陳逸可

同濟大學浙江學院，浙江 嘉興 314051

0 引言

隨著汽車保有量的不斷增長，環(huán)境污染與能源緊缺的問題日益凸顯。石油是工業(yè)的主要原料，傳統(tǒng)汽車是以石油化工品為主要燃料。但是，我國的石油資源十分匱乏，大部分原油依靠進口。據統(tǒng)計，2020年度我國進口原油占總量的84.2%。為此，推廣以電能為動力的新能源汽車，可以減少汽油的消耗和廢氣的排放，因此近年來新能源汽車尤其是電動汽車發(fā)展迅速。

電池作為電動汽車的“心臟”，承擔著為汽車提供動能的作用。鋰電池具有無污染、造價低等特點,常被用作電動汽車的主要能量來源。鋰電池作為電動汽車的三大核心之一，其溫度變化直接影響汽車的安全和性能。采用鋰電池熱管理系統(tǒng)進行調節(jié)，可以保持鋰電池的穩(wěn)定性，從而增強電動汽車的性能。文章針對鋰電池熱管理系統(tǒng)進行研究，提出鋰電池熱管理系統(tǒng)的優(yōu)化措施。

1 電動汽車鋰電池溫度控制的意義

鋰電池最早僅應用于心臟起搏器，但是隨著科技的發(fā)展進步，鋰電池成為主流。尤其是20世紀90年代Sony成功研發(fā)出以鈷酸鋰作為正極材料的鋰離子電池，使鋰離子電池在電子消費產品領域獲得了飛速發(fā)展。鋰離子電池具有能量密度大，沒有記憶效應，工作溫度廣，可實現快速充電等優(yōu)點，目前大部分移動電子產品都使用鋰電池作為電源。

經過多年的研究發(fā)展，相比其他電池類型，鋰電池的成本、安全性等綜合性能的優(yōu)勢相當大，但是其溫度控制這個問題始終沒有得到很好的解決。由于電池阻抗的存在，鋰電池在充電、放電過程中都會產生熱量，電化學反應也會產生熱量，使得鋰電池在工作時難以始終處于適宜溫度。鋰電池長時間處于高溫狀態(tài)時，會影響其性能，加速老化進程，縮短使用壽命，嚴重情況下甚至會發(fā)生爆炸；低溫條件下，會降低電池的充放能力。對于應用鋰電池的電動汽車來說，這是一個無法忽視的問題。汽車的工作范圍非常廣泛，常見的工作環(huán)境溫度為-20～50℃，而根據鋰電池內部材料的敏感性和鋰電池壽命可以得知其最佳工作溫度區(qū)間為15～35℃[1]。如果不能系統(tǒng)調控鋰電池的溫度，電池將成為電動汽車發(fā)展的最大限制。為此鋰電池熱管理系統(tǒng)應運而生。鋰電池熱管理系統(tǒng)的作用是幫助鋰電池散熱、加熱，以及保持電池組的溫度一致性。同時，電動汽車的電池組中單體電池的溫度差異影響非常大，溫度不一致會導致個別電池過充或過放，電池組之間的老化進程會不一致，導致壽命縮短，使鋰電池的安全性和性能下降。

2 電動汽車鋰電池溫度控制相關

2.1 鋰電池熱管理系統(tǒng)

鋰電池熱管理系統(tǒng)是指電動汽車中能夠控制調節(jié)動力鋰電池內部溫度的電子管理系統(tǒng)。根據導熱介質和結構的不同，通?？煞譃轱L冷、液冷、直冷和相變材料冷卻。鋰電池的性能只有在適宜的工作溫度范圍才能發(fā)揮最大作用。為了提升電動汽車的動力性、經濟性和安全性，安裝熱管理系統(tǒng)來調控鋰電池的溫度。

鋰電池熱管理系統(tǒng)由不同部分組成，分別具有不同的功能：（1）溫度傳感器時刻監(jiān)控鋰電池的溫度，一旦溫度超過一定范圍會發(fā)出警報信號；（2）當鋰電池溫度過高，會啟動散熱系統(tǒng)，防止熱失控；（3）當鋰電池溫度較低時會提前預熱，并維持電池始終處于適宜溫度，發(fā)揮其良好性能；（4）控制電池組中單元電池的溫度，保證電池組溫差在可控范圍內，防止個別單元溫度過高，使其保持一致性，延長電池的使用壽命；（5）若出現局部熱失控等情形，能主動隔離失控部分，減小事故危害，保護司乘人員的安全。

2.2 鋰電池熱量的產生與傳遞

鋰電池大致可分為電池核芯與包裹核芯的外殼。由于不同部分的導熱性能存在差異，表面溫度不能準確表示電池真實的溫度，只有核芯溫度才能正確顯示電池的狀態(tài)。為了研究鋰電池的熱量來源，將電池分為三塊區(qū)域，建立單體電池降階熱模型，將其熱量分為核芯溫度、表面溫度與空氣溫度3種。經過測算，鋰電池工作時的放熱主要可分為反應熱Qr、焦耳熱Qj、極化熱Qp、副反應熱Qs[2]。其中，電化學反應產生的可逆熱是反應熱Qr，而焦耳熱Qj是由于鋰離子電池內部歐姆在充放電時產生，是引起電池升溫的主要熱源。電流通過電池內部的極化內阻（電化學極化、歐姆極化和濃度差極化）時會產生極化熱Qp。鋰離子電池只有在溫度過高的情況下才會產生副反應熱Qs，故一般情況下無須考慮。

鋰離子電池的反應熱受周圍環(huán)境溫度影響，在正常工作溫度下，反應熱比鋰電池內阻的產熱量的1%還小，因此主要需要考慮如何降低焦耳熱。

根據傳熱學可知，熱的基本傳遞方式分為熱傳導、熱對流和熱輻射。熱傳導主要發(fā)生在電池內部，電池正負極與電解液相互接觸，熱量從內部向外部傳遞。可用傅里葉定律表示為

熱對流發(fā)生在溫度不同的流體或流體與固體之間，傳熱量與溫差成正比，遵循牛頓冷卻定律：

熱輻射發(fā)生在電池表面，以電磁波形式向外傳遞，可用斯特藩-玻爾茲曼定律表示。一般情況下，電池的熱輻射較低，因此不需要不予以計算。

2.3 鋰電池溫度控制方式

（1）空氣加熱與冷卻。空氣加熱是較簡單的一種溫度控制方式，只需要在溫度較低時，在電池周圍通入已加熱的空氣，使電池保持在適當溫度。風冷使用的是同種介質，但可分為自然風冷與強制風冷。自然風冷是將外部的冷空氣通過管道輸入電池周圍，起到降溫的效果。強制風冷則是將熱空氣通入降溫裝置中，使之降溫，再輸回電池旁，循環(huán)往復。

（2）液體加熱與冷卻。使用液體介質來改變溫度是一種溫度控制方式，原理是通過液體介質進行對流交換，從而達到改變溫度的效果。廣東工業(yè)大學的鐘肇達[3]設計了一種新型結構的液體冷卻系統(tǒng)，利用鋁管良好的導熱性能，及時將電池產生的熱量帶走，而鋁管中的液體則有效帶走鋁管儲存的熱量，基于鋁與冷卻液的耦合關系進行有效散熱。

（3）內部加熱。通常情況下，電池的產熱不利于電池本身，但在低溫情況下，則可以對電池的產熱進行利用，而且內部加熱的方式會優(yōu)于外部加熱，加熱效率高且成本低。

（4）相變材料加熱與冷卻。相變材料是一種通過改變物質狀態(tài)從而大量吸收或放出熱量的新型綠色材料。該材料能將電池的產熱以潛熱的形式貯存起來，當需要時又可以通過相變釋放出來。這種方式能自發(fā)地將溫度控制在一定范圍，不需要外界的信號，是一種節(jié)能高效的溫度控制方式。相變材料主要分為有機相變材料、無機相變材料和復合相變材料，大部分相變材料的導熱性較低，熱容量有限，因此需要研發(fā)新型復合相變材料。北京建筑大學的劉超[4]設計了一種將余熱回收技術與相變儲能技術相結合的裝置，實現了兩者的一體化設計。該裝置在需要給電池降溫時，吸收多余熱量；需要給電池加熱時，放出之前儲存的熱量，能夠減少多余熱量的浪費，值得更進一步研究。研究還發(fā)現加入適當比例石墨能夠強化相變材料的導熱性能，隨著石墨含量的增加，導熱系數最高可提高6倍，而且可以降低該復合相變材料的過冷度。大量試驗的結果表明，高溫環(huán)境和電池以倍率放電的情況下，相變材料具有良好的控溫效果，但在實際應用中會因為自身儲存熱量而需要進行二次排熱，需要更進一步的改良。

2.4 單電池的溫度控制

由于電池中電化學反應和熱具有耦合特性，使影響電池溫度的因素顯著增多，導熱系數、比熱容、內阻等相互關聯(lián)，在考慮控制電池溫度時，需要從各個方面進行考慮。在研究單電池的溫度控制的過程中，發(fā)現電池中存在溫度梯度與局部熱效應，極大地影響了電池的溫度，需要引起相關人員的重視。

3 結束語

為了延長鋰電池的壽命，增強電動汽車的性能，保護人們的安全，文章就如何控制鋰電池的溫度進行討論。其中，熱管理系統(tǒng)能根據電池所處環(huán)境溫度對電池進行溫度調控，使得電池保持在最佳狀態(tài)，還能夠控制整體溫度差。在研究過程中，建立鋰電池的熱模型，發(fā)現鋰電池的主要熱量來自焦耳熱。同時，對不同介質的熱管理系統(tǒng)進行比較，發(fā)現其控溫效果也不相同。其中，風冷的形式最簡單，但其效果相對較差；復合型相變材料的效果比較好，但是不同組成的復合型相變材料的性能差距較大，需要進行更深入的研究。