新能源汽車動力電池熱管理系統優化

摘要：新能源汽車的動力主要源于電池，然而電池在工作時易受溫度影響，持續放電會產生大量熱量且易聚集。若熱量無法及時散發，會影響電池性能，威脅新能源汽車整體的安全性和可靠性。先進的電池管理系統是保障動力電池高效、安全運行的關鍵技術，能夠有效提升電池使用壽命，保障汽車安全。基于新能源動力電池的產熱特性，深入分析和探討了動力電池熱管理技術及熱管理系統優化方案，具有一定參考價值。

關鍵詞：新能源汽車；鋰電池；熱管理系統；方案；優化

0 前言

新能源汽車用動力電池主要包括鉛酸蓄電池、鎳氫電池、鋰電池和燃料電池等類型。其中，鋰電池的比能量高，綜合性能最為優異，發展前景極為廣闊。然而，鋰電池的工作性能受溫度影響較大，其工作溫度在-20～55 ℃，溫度過高或過低都會降低電池內部溫度的均勻性，導致性能下降，引發安全隱患［1］。因此，新能源汽車行駛過程中電池的生熱安全問題，成為當下亟待解決的重要問題。

熱管理系統的主要功能包括：① 檢測電池溫度，判斷生熱情況；② 提高電池系統溫度的均勻性，防止局部溫度過高；③ 合理設計冷卻散熱結構，增強電池工作性能和充放電性能，提升電池使用的安全性。因此，熱管理系統的優化對于提升新能源汽車動力電池的性能和延長其使用壽命，具有至關重要的意義。

1 新能源動力電池產熱分析

1. 1 電池產熱原理

為實現對電池熱管理系統的有效控制，首先需要深入了解電池產熱的原理與熱量的來源。在鋰電池工作過程中，產生的熱量主要有焦耳熱、電化學反應熱、副反應熱、極化反應熱4 種類型。

（1） 焦耳熱：在電池進行充放電時，電流流經電解質和電極材料會產生電阻，進而產生一定的熱量。

（2） 電化學反應熱：在鋰電池中，鋰離子在正負極之間遷移的過程中，會釋放或吸收能量，其中一部分能量以熱的形式釋放出來，致使電池產生熱量。

（3） 副反應熱：在電池充放電過程中，除了主要的電化學反應外，還會發生一些次要的反應，這些反應所產生的熱量，會在一定程度上對電池產熱產生影響。

（4） 極化反應熱：在電池充放電過程中會產生極化現象，即電極表面的反應速率不均勻，導致局部溫度升高，從而產生額外熱量。

綜合考慮以上4 種類型的熱量產生方式，電池的總熱量可以表示為：

電池生熱模型為：

1. 2 溫度對電池性能的影響

當電池處于較高溫度時，電池的活性增加，充電和放電的效率均會提高，可用容量也會隨之增加。然而，若電池長時間處于高溫環境中，會大大降低其壽命。這是因為高溫會導致電解液黏度降低，從而使電池內阻減小，功率和容量提升；長期高溫環境會加速電池的老化，進而縮短電池的使用壽命［2］。

當電池處于較低溫度時，其活性會顯著降低，電池內阻增大，極化電壓也隨之增加，導致電池的實際可用容量減小，能量利用效率下降。當溫度繼續降低時，還有可能出現電解液凍結的情況，進而使電池內阻進一步增大。

電池性能參數與溫度的關系可以用阿倫尼烏斯公式來進行定性分析，即

2 動力電池熱管理技術及系統

2. 1 鋰電池冷卻技術

為解決鋰電池過熱問題，大量研究人員設計開發了針對電池熱管理的散熱技術，主要分為兩類：主動冷卻技術和被動冷卻技術。主動冷卻技術主要包括空氣強制對流散熱和液態冷卻系統。主動冷卻方式的特點是以消耗額外功率為代價，采用低溫水或者液體為冷媒介，以設定速度流過被冷卻表面，從而將熱量帶走。被動冷卻技術主要采用相變材料（PCM）進行溫度控制，利用PCM 的融化來吸收熱量，冷卻電池模塊，并將熱量以潛熱的形式存儲在PCM 中。當電池模塊需要加熱時，PCM 凝固放熱量，加熱電池模塊。

在極端環境下，空氣強制對流無法滿足安全溫度的要求，而且系統較為復雜。利用PCM 的方式則在結構簡單的同時，滿足散熱要求。然而，相變溫控存在一個關鍵問題：在缺乏外部輔助散熱的情況下，PCM 積累的熱量難以向外界釋放。由于PCM 潛熱耗盡后，熱量既無法被PCM 吸收，又由于PCM 導熱系數較低而向外導出，最終導致溫控系統面臨失控的風險。

針對PCM 導熱率低的問題，研究人員提出將PCM 內嵌于高導熱系數的多孔材料中，以提高PCM 的有效導熱系數，并應用于電池散熱系統。而對于相變潛熱“有限性”的限制，不同散熱方案的組合是提高單一散熱方案效果的有效途徑，例如可將熱管、PCM 和微通道冷板等相互組合，如圖1 所示。在散熱模塊設計中可采用以下方式：將微通道與PCM 進行組合，在電池工作時，PCM 的吸熱能夠減輕微通道的散熱壓力，降低電池進入熱失控的概率。

2. 2 電池低溫加熱技術

為了克服在低溫條件下鋰電池內阻增大、容量降低的問題，需要對鋰電池進行合理加熱，使其溫度達到電池啟動的最低溫度要求，從而提高電池的輸出性能。目前，鋰電池的加熱方式分為內部加熱與外部加熱。在外部加熱策略中，加熱熱流從外部熱源傳遞到電池，通過在電池外部包裹加熱薄膜或將電池侵入加熱流體來實現加熱。在內部加熱策略中，加熱功率產生于電池內部。產生內熱最簡單的方式是利用電池內部電阻產生的焦耳熱。由于熱量在電池中均勻產生，內部加熱可以在電池內部提供更均勻的溫度分布。此外，內部加熱消除了因熱傳導而產生的明顯熱量損失，避免了加熱裝置中的熱量積聚。因此，內部加熱方法能夠實現電池的快速加熱，效率更高，并且能夠防止電池老化的發生。

2. 3 熱管理系統設計

目前，熱管理系統設計與優化研究中面臨的問題有：① 熱管理系統設計多以經驗校核計算或有限元建模為主，經驗校核計算準確性低、參數設置不靈活，而有限元建模計算量大，缺乏快速準確的熱設計方法。② 對電池組熱管理系統控制策略的研究尚處于起步階段，以往的系統控制策略根據電池溫度設定恒定的風速或制冷劑流量，缺乏基于電池發熱功率的動態系統控制策略，難以有效提高系統的能量密度。

3 新能源汽車動力電池熱管理優化方案

3. 1 電池風冷熱管理系統優化方案

風冷散熱技術成熟度高，系統結構簡單，成本較低。針對電池風冷熱管理系統的優化， 提出主要技術方案為：① 設計一種對稱式的風冷電池熱管理系統，與非對稱系統相比，其最大電池溫差減少了43%，能耗降低了約33%，并且空間利用率較大；② 優化電池間的間距分布，優化后電池組的最高溫度降低了約3 K，最大電池溫差降低了60% 以上，沒有增加總功耗，取得了較好的冷卻性能；③在電池底部布置平行板，平行板的數量、位置對熱管理系統冷卻效果均有影響，結構優化后，最大溫度和溫差分別降低了3.42 K（6.26%）和6.40 K（90.78%）；④ 電池熱管理系統中增設多個渦旋發生器結構，通過增加該結構，電池的溫度均勻性大大提升，與原始配置相比，最大溫差降低了約5%［3］。

3. 2 電池液冷熱管理系統優化方案

液冷散熱技術的效果顯著，能夠有效控制電池溫度，提高電池性能和壽命。近些年，針對液冷方式的不足，研究人員也在不斷進行著改進研究，具體改進方案有：① 改進冷卻液或冷卻管道結構，如通過增加翅板或選用納米流體作為冷卻液等多種新型的液冷方式，優化后電池模組最大溫升下降了10.3%；② 改進冷板連接方式，改進后，模型最大溫差降低了14.5%，電池包整體溫度均勻性明顯改善；③ 設計一種新型的U 形液冷管道，通過優化液冷管道，并應用導熱系數大的冷卻介質，系統散熱效果顯著提高。

3. 3 電池多種散熱方式熱管理系統優化方案

電池多種散熱方式熱管理系統綜合利用風冷、液冷、PCM 等多種散熱方式，實現高效的熱管理，可以適應不同的工作環境和熱管理需求。電池多種散熱方式熱管理系統的優化方案為：① PCM-散熱片-風冷耦合的電池組熱管理方案，電池組最高溫度降低到39.33 ℃，電池組間最大溫差為3.06 K；② PCM-水套式液冷耦合散熱結構模型，其在不同放電倍率下能使電池之間的最大溫差均維持在5 K 以內。

4 結語

綜上所述，優化新能源汽車動力電池熱管理系統可以最大程度地提升電池的工作效率和使用壽命，同時確保電池在各種工作條件下的安全性。通過采用高性能導熱材料、PCM，并積極優化結構設計，能夠有效地控制電池的工作溫度，避免溫度過高或過低對電池性能造成不利影響。

參 考 文 獻

［ 1 ］ 李凌云. 中國新能源汽車用鋰電池產業現狀及發展趨勢[J]. 電源技術，2020，44（4）：628-630.

［ 2 ］ 梁欣. 電動汽車鋰離子動力電池熱管理分析[J].汽車測試報告，2022（20）： 70-72.

［ 3 ］ 王酉方. 新能源汽車動力電池散熱管理系統優化設計研究[J]. 南方農機，2020，51（24）：2.