电动车电池热管理研究

吴 凯，盖东兴*，张学伟

(1.武汉工程大学光电信息与能源工程学院、数理学院，湖北 武汉 430205；2.广州申菱环境系统股份有限公司，广东 佛山 528313)

1 引言

在2021年，两会将“碳达峰、碳中和”列入政府工作报告。作为2021年国家重点研发项目，发展电动汽车能有效缓解能源短缺及环境污染问题，是未来汽车的发展方向。在我国，电动汽车自2013年起享受国家财政补贴，在政策的扶持下，电动汽车技术飞速发展，销量逐年上升。根据EV Volumes2020年的数据统计，2020年汽车销量(7 797万辆)对比2019年(9 042万辆)下降了13%，而全球插电式汽车销量比2019年(226万辆)逆风增长43%，达到324万辆。其中中国的电动车销量最多，达到134万辆，占比全球电动车销量的41%。尽管电动车仅达到全球新车销量的2%左右，但可以预见汽车行业的趋势正转向纯电动汽车[1]。

温度是电动车动力电源控制系统中最重要的参数，也是电池所有检测参数中最主要的参数，温度对电池的寿命、安全性、内阻在内的很多重要性能都有较大影响[2]，决定了电动车的续航里程、成本、使用寿命、安全等关键性指标。目前在电池市场，锂电池凭借免维护、使用寿命长、无污染等特性占据了电池市场的大部分份额，可是，电池的温度对锂电池的放电性能有很大的影响。因此掌握电池的温度控制技术是赢得电动车市场的关键。

当温度较低时，电池的反应速度就会很慢，但是过高的温度又会破坏电池的化学平衡，产生副反应；低温下短时间使用电池会暂时降低电池容量，而长时间使用或者在极端低温条件下使用则会造成“冻伤”，永久损伤电池。因此，为了最大程度利用锂电池的性能以及延长使用寿命，锂电池的工作温度必须维持在0～35 ℃，最佳温度在25～35 ℃。

2 电池热管理的国内外研究现状

1985年D BEMARDI提出了一种发热功率计算模型，这个模型给锂离子电池的发热模型提供了理论基础。该模型根据内部物体的发热均匀性假设，提出将电池的产热简化为两个来源：“化学反应热”和“欧姆热”[3]。

2001年本田的SATO N.等人在D BEMARDI的基础上经过试验验证了锂电池的计算模型。根据该模型，电池的发热分为四个部分，除了电化学反应热和欧姆热外，还包括极化热和副反应热[4]。其中，化学反应热是电池在工作时，其内部化学物质之间的反应吸收或释放的热量；欧姆热是电池本身的内阻产生的热量，这种热量总是正的；极化热是指电流通过电极时，电池的电势偏离平衡值而产生的热量，并且这种热量也是恒定的正值；副反应热主要是由于电池内部产生自放电、电解质分解现象而发热，这种热量在锂电池发热量占比很小，一般忽略不计。

2010年清华大学的林成涛等人[5]在D BEMARDI和SATO N.模型的基础上对公式进行了一定的修正，在原计算模型的基础上添加了一个修正系数u，放电情况下计算模型不变，u为1，在充电情况下修正系数u为0.692。

范兴明[6]通过ANSYS Workbench软件的模拟实验得到结论，在设置参数为自然风冷的条件下，电池温度不能一直保持在正常工作温度区间；设置条件参数为强制风冷的冷却条件下，能基本排除掉电池在工作时内部产生的有害气体，并且成本低，易于维护，且具有结构简单，重量轻的特点，可以在小型车的电池热管理系统中广泛应用。

Saxon T等人[7]研究了特斯拉公司Roadster电动车的热管理系统，该电动车采用的是液冷式电池热管理系统，该跑车电池包内各单体的温差可以控制在±2 ℃内，在汽车行驶10万km后，电池包的容量依然能保持在最大容量的80%以上。

邱俊光[8]对18650型圆柱钛酸锂单体电池做了过充实验，同时使用复合相变材料对电池进行热管理，用以判断高温对电池性能的影响，结果表明相变材料能将电池温度保持在正常温度范围内，改善和提高了电池的综合性能。

3 电池热管理的发展与研究方法

3.1 电动车动力电池的发展

动力电池作为电动车的动力来源，其电池容量、内阻、寿命、成本和安全性是影响电动车发展的重要因素，因此电动汽车行业在不断提高动力电池的能量密度、功率密度和循环寿命的同时，也更加注重电池的经济性和安全性[9]。动力电池早期一般使用铅酸电池、镍金属电池，目前锂离子电池逐渐占据主导地位。

3.1.1 铅酸电池

铅酸电池于1859年由法国人普兰特发明，发展至今已有一百六十多年的历史，技术已经相当成熟，性能也相当可靠，有安全性高、原材料易获取、价格低廉等优势，但是由于其自身能量密度小、体积大、循环寿命短、维护难、对环境污染大等因素常用于普通燃油汽车内部电子设备的电源或旅行观光车，不适用于电动汽车的发展需求[15]。

3.1.2 镍金属电池

镍金属电池有镍镉电池和镍氢电池，镍镉电池综合机能稳定、工作温度区间大(-30～50 ℃)、价格低廉，但由于电池容量较低、对环境污染严重，且有“记忆效应”，长时间未放尽电量或者充电未充满会导致容量变低；而镍氢电池虽然提高了电池容量并且解决了“记忆效应”和污染的缺点，但由于价格昂贵、能量利用率低[16]，也不适合未来电动汽车动力电池的发展需要。

3.1.3 锂离子电池

锂离子电池能量密度高、循环寿命长、电荷保持能力强、工作温度范围宽(-20～45 ℃)、工作电压高、体积小、重量轻、能量高、安全性高、无环境污染、无记忆效应，是最有发展前景的动力电池[17]。

目前市面上的锂离子电池有磷酸铁锂(LFP)、锰酸锂(LMO)、钴酸锂(LCO)和三元材料即镍钴铝(NCA)、镍钴猛(NCM)几种，它们性能各有差异，适用范围不同，发热特性也各不相同，需要不同的热管理方式。下表是各个电池的参数对比[18]。

表1 各锂离子电池性能参数对比Table 1 Comparison table of performance parameters of lithium ion batteries.

热稳定性和安全性更好的磷酸铁锂电池在小型车市场应用广泛，但是大型纯电动车更倾向于运行电压更高、比质量能量更高、成本更低廉的锰酸锂、钴酸锂电池[19]，而三元材料电池由于运行电压高、能量密度高、循环寿命高、成本低廉等多方面优势在动力电池市场的份额增长迅速，逐渐成为市场新秀[20]，但由于其安全性仍然受人诟病，目前动力电池仍由磷酸铁锂电池占据主导地位。

3.2 难点

电池是化学能源，其热量输出特性与传统内燃机有很大区别，冲放电过程中的化学反应机理与电池内部活性物质反应速率、电芯的结构、材料等都会影响电池的产热量与传热特性，所以必须通过大量试验与分析才能得到实际电池单体的发热传热模型。

电动车中的电池往往不是以电池单体的形式进行工作，而是多个电池芯串联、并联以及电池箱、液冷板、热管、热电片等组成的结构体，传热过程复杂，因此，对于组成电池包级别的温度仿真是热管理系统的重难点。

最后，对搭建的电池热管理系统模型进行优化与验证也是难点，如温度分布是否与实测相符，通过模拟设计的目标是否达到实际设计要求等。

3.3 研究方法展望

通过对前人研究方法的借鉴与总结，电池热管理可由三个方面进行研究，一是单电池的发热特性研究；二是电池模块构建、优化和内部流场、温度的模拟分析；三是电池包整体的搭建。

3.3.1 单电池的发热特性研究

(1)通过将电池内部进行简化，将每一个电池单体都分为正极、隔膜、负极、有机电解液、电池外壳等几个部分，先由理论计算得到不同工况下的发热效率，再通过CFD软件以模拟仿真的方式模拟出不同发热效率、不同环境温度下的内部温度分布云图。

(2)电池单体实验：直接拿电池单体做实验，在不同发热效率下测量电池单体表面温度，并与(1)步骤中的结果进行对比，验证简化模型的正确性。

3.3.2 电池模块构建、优化和内部流场、温度的模拟

在空冷的基础上初步构建几种液冷模型的结构，利用CFD模拟将几种模型进行对比，抉择出最优液冷模型，对实际模型进行结构优化。

3.3.3 电池包整体构建

采用优化之后的电池模块结构模型，构建电池整体结构模型，设计好电池内部的管道搭建以及电池模块布置，从而分析电池包整体的流动与温度特性。

4 电池热管理途径

电池热管理系统分为主动热管理和被动热管理。其中被动热管理没有主动控制，任由电池的产热在系统中扩散运动。而主动热管理是电动车热管理系统在不同的工况条件下根据电池的特性和状态参数对电池进行主动地加热或者冷却。主动热管理根据介质不同可分为空气冷却、液体冷却和相变材料冷却[25]：

4.1 风冷(主动/被动热管理)

风冷根据冷却结构的不同分为被动式冷却和主动式冷却，被动式冷却基于系统中空气介质的自然热扩散，在发热功率较低时能满足热控制需要，但是当发热效率较高时需要通过强制风冷冷却。强制风冷由通风方式不同分为串行通风和并行通风[6]，如图1所示。

图1 串行通风(a)与并行通风(b)Fig.1 (a) Serial ventilation and (b) parallel ventilation.

由上图可以直观看出，串行通风情况下由于空气越到后面温度越高，所以会造成出风口端温度明显高于进风口，温度不均匀；而并行通风结构与电池接触的都是上升风气流，温度均匀，因此强制风冷一般选用并行通风。

风冷散热具有结构简单、不容易泄露的优点，并且成本较低，适用于LFP电池(磷酸铁锂电池)和小型车。

4.2 液冷

液冷效果优于风冷，但是成本较高，结构复杂。对比空气，液体介质比热容大、换热系数高，补足了空气冷却效率低的不足，是电动车电池热控的主要手段。

图2 液冷热管理系统原理Fig.2 Schematic diagram of liquid cooling thermal management system.

当电池包需要降温时，采用蒸汽压缩式制冷原理，电加热器不启动，水泵将循环水箱中的冷的制冷液泵入电池包管路中，变成热的制冷液，通过循环回路变成冷的制冷液，往复循环达到制冷的效果。

当电池包需要加热时，电动压缩机关闭，循环水箱中的冷却液经过加热器加热后再由水泵泵入电池包，达到加热电池包的效果[11]。

4.3 相变材料制冷

相变材料是指在特定条件下通过吸收或放出热量产生相变的物质，相变材料兼具换热效率与成本的优势，而且维护成本低。2000年Al-Hallaj首次将相变材料应用于热管理系统[12]引发广泛关注，A.Mills经过研究发现通过将石蜡与发泡铝相结合能提高相变材料导热率，提升冷却效果[13]。

相变材料的换热效果优异、成本低廉，是未来最有潜力的电池热管理发展方向。然而其导热率低、体积变化大、流动性差的缺点还需改善，所以相变材料的推广应用尚需一段时间的探索研究[22]。

4.4 热处理方案小结

成本和体验感是影响消费者购买汽车最主要的因素，车企为了降低消费者购车成本和提高用车的舒适度，大力研发高续航里程电动汽车，而这往往意味着汽车会使用更多电池，会产生更多的热量，因此高里程电动汽车往往需要更高效的热管理系统。风冷由于冷却速度慢，温降不明显，无法满足高能量动力电池散热需求[24]；相变材料由于导热系数小、体积变化打、封装困难、无法循环流动、价格高昂等问题无法大规模投入动力电池的热管理应用中[21]；液冷电池热管理系统由于传热效率高、稳定性好、技术成熟，越来越成为市场主流热处理方案[23]。

5 结语

目前新能源汽车热管理市场格局存在不确定性，技术和市场发展均处于起步阶段，卓越的热管理技术的快速发展和成本优势有望在市场上占据主导地位，给企业带来机遇。

未来的热管理系统会向标准化、模块化方向发展。目前对于单一车型热管理技术尚处于定制化阶段，各个车场企业的热管理设计思路各不相同，因此热管理方案标准化是实际需求也是发展趋势[14]。而液冷冷却系统是标准化适用范围更广,效率更高，成本更合理的动力电池热管理方法，是更应考虑的发展方向。

吴凯(1997- ),武汉工程大学本科、在读研究生,主要研究电子器件散热方向。 盖东兴(1981- ),华中科技大学博士后,教授级高工,现于武汉工程大学担任硕导,主要研究工业余热利用、电子器件散热等领域。