關鍵詞：大功率充電；熱管理系統(tǒng)；優(yōu)化策略

0前言

國際能源署發(fā)布的預測結果表明，預計到2030 年，世界各國新能源汽車保有量總和將達到2.4 億［1］。在電池材料技術暫未實現突破性進展的前提下，動力電池大功率充電技術得到行業(yè)和市場的重點關注。充電功率的增大能極大地提升用戶的使用感受，但對電池包的一致性、耐久性和穩(wěn)定性影響較大［2］。本文在解析鋰電池產熱機理的基礎上，對現有的動力電池熱管理技術進行分類，歸納其優(yōu)缺點及適用場景，重點分析大功率充電技術對動力電池熱管理系統(tǒng)帶來的挑戰(zhàn)并提出相應的解決措施。

1鋰電池產熱機理

鋰電池在充放電過程中進行復雜的化學反應，鋰離子在電解質中不斷地遷移。電解液反應、電池內阻耗能等會產生大量的熱量，其可分為反應熱、焦耳熱、極化熱和副反應熱［3］。目前最通用的鋰離子電池產熱模型為1985 年D. BERNADI 提出的產熱功率公式［4］，其表達式為：

2鋰離子電池熱管理技術

鋰離子電池因自身材料特性，在充放電過程中不可避免地產生大量熱量，若產生的熱量不能散失且熱量累積到一定量，則會導致熱失控問題。鋰離子電池熱管理技術中的主動式熱管理利用不同性質的流體將電池外表面的熱量傳遞出去，進而達到降溫的效果。根據流體的性質，主動式熱管理可分為空氣冷卻技術和液體冷卻技術。被動式熱管理則是采用具有較高相變潛熱的材料或能夠主動傳導熱量的結構等方式形成無需消耗額外能量的熱管理技術，具體包含相變冷卻技術和熱管冷卻技術［5］。上述4 種冷卻技術的特點、性能和使用場景見表1。

2. 1 空氣冷卻

空氣冷卻技術利用空氣的流動性將電池包內部的熱量以對流的形式排出，對流形式通常分為自然對流和強制對流2 種。自然對流冷卻技術由于散熱量小、空氣流動速率低等缺點并不適用于車載動力電池的冷卻。強制對流冷卻技術運用風扇加速電池包內部的空氣流動，其熱量被排出的同時也將新的冷空氣灌入電池包內并形成循環(huán)冷卻。

目前針對空氣冷卻技術的研究主要集中于對電池包內部模組的排列方式、空氣對流通道的路線、冷卻風扇的分布進行優(yōu)化以提高電池包均溫性。強制對流空氣冷卻技術是一種通用的冷卻方式，但由于空氣的傳熱系數較低、電池包內部溫度分布不均勻等缺陷，該技術通常適用于室外環(huán)境溫度低、電池包總能量較低、小功率充電等場景。

2. 2 液體冷卻

液體冷卻技術將傳熱介質換成比熱容更大、傳熱效率更高的液體，并建立合適的管道通路與電池接觸進行熱交換。該技術還需要配備額外的泵和閥門來調節(jié)液體流速和流向。液體冷卻可分為直接接觸式和間接接觸式2 類。間接接觸式液冷系統(tǒng)無需建立冷卻板及電池包內部管道，其冷卻液通常是絕緣性好、比熱容大、流動黏度低的礦物油（如硅油變壓器油等），能增大熱量交換面積，提高換熱效率，但對電芯的密封性工藝要求更高。

間接接觸式液冷系統(tǒng)是目前市面上使用最廣泛的，其冷卻效果受冷卻液泵功率、冷卻液入口溫度、冷卻管道分布等因素的影響。為進一步增強冷卻效果和改善電芯溫度一致性，從優(yōu)化冷卻管道的分布和形狀尺寸、研制導熱性更高且黏度更低的新冷卻液材料、利用液冷和其他冷卻技術進行耦合等方面進行大量研究。除了溫度一致性較差等問題外，液體冷卻系統(tǒng)的泵運轉需要消耗額外的能量，冷卻板、冷卻管道、換熱器、閥門等裝置也增加了制造成本和系統(tǒng)布置難度。

2. 3 相變冷卻

相變冷卻技術利用高相變潛熱材料通過固液兩相轉變進行熱量的存儲和釋放，因其在對電池進行升降溫過程中無需消耗額外的電池能量，屬于理想的動力電池熱管理技術并受到研究者的青睞。通常使用電芯包裹相變材料，以增大接觸面積，提高換熱效率，但若升溫過大相變材料轉為液態(tài)，則會引起泄漏風險。目前研究方向主要集中在石蠟材料及其復合相變材料，通過在石蠟中添加膨脹石墨、碳納米管、金屬翅片、金屬泡沫等材料來提高石蠟的導熱性和結構強度［6］。在動力電池領域，基于相變材料的熱管理系統(tǒng)尚處于研發(fā)階段，無法獨立應用于電池溫度快速上升、產熱量過大和冷啟動等場景，故需要與其他熱管理系統(tǒng)配合使用。

2. 4 熱管冷卻

熱管冷卻技術廣泛應用于航空航天和電子設備領域的熱管理系統(tǒng)，該技術同樣利用傳熱工質的相變潛熱來傳導熱量，具有高導熱性、高循環(huán)可逆性、無源性、成本較低等優(yōu)勢，但因其自身結構限制在動力電池熱管理領域運用不多，目前尚處于實驗室研發(fā)階段。熱管冷卻技術屬于無源性熱管理技術，散熱能耗低，但會造成動力電池包體積過大、總體能量密度降低，且無法通過熱管進行預熱等問題。

3 大功率充電對電池熱管理系統(tǒng)帶來的挑戰(zhàn)

車用動力鋰離子電池的最佳工作溫度為25～40 ℃，溫度過低或過高都會顯著地影響電池充放電性能。目前市面上電動汽車熱管理通常采用液冷方式，但隨著電池單體能量密度越來越高，電池包總能量越來越大，加大充電功率、加快充電時間成為各大車企研究的熱點，同時也帶來了諸多問題和挑戰(zhàn)。

3. 1 電池內部產熱量急劇增加，加速電池老化

在大功率充電過程中，電池的內阻值與充電功率呈正相關，極化現象加劇。隨著充電功率的增加，電池內部快速產生大量的焦耳熱和極化熱，導致電池溫度急劇上升。同時大功率充電會極大地提升鋰離子的遷移速度，但鋰離子的遷移速度受材料特性的限制，導致在負極產生析鋰現象，加速了電池老化程度。在大功率充電過程中如何快速有效地減少電池內部產生的大量熱量和合理調控充電速度以避免出現析鋰現象是熱管理系統(tǒng)面臨的主要挑戰(zhàn)。

3. 2 電池包內部溫差過大，增加熱失控風險

在大功率充電過程中，增大冷卻液的流速會增大水泵的工作功率，這將消耗額外的電池能量，且較快的流速易導致電池包冷卻水管出入口區(qū)域的電池溫差較大，電池包內部溫度的均勻性變差。由于冷卻液流速加快會帶著電芯表面的大量熱量，而對電芯內部熱量的影響較小，故導致電芯內外溫差較大。熱管理系統(tǒng)監(jiān)測的是外表面溫度，而無法準確檢測電芯內部溫度，若電芯內外溫差較大，則增加了電池熱失控的風險。如何在體積越來越大、充電速度越來越快的電池包內保證各區(qū)域電池溫度的均勻性，以及將通過相關算法準確預估的電池電芯內部溫度與外表面溫度相結合來綜合判斷熱失控風險也是大功率充電中熱管理系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)。

3. 3 電池荷電量（SOC）預估值偏差加大，縮短實際續(xù)航里程

電池包中每個電芯的充放電性能受材料成分均勻性和制造工藝偏差的影響而存在一定的差異性。在大功率充電過程中，充電速度過快會放大電芯之間的性能差異，導致電池單體間電壓一致性變差、實際可用續(xù)航預期不準確且縮水嚴重。如何在快速充電時提高電池系統(tǒng)均衡能力以及計算SOC值的準確性，同樣也亟需解決。

4 結語

目前單一的熱管理系統(tǒng)技術已無法滿足總能量越來越大、充電功率越來越高的電池包對溫度調控的需求，因此將上述4 種熱管理系統(tǒng)進行系統(tǒng)性耦合。相變冷卻系統(tǒng)具有無能耗和電池溫度均勻性好的優(yōu)點，但電池產生的熱量過大會導致熱量在相變材料內積累，需結合主動散熱技術將多余熱量傳導出去。相較于空氣冷卻系統(tǒng)，液體冷卻與相變材料的耦合系統(tǒng)具有更優(yōu)的冷卻能力和溫度均勻性，是最有潛力的研究方向之一。

通常相變材料以石蠟等有機相變材料為主，但其存在泄漏和可燃風險。無機水合鹽類相變材料具有原料易獲取、材料合成無污染、儲能密度大、熱導率高等突出優(yōu)勢，在熱能儲存、建筑節(jié)能等領域運用廣泛［7］。在動力電池領域，將無機水合鹽類與多孔材料復合或微膠囊化是解決此類相變材料導熱性差、過冷度大等問題的有效方法。將無機材料與金屬泡沫、膨脹石墨或三維導熱毛細結構等多孔材料復合，可提升材料的力學性能、導熱性以及溫度均勻性，降低可燃性，進而提高電池系統(tǒng)的安全性。

由于電池內部溫度無法精確測量，因此需要更加深入地研究電池熱失控特征、產熱量與充電功率之間的數值關系和其他特征參數，以建立電池內部產熱的電化學-熱動態(tài)模型。將電池表面溫度檢測與產熱模型進行綜合分析，并結合多目標優(yōu)化平衡的充電策略，構建熱管理智能監(jiān)控與預警系統(tǒng)，可顯著降低熱失控風險，提高電池內部溫度預估的精準度。

大功率充電技術符合市場需求，為新能源汽車的發(fā)展帶來了巨大機遇，但同時也帶來電池產熱量增大、電池老化加速、溫度均勻性變差以及實際使用續(xù)航縮水等問題。通過上述措施可以有效應對大功率充電對熱管理系統(tǒng)帶來的挑戰(zhàn)，同時也需關注耦合系統(tǒng)的兼容性和成本要求。