黃錫偉，朱雋隆，黃曉強(qiáng)，胡樂祥，楊增穎，戴海燕，李長玉

(華南理工大學(xué)廣州學(xué)院汽車與交通工程學(xué)院，廣東廣州 510800)

0 引言

鋰離子電池的高使用壽命和單位體積容納較高能量的優(yōu)點(diǎn)，使其成為當(dāng)前電動汽車動力電池的主要選用對象。在當(dāng)前電動汽車的迅速發(fā)展中，作為電動汽車的關(guān)鍵組成部分與主要的動力來源——電池，同時也在阻礙電動汽車的發(fā)展，為了給電動汽車提供所需的電壓，需要對大規(guī)模的電池單元進(jìn)行串聯(lián)或并聯(lián)連接。在這種情況下，必須考慮到電池溫度上升帶來的安全問題。電池組散熱不及時或散熱不良，會在充電或放電期間使得熱能聚積。電池組中聚積的熱能會導(dǎo)致電池過熱，從而造成安全風(fēng)險。此外，過熱操作會加速電池退化過程[1]。當(dāng)前需要一種有利的電池散熱系統(tǒng)來控制電動汽車電池組溫度的升高和溫差。

本文作者首先講述鋰電池的產(chǎn)熱特性和電池性能受溫度影響的狀況,表明電池組散熱的必要性；對常見的散熱方式進(jìn)行闡述,指出空氣冷卻的優(yōu)勢，并重點(diǎn)介紹空冷散熱中的強(qiáng)制冷卻方式，最后表明并行通風(fēng)優(yōu)于串行通風(fēng)。

1 鋰電池產(chǎn)熱特性與散熱需求

電池工作時會發(fā)生生熱和吸熱，其原因在于電池的正、負(fù)兩極發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，即當(dāng)電池進(jìn)行充電時，正極上產(chǎn)生鋰離子經(jīng)過電解液后嵌入負(fù)極中，而當(dāng)使用電池進(jìn)行放電工作時，負(fù)極中的鋰離子脫落，經(jīng)過電解質(zhì)回到正極。如圖1所示，一般認(rèn)為電池的產(chǎn)熱有焓變熱、焦耳熱、極化熱和副反應(yīng)的產(chǎn)熱。而若電池持續(xù)處于較高的溫度則會引起熱失控[2-3],溫度不同時電池內(nèi)部發(fā)生如圖2所示[3]的反應(yīng)。

圖1 鋰離子電池充放電過程離子移動示意

圖2 溫度不同時鋰離子電池內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)

由圖可知，溫度升高,電化學(xué)反應(yīng)速率加快,電池容量加速衰減[4]；并對電池結(jié)構(gòu)設(shè)計產(chǎn)生不可逆地破壞[5]。而處于高溫環(huán)境時電池的正、負(fù)兩極板容易受到損壞，而且還會導(dǎo)致電池過度充電，這對電池的循環(huán)使用壽命產(chǎn)生嚴(yán)重影響。且在30～40 ℃的工作范圍內(nèi)，溫度每升高1 ℃，鋰離子電池的壽命將減少約兩個月[6]。要求電池系統(tǒng)在整個使用壽命內(nèi)將最高溫度保持在40 ℃以下，并將電池溫度差保持在5 ℃以下[7]。

電動汽車電池系統(tǒng)的電池組通常由大量的電池單體組成,并用串聯(lián)或并聯(lián)連接多個電池單元，構(gòu)成所需的電壓和容量。提高電池組的性能對電動汽車有著重要的意義，而電池組性能受到其組內(nèi)各單體溫度均勻性的嚴(yán)重影響，在工作過程中電池組內(nèi)各電池模塊內(nèi)部會呈現(xiàn)出較強(qiáng)的差異性，使其組內(nèi)各電池的溫差過大，從而擴(kuò)大電池阻值和容量的差異性。電池的壽命和性能在長期處于這種工作狀態(tài)下，也會因電池可能發(fā)生充放電過度而產(chǎn)生不利的影響。此外，電池組不良的散熱設(shè)計會在充放電期間引起熱能聚積。電池組中聚積的熱能不僅導(dǎo)致電池過熱，甚至?xí)斐砂踩L(fēng)險。因此，為使電動汽車動力電池組進(jìn)行有效散熱，并令各電池模塊工作在適宜的溫度范圍內(nèi)，且保持各電池模塊溫差的一致性，從而提高動力電池組性能，故而在進(jìn)行電池組結(jié)構(gòu)設(shè)計時必須采取冷卻裝置。

2 動力電池組常見散熱方式

當(dāng)前電動汽車散熱方式按電池被冷卻方式的不同，常分為液體冷卻、相變材料冷卻及空氣冷卻。文中重點(diǎn)對空氣冷卻進(jìn)行介紹。

2.1 液體冷卻方式

直接接觸和間接接觸為液體冷卻的劃分方式，其中直接接觸是把電池直接浸沒在冷卻液中，實(shí)際運(yùn)用中礦物油可做直接接觸傳熱介質(zhì)，利用其為絕緣電介質(zhì)的性質(zhì)，來避免電池發(fā)生短路[8]；間接接觸是把液體灌注到條狀管式裝置或者散熱夾套中，間接接觸中水和防凍液都為常用的傳熱介質(zhì)。液冷的進(jìn)行必須通過水套等換熱設(shè)備來實(shí)現(xiàn)，一般冷卻系統(tǒng)通過管道和電池相連，將冷卻液注入到管道中，通過管道中冷卻液的循環(huán)流動，從而將熱量從電池中抽離，確保電池溫度的均勻分布，提供更高的熱交換率和更快的冷卻速度。在采取導(dǎo)電液體時，必須避免電池發(fā)生短路，且將導(dǎo)電液體與電池分隔開需要增加結(jié)構(gòu)和密封性，這樣帶來了液冷的缺點(diǎn)即增加了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、增加設(shè)計制作成本以及降低了冷卻性能，且存在著漏液的可能，質(zhì)量也相對會較大。被動式冷卻和主動式冷卻可作為電池液冷系統(tǒng)的兩種劃分方式，其中被動式液冷系統(tǒng)的散熱結(jié)構(gòu)如圖3所示，利用液-氣換熱器的換熱方式來對電池進(jìn)行散熱;主動式電池液冷系統(tǒng)如圖4所示，利用液-液交換方式對電池進(jìn)行散熱[8-9]。

圖3 被動式電池液冷系統(tǒng)

圖4 主動式電池液冷系統(tǒng)

近幾年來,在液體冷卻上較為普遍的研究為采用新型的冷卻液，如采用液態(tài)金屬[10]、 納米流體[11]等來優(yōu)化液冷散熱。但當(dāng)前對液體冷卻通道的設(shè)計仍是液冷系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀如:通過冷卻液通道數(shù)量的增加來降低電池放電后的最高溫度[12]、優(yōu)化液體冷卻的通道結(jié)構(gòu)[13-15]、采用具有小翼結(jié)構(gòu)的冷卻通道[16]、設(shè)計新型液體冷板[17-18]等來控制電池組的溫差并加強(qiáng)散熱能力。

2.2 相變材料冷卻方式

隨溫度不同而出現(xiàn)不同的相，并在轉(zhuǎn)變?yōu)樾孪鄷r吸入放出熱量的物質(zhì)稱為相變材料。相變材料通過外界條件發(fā)生變化轉(zhuǎn)變物理性質(zhì)這一相變過程，來吸收或放出潛熱。汽車電池組即按照相變潛熱來保證內(nèi)部溫度的一致。其不同于空氣冷卻是通過溫差來散熱的，且對于溫度的要求較低。相變材料擁有高換熱系數(shù)，且對電池冷卻高效、快速，也可以準(zhǔn)確調(diào)節(jié)電池組在適宜溫度范圍內(nèi)工作的優(yōu)點(diǎn)，但較高的開發(fā)成本和維護(hù)難一直是相變材料的不足。

當(dāng)前在相變材料冷卻散熱方式的研究現(xiàn)狀上主要為基于固液相變材料的散熱，其通過相變材料相變吸熱來使電池溫度下降[19-20]，研究也集中在通過對相變材料的制備和對其導(dǎo)熱性能的完善[21-23]來改變相變材料導(dǎo)熱性能較差的缺點(diǎn)，而采取相變材料散熱方式與其他方式相結(jié)合獲得更好的散熱效果[24]當(dāng)為繼續(xù)發(fā)展的方向。

3 空冷散熱方式研究現(xiàn)狀

已經(jīng)提出的兩種散熱方式用于電動汽車電池系統(tǒng)中的散熱管理，然而，以這兩種散熱方式為主的散熱方案，由于制作成本、能量的損失、電池系統(tǒng)的全部質(zhì)量和布局的限制，空冷散熱系統(tǒng)仍然占主導(dǎo)地位。此外，在產(chǎn)生潛在有害氣體的特定電池系統(tǒng)中，必須要進(jìn)行空氣通風(fēng)?？绽渖岚床煌乃惋L(fēng)方式分為自然冷卻和強(qiáng)制冷卻方式。當(dāng)前對空冷散熱方式散熱性能的改進(jìn)是研究者所研究的方向，通過不同措施強(qiáng)化電池組傳熱及改善電池溫度的均勻性來改進(jìn)空冷散熱方式的散熱性能。如通過設(shè)計空冷電池組冷卻風(fēng)道的結(jié)構(gòu)[25-26]、設(shè)計電池排列方式[27-28]、優(yōu)化送風(fēng)的控制策略[6]等措施。也有：潘宏斌等[29]通過增加風(fēng)道內(nèi)散熱器的散熱片數(shù)量和對電池支架風(fēng)道進(jìn)行開槽來改進(jìn)風(fēng)道的散熱性能；劉振軍等[30]在自然冷卻方式下增加電池組箱體前后端進(jìn)出風(fēng)口，并進(jìn)行仿真測試得到電池組最高溫度有所下降及電池溫度均勻性顯著提高；眭艷輝等[31]將電池箱內(nèi)的電池設(shè)計為叉形排列和梯形排列，對比得到梯形排列更有利于電池散熱，對降低電池組溫差更有效果；陳磊濤等[32]通過調(diào)整通道寬度和集流板傾斜角度使流場中的流速保持均勻性，以保證電池組的溫差。

3.1 自然冷卻

對于直接研究電動汽車動力電池組自然冷卻的文獻(xiàn)較少，但通過范興明等[33]對電池組在不同放電倍率和不同冷卻方式下電池組溫度值的研究，比較得到自然冷卻的散熱效果不如強(qiáng)制冷卻，強(qiáng)制冷卻方式更加能使電池組在最佳的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行工作。

3.2 強(qiáng)制冷卻

強(qiáng)制冷卻結(jié)構(gòu)簡單、輕便，制造和維護(hù)成本較低，同時在強(qiáng)制冷卻工作時，也可以有效排出電池工作中產(chǎn)生的有害氣體，是當(dāng)前電動汽車應(yīng)用最為廣泛的散熱方式之一，通常采用風(fēng)扇或空調(diào)風(fēng)等方法強(qiáng)制空氣進(jìn)行散熱。當(dāng)前按照電池組的布置和安裝方式，可將強(qiáng)制冷卻方式分為串行通風(fēng)和并行通風(fēng)，分別如圖5和圖6所示。

圖5 串行通風(fēng)方式

圖6 并行通風(fēng)方式

3.2.1 串行通風(fēng)

串行通風(fēng)，一般是風(fēng)扇抽取電池組箱體外的冷空氣，并讓冷空氣從電池組的一側(cè)流入，從另一側(cè)流出。如圖5中冷空氣從左側(cè)端口進(jìn)入流動到右側(cè)端口出去，且在流動的過程中不斷地被加熱，使到達(dá)右端的氣體溫度升高，使其換熱系數(shù)下降，散熱效果降低，從而使右側(cè)端口的冷卻效果差于左側(cè)端口，導(dǎo)致電池組溫度分布不均勻，使電池組內(nèi)溫差增大，所以一般不采取串行通風(fēng)方式。

3.2.2 并行通風(fēng)

并行通風(fēng)方式是冷空氣從通風(fēng)口一起吹向電池模塊，受此影響，電池表面接觸到的氣體上下流動的，且各電池模塊間流過的氣體流量也會相對比較平均，這使得各個電池單體下降的溫度一致，因此并行通風(fēng)方式更有利降低電池組內(nèi)各個體之間的溫差。并行通風(fēng)方式散熱效果好于串行通風(fēng)方式，更有利于提高電池組的工作性能，在電動汽車的散熱方式中更為常見。

4 結(jié)束語

文中主要對鋰離子動力電池散熱方式研究現(xiàn)狀進(jìn)行講述，相較于另外兩種散熱方式，空氣冷卻方式散熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更為簡單，并且能將產(chǎn)生的有害氣體及時散出，維護(hù)便利，制造成本低，為當(dāng)前電動汽車動力電池組最常見的散熱方式。并比較表明強(qiáng)制冷卻更能使電力動車組保持在比較適宜的溫度范圍內(nèi)，而在串行通風(fēng)方式與并行通風(fēng)的比較中,并行通風(fēng)方式散熱效果好于串行通風(fēng)方式,更有利于提高電池組工作性能，在電動汽車散熱中更為常用。