱系數和加裝輔助液冷板兩個方面改善了電池組的溫度均勻性。最后在高溫中低速定速爬坡和高溫高速爬坡兩種惡劣工況，驗證了其模型的可行性。

周嘉[6]結合整車性能和空間要求，在確定電池組和液冷板的布置方式后，又采用仿真手段設計并優化了一種具有微小通道結構的熱管理系統。考慮到電池組的加熱需要，又對加熱片進行了選型，最終設計出一種兼具散熱和加熱的熱管理系統。

顏藝[7]提出了一種液體直接接觸電池的液冷系統。通過對不同流道布置方式進行仿真分析后，最終選用高低交錯式“U”型結構，確定系統散熱、加熱最佳流速為1.0m/s，加熱功率為500W，保溫材料為二氧化硅氣凝膠，厚度10mm，最后通過搭建樣機并實驗，驗證了設計的熱管理系統與仿真結果基本一致。

Yang[8]考慮的液態金屬用于液冷系統的可行性。通過計算機仿真對比并將結果與水冷法進行對比，結論表明使用液態金屬時，整體溫度更低、均溫性更好、循環泵消耗功率更低，適合在大功率放電及惡劣工況下使用。

現在對液冷系統的研究，主要集中在冷卻板的優化及冷卻板和動力電池的布置方式上。

3 直冷

直冷是將空調系統的制冷劑直接引入電池包內進行冷卻，相當于將電池包內的冷卻板作為空調系統的蒸發器。直冷系統優點在于效率高、響應迅速、制冷量大。其缺點則主要在于高度依賴汽車空調系統。夏季，因乘員艙和電池系統都需要大功率制冷，使得空調系統負荷很高;冬季，因為乘員艙需要持續制熱，而電池包需要先預熱后制冷，這就對汽車的空調系統提出了極高的挑戰。圖3為一種直冷系統的示意圖。

對于直冷系統，張聰哲等[10]研究了在夏季高溫工況下，電池包、乘客艙制冷劑并聯制冷，電池組與制冷回路間使用熱管進行熱換熱，電機采用液冷技術，最后模擬整車在新歐洲駕駛循環工況下系統的制冷性能，確定能夠滿足乘員艙、電池組、電機的制冷需求。

鮑文迪[9]主要以電池最高溫度、溫差這兩項指標為評判標準，采用冷板底置、高導熱片強化傳熱的結構，通過階梯式調節壓縮機轉速和電子膨脹閥的方法來滿足不同制冷工況的制冷需求，通過計算機仿真模擬不同工況，論證了該系統的可行性。

4 相變材料冷卻

相變材料是指在溫度不變的情況下而改變物質狀態并能提供潛熱的物質，如石蠟。相變材料的熱管理方法就是將相變材料放入電池包內，利用其較高的相變潛熱吸收電池放電時產生的熱量，由于在相變過程中相變材料自身的溫度在相變完成前幾乎維持不變，因此可以使電池溫度更加穩定。相變材料最大的好處在于結構和操作最為簡單，只需要將電池和相變材料合理排布在電池包內即可，全程無需外界系統干預，并且溫度均勻性極好，且相變材料來源廣，價格低廉。

相變材料的缺點主要有：所需相變材料的體積、質量較大，使得電池包整體的能量密度減小;相變材料在“固-液”相轉變時，可能產生較大的體積變化，從而產生應力變化，并且在液態時結構強度很低;相變材料的導熱性能較差，當電池溫度急劇升高時多余的熱量可能無法及時被吸收。為克服此缺點，現在相變材料的主要研究方向為在相變材料內均勻混入碳材料（如碳納米管[11]、石墨烯、膨脹石墨[12]等）或泡沫金屬材料（如泡沫鋁[13]、泡沫鐵[14]、泡沫銅等）制成復合相變材料以強化其導熱性能。但無論何種材料均會在多次相變后自然沉積[15]，從而使復合相變材料的導熱性能下降;相變材料在相變過程中保溫性能優異，但當完全相變后無論吸熱性能還是保溫性能都將大幅下降，因此僅使用相變材料的電池熱管理系統都將面對很大挑戰。

5 其他熱管理系統

除上述的冷卻系統之外，熱管冷卻也是一個比較熱門的研究方向。熱管的原理是通過管內材料在高溫區吸熱蒸發、低溫區放熱膨脹產生體積變化，從而引起管內液體的自發流動，其原理如圖4所示。熱管的優點在于只要高、低溫區之間存在足夠的溫差即可持續進行自發的循環流動，并且在實驗室測得熱管的熱傳導效率遠高于一般的導熱材料。但當前熱管在電池熱管理系統中的應用還不完善，因此并未在電動汽車上得到大范圍的實際應用。

在研究如何將電池內部多余熱量導出的同時，也有一些學者注意到當電動汽車在嚴寒或低溫環境中時，電池的使用壽命、能量密度受到了極大地影響。因此也有一些學者著力于對電池包進行保溫、加熱的研究。大致方向為：在電池包外部包裹保溫材料，在電池間布設電加熱片[6]或使加熱后的冷卻液流經電池包內部完成對電池的加熱[8]等。

6 總結

本文主要針對風冷、液冷、直冷等常用的幾種純電動汽車動力電池管理系統的原理及研究現狀進行分析，為后期從事純電動汽車電池熱管理系統選擇、優化設計提供參考。

基金資助：黃河交通學院ANSYS Fluent 仿真實驗教學項目;汽車新能源與新技術一流課程項目（HHJTXY-2021y1kc14）。

參考文獻：

[1]羅宗鴻. 電動汽車電池熱特性及電池組風冷散熱研究[D]. 南昌航空大學， 2018.

[2]高肖璟. 基于風冷散熱的電動汽車電池組電熱耦合模型及溫度控制研究[D]. 吉林大學， 2019.

[3]Mohammadian S K， Rassoulinejad-Mousavi S M， Zhang Y. Thermal management improvement of an air-cooled high-power lithium-ion battery by embedding metal foam[J]. Journal of Power Sources， 2015， 296： 305-313.

[4]楊明飛.電動汽車動力鋰電池包結構設計及其液冷散熱性能研究[D].青島科技大學，2019.

[5]楊洋. 純電動汽車鋰離子電池組液冷散熱系統研究[D]. 華南理工大學， 2018.

[6]周嘉. 基于微小通道的純電動汽車軟包電池組熱管理結構優化設計[D]. 合肥工業大學， 2018.

[7]顏藝. 基于液體直接接觸式電動汽車電池熱管理系統研究與設計[D]. 華南理工大學， 2019.

[8]Yang X H， Tan S C， Liu J. Thermal management of Li-ion battery with liquid metal[J]. Energy conversion and management， 2016， 117： 577-585.

[9]鮑文迪. 直冷式動力電池熱管理性能分析[D]. 吉林大學， 2019.

[10]張聰哲， 葉芳， 郭航等. 制冷劑冷卻電池的純電動汽車熱管理系統夏季工況模擬[J]. 制冷學報， 2019， 40（02）：12-19.

[11]高麗媛， 楊賓， 郝夢琳等.碳納米管/石蠟復合相變材料熱性能的實驗研究[J]. 應用化工， 2019， 48（04）：752-754+761.

[12]任學明， 沈鴻烈， 楊艷. 膨脹石墨/石蠟復合相變材料的碳納米管摻雜改性研究[J]. 功能材料， 2019，50（06）：6008-6012.

[13]蘇建， 叢玉鳳， 黃瑋等.增強相變材料傳熱性能的研究進展[J]. 現代化工， 2020，40 （03）：40-43.

[14]萬倩， 何露茜， 何正斌等. 泡沫鐵/石蠟復合相變儲能材料放熱過程及其熱量傳遞規律[J/OL]. 儲能科學與技術：1-12[2020-04-25].https：//doi.org/10.19799/j.cnki.2095-4239. 2019.0280.

[15]陳穎， 姜慶輝， 辛集武等.相變儲能材料及其應用研究進展[J]. 材料工程， 2019， 47（0 7）：1-10.