第四篇：動力電池熱管理設計研究探討

純電動汽車的主要能量來源為動力電池系統(tǒng)，其性能直接影響整車的經(jīng)濟性、動力性和可靠性。電動汽車與傳統(tǒng)燃油汽車最大的區(qū)別是用動力電池作為動力驅動，而作為銜接電池組、整車系統(tǒng)和電機的重要紐帶，電池管理系統(tǒng)(BMS)的重要性不言而喻。完善的 BMS能夠有效提高電池的利用率，防止電池出現(xiàn)過充電和過放電，并且延長電池的使用壽命，監(jiān)控電池組及各電池單芯的運行狀態(tài)，有效預防電池組自燃，實現(xiàn)突發(fā)事件預警，為保障安全贏得時間。

筆者在梳理電池管理系統(tǒng)開發(fā)過程中的關鍵技術，為動力電池管理系統(tǒng)設計，測試生產(chǎn)提供理論基礎。計劃分為5個篇章來整理電池管理系統(tǒng)的開發(fā)中關鍵技術，今天首先聊一下第四篇章動力電池熱管理設計研究探討。

圖1電池管理系統(tǒng)開發(fā)過程中的關鍵技術

根據(jù)前幾章節(jié)可以發(fā)現(xiàn)電池的溫度對于電池的狀態(tài)參數(shù)估計，電池均衡策略均有重要影響。電池管理系統(tǒng)中合理設計電池溫控系統(tǒng)，對于電池的工作具有重要作用。因此我們需要從電池生熱機理，傳熱機制進行分析，然后利用單體模型構建電池包進行仿真設計，選取合適的相變材料作為電池工作中的儲熱材料，準確設計電池包散熱結構。

●動力電池的產(chǎn)熱機理

鋰離子電池產(chǎn)生的熱量一般分為四部分：反應熱、焦耳熱、極化熱、副反應熱。相關研究表面當對電池溫度低于70℃時，電池熱量主要由焦耳熱和極化熱組成，當電池溫度升高超過70℃時，反應熱大幅度增加，占電池熱量主要部分。

圖2電池熱量的主要構成

●動力電池的傳熱機理

根據(jù)熱力學第二定律可知，存在溫差的地方都有熱量傳遞，且都是從高溫物體傳遞到低溫物體，而熱量傳遞的三種基本方式為熱傳導、熱對流、熱輻射。對鋰離子電池來說，這三種熱傳遞方式均有可能存在。

圖3電池傳熱方式

鋰電池正負極材料和隔膜的多孔結構，電解液趨于靜止狀態(tài)，熱對流近乎忽略不計。電池外殼存在包裹材料而且不透明，內(nèi)部與外界熱輻射非常小，電池傳導方式主要是以熱傳導為主。由于電池內(nèi)部的熱傳導特性跟自身因素有關，因此我們無法改變電池內(nèi)部的熱傳導；但是我們可以通過改變電池表面與外界進行熱對流的換熱介質(zhì)和換熱條件，所以我們需要從電池與外界換熱方面考慮，設計更加高效的電池熱管理系統(tǒng)。

●單體電池熱模型建立及驗證

建立單體鋰離子電池熱模型，對于仿真電池充放電過程中實時發(fā)熱情況具有重要作用。行業(yè)內(nèi)一般根據(jù)電池等效比熱容，導熱系數(shù)，密度和生熱速率進行計算電池熱物性參數(shù)。通過仿真軟件（Anasys Fluent軟件）建立鋰離子電池熱模型，模擬生熱溫度場。實驗表面，電池溫升曲線與電池放電倍率成正比，電池熱模型能夠準確仿真電池表面溫度場變化。

圖4電池充放電表面溫升試驗

●電池包散熱方式

根據(jù)傳熱介質(zhì)不同，電池散熱方式主要分為空冷，液冷及相變材料冷卻等三種方式?？諝饫鋮s，結構簡單，沒有漏液的風險，成本較低。但是缺點在于與電池壁面換熱系數(shù)較低，加熱速度慢。液冷優(yōu)點換熱系數(shù)高，冷卻速度快，體積小，但是重量大，有漏液風險，結構相對復雜。采用相變材料作為散熱介質(zhì)的電池熱管理系統(tǒng)由于相變材料在相變時溫度保持恒定的溫度特性，可以將電池組的最大溫差控制在較小的范圍內(nèi)。并且相變潛熱相對很高，少量的材料就可以存儲大量的熱，可明顯降低重量，有利于車輛的輕量化。還有一個顯著的優(yōu)點就是不消耗電池能量。相變材料已然成為動力電池散熱的一種理想介質(zhì)。

目前針對新型輕質(zhì)形狀穩(wěn)定復合相變材料，主要成分有石蠟，膨脹石墨，高密度乙烯，碳纖維等，目前針對相變材料的發(fā)展方向存在兩個趨勢：

◎采用調(diào)整成分比例進行提升導熱材料效率。

◎優(yōu)化相變材料的布置及強度，例如通過3D打印蜂窩結構增加強度，并保證在結構優(yōu)化后不改變相變材料的導熱率。

總結：

1.基于相變材料的電池熱管理系統(tǒng)有很多優(yōu)點，但是相變材料的潛熱存儲有限，在極端情況下，電池產(chǎn)熱無法繼續(xù)吸收，造成熱失控。因此各大電池廠商常用和液冷散熱相結合方式進行。

2. 進一步提高 BMS安全性能和故障診斷技術，安全性能包括熱管理的安全和電池高壓安全，如何更穩(wěn)定的控制電池內(nèi)部熱均衡，防止對車輛和駕駛人員造成傷害，尤其在車輛受到外力沖擊作用下，對電池管理安全性能，還需要大量的試驗研究，當以上問題措施失效時，電池管理系統(tǒng)能夠及時有效做出判斷和預警保證人員和車輛的安全性，都將是重點研究方向。

審核編輯 ：李倩