浅谈新能源汽车用锂电池热管理系统设计

谢佳平

上海松岳电源科技有限公司 上海市 201804

1 引言

锂电池生热首先会对自身造成影响，导致电能输出功率不稳定或中断，由于电能是新能源汽车的驱动能源，一旦出现此类现象就代表汽车失去动能，这对于高速行驶的新能源汽车而言十分危险，其次热能还可能对周边线路造成影响，间接引发其他故障。由此可知锂电池热管理系统的重要性，但该系统在不同新能源汽车中的设计方式不同，就这一点文中将提出两种热管理系统设计方案，并对两者进行仿真测试对比两者优劣。

2 锂电池生热与传热机理

2.1 生热机理

锂电池生热机理可以帮助我们对电池温度进行预测，同时给予热管理系统设计信息支撑，因此有必要对此进行分析。根据相关研究得知锂电池生热原因有四，分别为焦耳热、反应热、极化热、副反应热，四者在锂电池运作中同时存在，因此电池总生热量为四者相加之和，但要确认总生热量数值就必须先确认四者实际热量，就这一点下文将对四者产生机理与计算方法进行分析。

2.1.1 焦耳热

焦耳热是在焦耳原理下产生的热能，即锂电池的壳体、极柱、正负极等组成部分都存在内阻，相应在运作中电流会与内阻接触激发焦耳原理，最终出现焦耳热。焦耳热是锂电池运作中最主要的热源，其恒定为正值。关于焦耳热的计算方法见公式（1）[1]。

式中Qj代表焦耳热；I代表电流大小；RΩ代表电池欧姆内阻。

2.1.2 反应热

锂离子电池的工作原理为：锂离子、电子之间不断进行正负极的嵌入和脱嵌，这一过程代表电池运作时内部粒子存在转移动作，此动作就会产生反应热。根据理论可知反应热可逆，代表电池无论在充电或者放电条件下热量大小都是相等的，但正负相反（充电为负、放电为正）。关于反应热的计算方法见公式（2）。

式中Qr代表反应热；m代表电极质量；n代表电池数量；QI代表电池正负极化学反应总生热量；M代表摩尔质量；F代表法拉第常数。

2.1.3 极化热

极化是锂电池运作中必然存在的现象，具体表现有三：①因欧姆内阻导致的欧模电阻极化；②因电子移动速度超过电极反应速度导致的电化学极化；③因锂电池内锂离子扩散速度低于电极反应速度导致的浓差极化。在任意极化表现下都会带来压降，相应就出现了极化热，极化热同样恒定为正值。关于极化热的计算方法见公式（3）。

式中Qp代表极化热；Rp代表极化内阻；R0、Rn、Rd代表以上三种极化现象，说明三者将同时存在。

2.1.4 副反应热

副反应热是一种出现概率、造成热量较小的锂电池热源，即只有在锂电池过充电或过放电条件下，导致电池电极材料出现分解状态时才会出现副反应热。就这一点可知，现代新能源汽车锂电池运作中基本不会出现过充、过放现象，因此副反应热可以忽略不计。

2.2 传热机理

在锂电池生热之后，热能对传播到周边物体上，这一表现即为锂电池的传热现象。传热现象的机理表现有三，分别为热传导、对流换热、热辐射，下文将对三者进行分析。

2.2.1 热传导

热传导是一种利用肉眼不可察介质实现热能传播的物理现象，在生活中十分常见。例如当锂电池生热之后，附着于锂电池上的粒子温度就会升高，随后因为粒子存在无序运动行为，所以当带有温度的粒子与周边事物接触，就实现了热能传播[2]。

2.2.2 对流换热

对流换热是一种以流体为介质实现热能传播的物理现象，即当流体整体存在温差时，受流体的宏观位移使得温度相互混合，由此就实现可传热。另外，对流换热同时还具备热传导的特征，即只有在外部与流体之间存在温差才能实现热能传播。

2.2.3 热辐射

热辐射是一种不需要介质或媒介就能实现热能传播的物理现象，即任何温度大于0k的物体都具有吸收热能的作用，相应受发热物体粒子运动下产生的电磁波影响，会导致其他物体温度升高。

3 热管理系统设计

3.1 设计方案一

方案一设计中，首先依照5mm的间距将所有锂电池分为两列，通过条形支架对电池进行固定、支撑，支架的安装与安装面平行，其次进行空气进出口设计，主要采用矩形形状。表1为方案具体数据；方案一设计结构见图1。

表1 方案具体数据

图1 方案一设计结构

对方案一运作进行理论分析：气体将通过箱体的左下方进入箱体内，方向为水平向，通过内设导流板（因导流板并不会影响到模型运作，因此在设计部分省略）使气流均匀渗透到电池间隙，利用气流流动带走电池表面热量，再从右上方出口排出，由此实现散热。在整个设计当中，因为支架缘故气流进入箱体后并不会出现紊乱，而是不断朝出风口发展，可保障散热功能的有效性。

3.2 设计方案二

方案一的特点在于风力进入箱体后可以均匀的对每个电池进行散热，但该方案的面积较大，可能不适用于内部空间较小的新能源汽车，就这一点本文将在方案二中，采用与方案一相同的材料进行热管理系统设计，旨在降低系统面积，且不影响散热能力。图2为方案二设计结果。

图2 方案二设计结果

根据图2可知，方案二与方案一的根本差别有二，即电池排列均采用阶梯形式，由高至低各相差50/7mm，此举使得箱体的高度减小，且不需要采用菱形箱体来进行设计，说明系统面积得到降低；为了不影响到散热能力，方案二中并没有安装导流板，此举是为了避免导流板对风力的阻隔，提高了系统内部空间的空气密度与强度，确保散热能力不会降低。综上，方案二的使用更具优势，建议采用这种方式进行新能源汽车锂电池热管理系统设计。

4 系统仿真测试

4.1 测试思路

介于方案一、二的散热原理都在于风力，因此在仿真测试当中，主要模拟一个风力环境，再将两个方案模型放入该环境当中，通过数据可知两者优劣。风力环境参数为：进口风速依次设置为1、2、3m/s；系统初始温度及进气温度为25℃；放电倍率为3C；仿真时间10min[3]。

4.2 方案一测试结果

根据方案一仿真测试结果可知，方案一在不同风速条件下电池温度分布并没有发生变化，都存在上部温度低、下部温度高、左侧温度低、右侧温度高的现象，从这一点上可以看出，方案一的散热效果实际上仍旧存在不均匀的现象。

另外，通过观察发现在方案一进风口角度上，其在风速为1m/s时左右两侧电池温度出现了较大的温差，但上下电池温度没有出现影响；在风速为2m/s时左右两侧电池的温差值大幅减小；在3m/s时左右两侧电池的温差值并未发生变化。综上可知，方案一的散热必须建立在较强风力的条件下才能发挥有效作用，但能效存在较大上限，并不存在“风速越大则散热效果越好”的表现。

4.3 方案二测试结果

根据方案二仿真测试结果可知，方案二在不同风速条件下电池温度分布同样没有太大变化，但在各锂电池的温度丰富表现相对良好，温差数值不大，说明方案二可以更好的维护锂电池内部的热均衡分布，具有更优秀的性能表现。

另外，通过观察发现在方案二进风口角度上，其在风速为1m/s时左右两侧电池温差较于方案一更小，但差值依旧较大；在风速为2m/s时左右两侧电池的温差值大幅减小；在3m/s时左右两侧电池的温差值进一步减小。综上可知，方案二的散热能力对于风力的要求低于方案一，且能效上限也大于方案一，再一次证实了方案二的优势。

5 结语

综上，为了保障新能源汽车电能供给稳定与形式安全，文章对锂电池热管理系统设计进行了分析，可知锂电池生热来源于四大热源，且会对周边线路造成影响。针对锂电池生热现象，提出了两种热管理系统设计方案，并采用仿真测试对两者的散热表现、原理进行分析，结果显示两个方案均具备散热能力，但方案二的散热性能与体积更具优势，因此建议选择方案二来进行锂电池热管理。