環(huán)境污染問(wèn)題的日漸突出，使得清潔能源成為大勢(shì)所趨。汽車、輪船、飛機(jī)等運(yùn)輸工具的能源消耗占據(jù)大量比例。這類移動(dòng)產(chǎn)品的正常使用，均離不開(kāi)儲(chǔ)能電池。當(dāng)前，新能源汽車的需求迅速增長(zhǎng)。而作為能量存儲(chǔ)單元，電池的性能和使用壽命直接決定了電動(dòng)車的性能和成本，如何提高電池的性能和壽命成為電動(dòng)汽車的研究重點(diǎn)。目前，電動(dòng)車輛上使用的動(dòng)力電池多為鋰離子電池，且是由多個(gè)單體電池通過(guò)串并聯(lián)方式組成電池組，通常，又稱為電池包。鋰離子電池在進(jìn)行充放電時(shí)，內(nèi)部將產(chǎn)生大量的熱量。如果散熱不及時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電池局部溫度快速上升，電池使用壽命大大縮短，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐呻姵責(zé)崾Э?，汽車發(fā)生爆燃。溫度上升，電池內(nèi)阻減小，電池效率提高。但溫度的升高，又會(huì)加速電池內(nèi)部有害化學(xué)反應(yīng)速率，進(jìn)而破壞電池。一般來(lái)說(shuō)，溫度上升10℃，化學(xué)反應(yīng)速率增加一倍。下圖是實(shí)驗(yàn)獲得的幾種典型電池在不同溫度、不同循環(huán)次數(shù)下的電池容量變化。Ni-MH 電池在45℃條件下工作時(shí)，其循環(huán)壽命縮短60%;高倍率充電時(shí)，溫度每上升 5℃，其電池壽命衰減一半。Ni-MH電池的最佳工作溫度范圍為20~40℃；對(duì)于鉛酸電池，是25~45℃。Ramadass等人對(duì)索尼18650(容量1.8 Ah) Li-ion電池的循環(huán)性能進(jìn)行了研究，電池在25℃和45℃時(shí)工作800個(gè)循環(huán)之后，電池容量分別下降31%和36%；當(dāng)工作溫度為50℃時(shí)，600個(gè)循環(huán)后電池容量下降60%；工作溫度為55℃時(shí)，500個(gè)循環(huán)之后，容量下降70%。當(dāng)動(dòng)力電池溫度過(guò)低時(shí)，電池的容量和壽命同樣會(huì)極大衰減。可能的原因包括電解液受凍凝固等。對(duì)于部分地區(qū)，冬季氣溫常低于-20℃，電池基本不能放電或放電深度較淺。

圖1 典型電池不同溫度、不同循環(huán)次數(shù)下容量衰減程度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1 電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的目標(biāo)

為保證電動(dòng)車的動(dòng)力性能及安全性，電池系統(tǒng)的熱管理有以下幾個(gè)目標(biāo)：

1. 保證單體電池處于適宜的工作溫度范圍，能夠在高溫環(huán)境中將熱量及時(shí)轉(zhuǎn)移、低溫環(huán)境中迅速加熱或者保溫；

2. 減小單體電池內(nèi)部不同部位之間的溫度差異，保證單體電池的溫度分布均勻；

3. 保持電池組內(nèi)部的溫度均衡，以避免電池間的不平衡而降低性能；

4. 消除因熱失控引發(fā)電池失效甚至爆炸等危險(xiǎn)；

5. 滿足電動(dòng)汽車輕型、緊湊的要求，成本低廉、安裝與維護(hù)簡(jiǎn)便；

6. 有效通風(fēng)，保證電池所產(chǎn)生的潛在有害氣體能及時(shí)排出，保證使用電池安全性；

7. 溫度等相關(guān)參數(shù)實(shí)現(xiàn)精確靈敏的監(jiān)控管理，制定合理的異常情況應(yīng)對(duì)策略。

2 電池組的熱管理設(shè)計(jì)方法

與典型的電子設(shè)備相同，電池的熱管理需要先明確設(shè)計(jì)輸入條件，包括電池自身的發(fā)熱速率，等效的導(dǎo)熱系數(shù)、密度和熱容。其次，確定電池組熱管理的目標(biāo)，即期望電池組在最惡劣情況下的工作溫度以及內(nèi)部溫度不均勻性的要求。最后但非常重要的是，關(guān)注熱管理系統(tǒng)的成本和可靠性、可維護(hù)性。合理的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，要綜合考量環(huán)境溫度要求、成本和電池溫度控制目標(biāo)三個(gè)約束條件。電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)際所用到的熱設(shè)計(jì)知識(shí)，與常規(guī)電子產(chǎn)品如服務(wù)器、電源等產(chǎn)品類似，均需要從熱傳導(dǎo)、對(duì)流換熱、輻射換熱三個(gè)角度考量合理的熱管理方式。但如何確定電池的熱特性參數(shù)，是電池?zé)峁芾碓O(shè)計(jì)與普通電力電子、通訊設(shè)備熱管理設(shè)計(jì)的一個(gè)重要區(qū)別。
 

2.1 電池?zé)峁芾碓O(shè)計(jì)的熱學(xué)信息確定

2.1.1 電池發(fā)熱速率

       鋰離子電池在充放電循環(huán)過(guò)程中伴隨有各種熱量的吸收或產(chǎn)生，并導(dǎo)致其內(nèi)部溫度發(fā)生變化。充電時(shí)一部分電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存在電池中，一部分被可逆吸熱存儲(chǔ)在電池中，還有一部分因轉(zhuǎn)化為不可逆熱而損耗。放電過(guò)程則放出電能，可逆熱和不可逆熱。這些熱量包括由化學(xué)反應(yīng)熵變產(chǎn)生的可逆熱Qr，電極因極化產(chǎn)生的極化熱Qp，因電阻產(chǎn)生的焦耳熱Qj，電池本身因溫度升高而吸收的熱量Qab，電池內(nèi)部因發(fā)生副反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量Qs等。電化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)是可逆的，而電流通過(guò)極化內(nèi)阻和歐姆內(nèi)阻時(shí)的熱效應(yīng)是不可逆的。對(duì)于可逆電化學(xué)反應(yīng)來(lái)說(shuō)，化學(xué)反應(yīng)吉布斯自由能的變化等于等溫等壓下的最大電功（對(duì)于熱學(xué)或化學(xué)專業(yè)的讀者，吉布斯自由能應(yīng)該并不陌生）。不可逆產(chǎn)熱速率與工作電流成正比例關(guān)系，不可逆熱為放熱?？赡娈a(chǎn)熱速率與溫度系數(shù)有關(guān)，它可能是吸熱，也可能是放熱。溫度系數(shù)是正是負(fù)判斷可逆熱將是吸熱還是放熱。因此吸熱過(guò)程或者放熱過(guò)程在電池整個(gè)充放電循環(huán)過(guò)程中都可能存在。電池在大電流密度下工作時(shí)，其不可逆熱占據(jù)主導(dǎo)地位。當(dāng)工作電流為中小電流時(shí)，必須考慮可逆熱，因?yàn)樗从沉嗽陔娀瘜W(xué)反應(yīng)過(guò)程中電極材料的熵變信息。
上述各吸熱和放熱部分，可以使用如下公式示意性描述：

電池總的產(chǎn)熱量：Q = Qr + Qp + Qs + Qj + Qab
不可逆熱：Qir = Qp + Qs
 

有的研究將不可逆熱綜合成一項(xiàng)進(jìn)行確定，即將電池的極化熱與焦耳熱之和等效為由于電池的全內(nèi)阻帶來(lái)的熱量。而電池的全內(nèi)阻則可以通過(guò)儀器測(cè)定。某些情況下，為細(xì)化內(nèi)部熱量分布，還可以使用儀器測(cè)量電池的歐姆電阻，歐姆電阻即為焦耳熱Qj的產(chǎn)生來(lái)源。

圖2 中航鋰電70A.h磷酸鐵鋰動(dòng)力電池全內(nèi)阻和歐姆內(nèi)阻隨溫度、SOC的變化曲線測(cè)試值

 
電池的發(fā)熱速率不是一個(gè)固定值。動(dòng)力電池充放電過(guò)程中，電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)復(fù)雜。熱量的產(chǎn)生與電池的類型、充放電速率和工作溫度都直接相關(guān)，產(chǎn)熱機(jī)理影響因素的復(fù)雜性使得很難直接使用數(shù)值方法對(duì)電池的發(fā)熱速率進(jìn)行模擬計(jì)算。下圖是50℃工作環(huán)境溫度下某LiFePO4鋰離子電池在1C充放電時(shí)電壓和熱流隨時(shí)間的變化曲線，可見(jiàn)其綜合熱流密度隨時(shí)間變化的復(fù)雜程度。表格中對(duì)比的該電池在不同放電倍率、不同工作溫度下的發(fā)熱量，亦表現(xiàn)出極大不同。

圖3 50℃工作環(huán)境溫度下CR2025型LiFePO4鋰離子電池在1C充放電時(shí)電壓和熱流隨時(shí)間的變化曲線

表1 不同工作環(huán)境溫度下CR2025型LiFePO4鋰離子電池在不同放電倍率下產(chǎn)熱量對(duì)比（負(fù)號(hào)表示放出熱量）

       上述圖表僅表述的是LiFePO4鋰離子電池的相關(guān)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，當(dāng)電池類型變更，電池的放熱特點(diǎn)又有不同。目前，通常采用的研究方法是實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合：首先使用試驗(yàn)方法測(cè)量典型電池在某些典型溫度、不同充放電速率下的產(chǎn)熱速率，獲得的測(cè)試數(shù)據(jù)通過(guò)擬合物理控制方程得出等效的反應(yīng)熱參數(shù)，將這些反應(yīng)熱參數(shù)加載到數(shù)值模擬的模型中，模擬電池在溫度連續(xù)變化時(shí)的電池發(fā)熱速率。在電池組熱管理方案設(shè)計(jì)過(guò)程中，也可以使用數(shù)值模擬來(lái)預(yù)先查看設(shè)計(jì)效果。務(wù)必需要注意的是，當(dāng)細(xì)致地研究單體電池在充放電過(guò)程中電池隨溫度的實(shí)時(shí)變化時(shí)，簡(jiǎn)單地將電池的發(fā)熱速率設(shè)定為一個(gè)固定值，可能造成模擬結(jié)果或理論計(jì)算結(jié)果有很大誤差。在熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為考慮計(jì)算效率，則可以根據(jù)測(cè)試所得的總產(chǎn)熱量除以時(shí)間得到一個(gè)平均生熱功率。

2.1.2 電池導(dǎo)熱系數(shù)、密度和比熱容

在系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮電池的導(dǎo)熱系數(shù)、密度以及比熱容。其中：

• 密度：可以通過(guò)測(cè)試電池體積和質(zhì)量，根據(jù)密度的定義直接獲得；

• 比熱容：可以通過(guò)測(cè)試將電池溫度升高特定的溫度值，測(cè)量所需的熱量獲??；

• 導(dǎo)熱系數(shù)：導(dǎo)熱系數(shù)是矢量，由于電池由多種材質(zhì)組合而成，在不同方向上，材質(zhì)并不相同。導(dǎo)熱系數(shù)的確定，需要獲得電池內(nèi)部的詳細(xì)成分構(gòu)成及對(duì)應(yīng)的幾何尺寸參數(shù)，通過(guò)當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)的計(jì)算公式分別獲取。

下表為中航鋰電70A.h磷酸鐵鋰動(dòng)力電池的當(dāng)量熱物理參數(shù)和內(nèi)部相應(yīng)的內(nèi)部組成材料屬性。

表2 中航鋰電70A.h磷酸鐵鋰動(dòng)力電池?zé)嵛锢韰?shù)

   當(dāng)發(fā)熱速率、導(dǎo)熱系數(shù)、密度、比熱容被確定下來(lái)，電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)所使用的熱設(shè)計(jì)知識(shí)與傳統(tǒng)的電子產(chǎn)品就非常類似了。電池在系統(tǒng)中無(wú)論是通過(guò)仿真還是理論計(jì)算時(shí)，都可以直接被等效成一個(gè)發(fā)熱塊體，從而計(jì)算其所需要的冷卻設(shè)備。