新能源汽车动力电池热管理技术浅析
· 摘要在市场需求不断增加得情况下，对产品的可靠性也提出了更高要求。电池作为新能源汽车最关键的零部件，它的使用耐久性和续航能力更是用户最关注的问题，而电池的热管理是影响电池使用寿命和低温续航能力的重要 ...
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| · 摘要 在市场需求不断增加得情况下，对产品的可靠性也提出了更高要求。电池作为新能源汽车最关键的零部件，它的使用耐久性和续航能力更是用户最关注的问题，而电池的热管理是影响电池使用寿命和低温续航能力的重要技术之一。本文就新能源汽车电池的热管理系统技术展开分析。 动力电池热管理系统概述 电动汽车对电池热管理系统有较高的要求，促使电池热管理系统技术不断进步。其中比较重要的是优化电池散热结构。电动汽车的动力系统包含了多个电池部分及电机等电子设备，这些电子设备会产生强大功耗和热量。由于电池体积庞大，在工作中会产生大量的热量，因此需要对电池进行降温、散热等一系列工艺处理以保证电池性能充分发挥。对电池进行热管理，不仅能提高动力电池的使用寿命， 还能有效降低电池的能量损耗。 与传统汽车热管理的差异 传统汽车的热管理单一，没有复杂的控制和零部件系统，它的目标只需要保证发动机温度始终工作在一个理想的范围，而为乘员舱提供需要的热量则是利用发动机工作产生的余热，完全不消耗额外功率。 新能源汽车与传统汽车在系统结构上就存在着较大的差异，系统零部件在整车上布置安装的要求也随之提高，对机舱的空间需求更大，不同类型的新能源汽车又有着不同的特点；对于纯电动车而言，没有发动机作为冷却液循环的动力源，也没有发动机的余热可以利用。 而对于混合动力汽车来说，因为其特殊的控制策略，发动机在不工作的时候也无法为冷却液的循环提供动力，也不能实时的为乘员舱提供所需要的热源。因此在结构上，新能源车型的热管理系统都设计有独立的电子水泵为冷却液的循环提供动力，暖风则通常采用电加热方式，设计独立的电加热PTC把冷却液加热后，冷却液再循环到车内暖水箱给乘员舱提供热量，这是目前主流的方式；也有一种是直接加热经过蒸发箱的空气，通过风机把热量吹进车内，这种方式因为涉及到车内安全，目前极少采用。 电动汽车电池系统热管理技术现状 ▌空冷式散热系统 空冷式散热系统也叫风冷式散热系统。空冷式的散热方式最为简单，只需要让空气流经电池表面带走动力电池所产生的热量，达到对动力电池组散热的目的。 根据通风措施的不同，空冷式又有自然对流散热和强制通风散热两种方式。 自然对流散热不依靠外部附加的强制通风措施（如加风机等），只是通过电池包内部流体自身因温度变化而产生的气流进行冷却散热的系统。 强制对流冷却散热系统是在自然对流散热系统的基础上加上了相应的强制通风技术的散热系统。 当前动力电池空冷式散热主要有串联式和并联式两种系统。但该种方式效果较差，且很难达到较高的电池均温性。  图源：网络 串联风冷散热/并联风冷散热 ▌液冷式散热系统 液体冷却使用冷却液对电池进行热交换，能够高效、迅速地散热。这种技术分为直接液冷和间接液冷。在直接液冷中，冷却液直接与电池接触，例如沉浸式液冷。而间接液冷则通过特定部件，如冷却板，来达到冷却效果。 与空气冷却相比，冷却板液冷技术更为高效，且冷却板多为铝或铝合金，成本相对较低。主要研究方向是优化冷却板的结构和流体流动特点，以简化制造过程并增强其效果。 当前动力电池的液冷技术也拥有了相当成熟的技术，在电动汽车的散热系统中也有了相对广泛的应用，比如特斯拉电池包就是采用水和乙二醇的混合物的液冷方式散热，宝马i3采用R134a进行散热。 液冷式系统往往要求更复杂的更加严苛的结构设计以防止液态制冷剂的泄漏以及保证电池包内电池单体之间的均匀性，而液冷系统的复杂结构也使得整套散热系统变得十分笨重，不仅增加整车的重量，使得整车的负担大大增加，而且同时由于其结构的复杂性及高密封性使得液冷系统的维护和保养相对困难，维护成本也相应增加。  图源：热设计 (a), (b)特斯拉4680 CTC电池包及电芯间蛇形冷却板示意图；(c), (d) 某公司麒麟电池包及冷却板安装示意图；(e), (f) 某公司刀片CTB电池包及冷却板组件示意图 ▌相变材料冷却技术 相变材料式散热系统是以相变材料作为传热介质，利用相变材料在发生相变时可以储能与放能的特性达到对动力电池低温加热与高温散热的效果。但相变材料的热导率比较低，为了改变材料的固有缺陷，人们向相变材料中填充一些金属材料，例如有些研究中将很薄的铝板填充到相变材料中从而达到提高热导率的目的。为了提高相变材料的热导率，还有人提出了向相变材料中填充碳纤维、碳纳米管等。  图源：网络 相变材料包裹电池式结构 目前，热管理中常用的PCM材料有：有机材料，如石蜡、烷烃和有机酸；无机材料，如水溶液、盐类水合物和熔融盐；共晶材料。 但PCM本身的热导率并不高，因此通常要加入其他材料如泡沫铜、膨胀石墨和纳米颗粒，以提高其热导性。这也能解决PCM的某些物理问题，例如相变后的流动性问题。 为了更直观地理解这一点，我们可以参考最近的一些研究。例如，有专家制造了一种由月桂酸和石蜡与膨胀石墨结合的复合相变材料，此材料成功地将某电池的最高温度降低到了42.39℃。还有其他研究也表明，结合其他冷却方法，如空气冷却，可以进一步增强PCM的冷却效果。 总结 从国家对电动汽车扶持方向来看，电动汽车电池包热管理系统必然朝着轻量化，高比能和高均温性方面发展。科技部“十三五”规划中也提出开展基于整车一体化的电池系统的机-电-热设计，开发先进可靠的电池管理系统和紧凑、高效的热管理系统，到2020年，应使单体电池之间的最大温差≤2℃，电池系统的比能量≥210Wh/kg。 另一方面，十三五末，我国电动汽车保有量将达500万辆，随之产生大量废旧动力电池，这为动力电池的拆解回收带来大量工作。因此，在设计电动汽车电池包热管理系统时，就应当考虑到电池包易拆解，无附加污染，实现电池包热管理系统的绿色设计。 |
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