電動汽車鋰電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)綜述

王柯永

江蘇大學(xué)，江蘇鎮(zhèn)江，212013

0 引言

伴隨著“碳達(dá)峰、碳中和”的提出，新能源正在慢慢替代傳統(tǒng)石化能源成為主力能源。純電動汽車作為利用新能源的主要對象，有著節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，逐步成為未來汽車的發(fā)展方向。電動汽車的電池管理系統(tǒng)作為關(guān)鍵核心部件，直接影響到電動汽車的性能，乃至于行車的安全穩(wěn)定。一個(gè)良好的電池管理系統(tǒng)能有效地降低現(xiàn)代電動汽車成本、提升駕駛過程的安全和能源利用效率。

電動汽車不同于傳統(tǒng)燃油汽車，以鋰電池作為動力來源，有著質(zhì)量輕、能量密度高、可回收、壽命長和比功率大等優(yōu)點(diǎn)，因此以鋰電池為核心的電池管理系統(tǒng)尤為重要。并且其受溫度影響較為明顯，在溫度范圍25～40℃時(shí)，鋰離子電池溫度每升高1℃，其使用壽命將縮短60天[1]。過高的溫度會加快固體電解質(zhì)相界面(SEI)膜的分解，造成熱失控隱患。因此電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的性能是制約當(dāng)前鋰離子電池性能發(fā)揮的關(guān)鍵因素，也是影響電動汽車整體性能發(fā)揮的核心[2]，本文擬對此進(jìn)行綜述。

1 電池管理系統(tǒng)

1.1 電池管理系統(tǒng)的定義和組成

電池管理系統(tǒng)（battery management system，BMS）又稱電池管家，如圖 1所示，是連接汽車鋰電池組與電動汽車整車之間的橋梁，其能夠監(jiān)測單體電池的電流、電壓；控制電池的充電和放電均衡；監(jiān)測電池充放電時(shí)的電流和溫度；估算電池的剩余電量（state of charge，SOC）；與車輛監(jiān)控系統(tǒng)、車載充電機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)總線通訊；協(xié)調(diào)控制和優(yōu)化電動車的電量分配等功能。電池管理系統(tǒng)通常由顯示模組、信息采集模組、通信模組電氣控制（充放電控制、均衡充電等）和剩余電荷量估算等組成。

圖1 電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 電池管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集

電池管理系統(tǒng)通常需要采集單體電池的電壓、電流和溫度以及電池組總電壓、總電流。單體電池的工作溫度會影響鋰電池整體的性能，嚴(yán)重的還會影響電動汽車的安全問題，工作溫度的采集方法的選擇關(guān)鍵在溫度傳感器的選擇，主要有：熱敏電阻、熱電偶、熱敏晶體管和集成溫度傳感器等。①熱敏電阻：原理是利用熱敏電阻的電阻值會隨著溫度變化而變化，把一個(gè)熱敏電阻和一個(gè)定值電阻串聯(lián)起來，由此可以把溫度的變化轉(zhuǎn)化為電壓的變化從而得到實(shí)時(shí)溫度。雖然熱敏電阻的成本較低，但是數(shù)據(jù)采集誤差較大[3]。②熱電偶：原理是利用雙金屬體會在不同的溫度下產(chǎn)生不同的熱電動勢，通過查表對比電動勢的值就可以獲得實(shí)時(shí)溫度。此方法測量精確度較高，但是熱電動勢變化的數(shù)量級較小，需要外部電路來進(jìn)行放大處理，結(jié)構(gòu)復(fù)雜[4]。

2 熱管理系統(tǒng)

2.1 熱管理系統(tǒng)傳統(tǒng)技術(shù)

2.1.1 基于風(fēng)冷技術(shù)的熱管理系統(tǒng)

風(fēng)冷技術(shù)一般可以分為自然對流風(fēng)冷換熱和強(qiáng)制對流風(fēng)冷換熱。一般地，自然對流風(fēng)冷無法滿足鋰電池的散熱需求，需要加裝一個(gè)風(fēng)扇來加速空氣流動進(jìn)行快速散熱。Yu, Kuahai等[5]比較了在自然換熱和強(qiáng)制換熱這兩種情況下，電池放電時(shí)溫度的變化，認(rèn)為只有通過強(qiáng)制風(fēng)冷可以將電池溫度控制在理想范圍內(nèi)。

為了改善風(fēng)冷的散熱效果，可以通過：①改善電池的排列布局。柯堅(jiān)等[6]通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)獲得電池單體間隙與電池組最高溫度的映射關(guān)系，利用遺傳算法進(jìn)行尋優(yōu)，獲得最優(yōu)電池組排布。②改善空氣流動路線，優(yōu)化電池間距。李康靖等[7]利用CFD軟件探究了電池間距對電池包溫度場分布的影響，減小電池間距可以抑制電池組的最高溫度。通過以上方法可以一定程度優(yōu)化風(fēng)冷技術(shù)的散熱效果，但是，風(fēng)冷技術(shù)已慢慢無法滿足如今對散熱效果的要求。

2.1.2 基于液冷技術(shù)的熱管理系統(tǒng)

液冷技術(shù)一般分為直接接觸式和間接接觸式。直接接觸式將整個(gè)電池組浸入冷卻介質(zhì)中，電池組與換熱介質(zhì)直接換熱，常用的換熱介質(zhì)有丙酮和礦物油等，此方法雖然換熱效果好、溫度均衡性好，整個(gè)電池組的溫差可以基本控制在1℃內(nèi)[8]，但是存在著換熱介質(zhì)泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，且對制造的工藝要求較高，成本也很高，所以應(yīng)用不是非常廣泛；間接接觸式是采用液壓泵將冷卻介質(zhì)送入預(yù)設(shè)在電池組周圍的管道中進(jìn)行換熱，常用的換熱介質(zhì)有水、乙二醇和礦物油等。液冷技術(shù)的換熱效果主要取決于所選擇換熱介質(zhì)的熱導(dǎo)率、流動狀態(tài)、流速和橫截面積，與空氣相比，一般的換熱介質(zhì)擁有更好的換熱效率。Chen等[9]鋰離子單體電池在風(fēng)冷、直接接觸式冷卻和間接接觸式冷卻這三種方法中進(jìn)行冷卻，得到在直接接觸式冷卻中溫度升高得最慢，但是相對于間接接觸式，由于不可控因素較大，所以還是間接接觸式被更廣泛地采用。

2.1.3 基于熱管的熱管理系統(tǒng)

熱管（HP）散熱的原理是利用介質(zhì)受熱蒸發(fā)，在冷卻段冷凝將電池組的熱量散發(fā)出去，從而不需要消耗額外能源形成一個(gè)循環(huán)。丹聃等[10]設(shè)計(jì)了一種基于平板熱管技術(shù)的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，研究表明隨著電池產(chǎn)熱功率的增大，平板熱管的擴(kuò)散熱阻降低，等效導(dǎo)熱系數(shù)顯著增大，并且在多熱源條件下，平板熱管表面最大溫差低于4℃，表明其較好的均溫性。Kim等[11]分別設(shè)計(jì)了回路型的熱管和非回路型的熱管應(yīng)用于熱管理系統(tǒng)，結(jié)果表明其性能都優(yōu)于空冷技術(shù)。

2.2 熱管理系統(tǒng)新型技術(shù)

2.2.1 基于相變材料的熱管理系統(tǒng)

相變材料（PCM）技術(shù)利用一些可以在特定工況下發(fā)生相變的新材料，由于潛熱會在相變時(shí)被吸收或者釋放，使其本身溫度能基本保持穩(wěn)定不變。相變材料通常可以分為有機(jī)類、無機(jī)類和共晶鹽類三種。相較于常見的風(fēng)冷和空冷，基于相變材料的熱管理系統(tǒng)不需要配備相應(yīng)的動力源，所占的空間小，電池組整體溫度更加均衡，也更加節(jié)能環(huán)保[12]。純石蠟就是其中一類，然而純石蠟的導(dǎo)熱系數(shù)相對較低，凌子夜等[13]研究設(shè)計(jì)出一種基于膨脹石墨的復(fù)合相變材料，這種材料在保留了較高的相變焓的同時(shí)，熱導(dǎo)系數(shù)較純相變材料提升了20～60倍，且隨密度和石墨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而增大。

2.2.2 基于微熱管的熱管理系統(tǒng)

隨著如今電動汽車鋰電池組高度集成化，單體電池間的空隙通常低至2～3mm，而傳統(tǒng)熱管直徑規(guī)格通常在5～10mm，也就不能滿足鋰電池組對散熱的需求[2]。因此，為了滿足市場對電池組的低空間和高發(fā)熱量需求，必須設(shè)計(jì)出水力直徑更小、導(dǎo)熱系數(shù)且占用空間質(zhì)量更小的微熱管散熱技術(shù)。葉欣等[14]設(shè)計(jì)了一款運(yùn)用微熱管陣列的鋰電池模塊的散熱系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)表明，在1C和2C充放電倍率下，微熱管陣列系統(tǒng)能有效控制電池模塊的溫度在40℃之內(nèi)，電池間溫度差異、溫度差值可以控制在5℃之內(nèi)。

2.2.3 基于耦合技術(shù)的熱管理系統(tǒng)

隨著電動汽車電池總體積的增大，產(chǎn)生的熱量也大大增加，許多時(shí)候，單一一種技術(shù)往往不能滿足要求，人們便開始研究將多種技術(shù)耦合在一起來改善優(yōu)化單一技術(shù)的一些不足。陳友鵬等[15]研究制備了一種SBS/PA/EG柔性復(fù)合相變材料，在耦合了板式熱管后，在電池模組放電倍率3C時(shí)，該系統(tǒng)相比于純相變材料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)能夠有效地將電池組最高溫度降低4.5℃，并且單體電池間的溫差只有1.0℃，通過該耦合方式有效減少了接觸熱阻，增強(qiáng)電池控溫效果，得到穩(wěn)定、高效的耦合電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)。吳淑嫻等[16]在研究鋰電池在低中倍率下放電時(shí)可以將溫度控制在60℃以內(nèi)，但高倍率放電下單一的相變材料冷卻無法滿足上了需求，為了解決這一問題，在PCM耦合風(fēng)冷的熱管理系統(tǒng)后，電池溫度隨著風(fēng)速增大能逐步控制，在風(fēng)速達(dá)到3.9m/s時(shí)電池組在高倍率放電下溫度可滿足使用要求。

3 展望與結(jié)論

目前，國內(nèi)外都進(jìn)行了大量電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的研究，取得了許多成果，但是隨著電動汽車向著高集成化、高密度化和長續(xù)航發(fā)展，鋰電池組的工況會更加惡劣，對電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)也是一項(xiàng)考驗(yàn)，市場也因此需求高耐久、低成本、安全可靠和簡便空間占用小的熱管理系統(tǒng)。通過對近幾年電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，當(dāng)前傳統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)逐漸不能滿足市場需求，需要?jiǎng)?chuàng)新技術(shù)，對現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行完善和優(yōu)化，同時(shí)優(yōu)化現(xiàn)有計(jì)算模型和算法，進(jìn)行新材料和新技術(shù)的引進(jìn)開發(fā)，當(dāng)單一技術(shù)無法滿足需求時(shí)，積極嘗試耦合多種技術(shù)，才能提高電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的散熱效能。