新能源汽車動力電池熱管理技術剖析

2018年全球銷售了210多萬輛純電動車和插電式混合動力汽車，其市場份額已上升到當年銷售車輛總額的2.4％，并且這一趨勢還將持續上升，預計到2030年歐洲每銷售三輛汽車其中都將有一輛電動車。電池包作為電動車的主要儲能部件，筆直影響到電動車的性能。本文將解析電動車電池系統熱管理的有關知識。

電動車電池系統熱管理背景

隨著制造業的快速發展，中國汽車工業面臨著產業轉型、降低排放、能源危機和低碳發展的挑戰，發展新能源汽車已經成為降低汽車工業石油依靠和排氣污染的唯一途徑，中國政府為了推進新能源汽車工業，發布了一系列發展規劃、財政補貼和稅務鼓勵計劃，促使新能源汽車行業的發展。

電池包是電動車的主要儲能部件，由鋰離子電池包成，筆直影響到電動車的性能。

由于車輛上裝載電池的空間有限，正常運行所需的電池數目也較大，電池會以不同倍率放電，并以不同生熱速率萌生大量熱量，再加上時間累積以及空間影響將會集中大量熱量，從而導致電池包運行環境溫度情況復雜多變。

電池組內溫度上升嚴重影響電池包的電化學系統的運行、循環壽命、充電可接受性、電池組功率和能量、安全性和可靠性等。如果電動車電池包不能及時散熱，將導致電池包系統

的溫度過高或分布不平均，其結果將降低電池充放電循環效率，影響電池的功率和能量發揮，嚴重時還將導致熱失控，影響系統安全性與可靠性；另外，由于發熱電池體的密集擺放，中間區域必然熱量集中較多，邊緣區域較少則增加了電池組中各單元之間的溫度不均衡，這將造成各電池模塊、單體性能的不均衡，最終影響電池性能的一致性及電池荷電狀態（SOC）估計的準確性，影響到電動車的系統控制。

鋰離子電池萌生熱量

鋰離子電池內部反應過程

鋰電池工作原理本質上是內部正負極與電解液之間的氧化還原反應，在低溫下電極表面活性物質嵌鋰反應速率減慢、活性物質內部鋰離子濃度降低，這將引起電池平衡電勢降低、內阻增大、放電容量減少，極端低溫情況甚至會出現電解液凍結、電池無法放電等現象，極大的影響電池系統低溫性能，造成電動車動力輸出性能衰減和續駛里程減少。

此外，在低溫環境下充電容易在負極表面形成鋰沉積，金屬鋰在負極表面積累會刺穿電池隔膜造成電池正負極短路，威脅電池使用安全，電動車電池系統低溫充電安全問題極大的制約了電動車在寒冷地區的推廣。

因此為了提高整車性能，使電池包發揮最佳的性能和壽命，就需要優化電池組的結構，設計能夠適應高溫柔低溫的電動車電池組熱管理系統BTMS。

電動車電池系統熱管理技術現狀

動力電池散熱研究可分為空氣散熱、液冷散熱、固體相變材料散熱和熱管散熱等方式，現有主要散熱技術往日三種為主。

空冷式散熱系統

空冷式散熱系統也叫風冷式散熱系統。空冷式的散熱方式最為簡單，只需要讓空氣流經電池表面帶走動力電池所萌生的熱量，達到對動力電池包散熱的目的。

依據通風措施的不同，空冷式又有自然對流散熱和強制通風散熱兩種方式。

自然對流散熱不依賴外部附加的強制通風措施（如加風機等），只是通過電池組內部流體自身因溫度變化而萌生的氣流進行冷卻散熱的系統。

強制對流冷卻散熱系統是在自然對流散熱系統的基礎上加上了相應的強制通風技術的散熱系統。

當前動力電池空冷式散熱主要有串聯式和并聯式兩種系統。但該種方式效果較差，且很難達到較高的電池均溫性。

串聯風冷散熱/并聯風冷散熱

液冷式散熱系統

動力電池的液冷式散熱系統是指制冷劑筆直或間接地接觸動力電池，然后通過液態流體的循環流動把電池組內萌生的熱量帶走達到散熱效果的一種散熱系統。

制冷劑可以是水、水和乙二醇的混合物、礦物質油和R134a等，這些制冷劑擁有較高的導熱率，可以達到較好的散熱效果。

當前動力電池的液冷技術也擁有了相當成熟的技術，在電動車的散熱系統中也有了相對廣泛的使用，比如特斯拉電池組就是采用水和乙二醇的混合物的液冷方式散熱，寶馬i3采用R134a進行散熱。

液冷式系統往往要求更復雜的更加嚴苛的結構設計以戒備液態制冷劑的泄漏以及保證電池組內電池單體之間的平均性，而液冷系統的復雜結構也使得整套散熱系統變得十分笨重，不僅增加整車的重量，使得整車的負擔大大增加，而且同時由于其結構的復雜性及高密封性使得液冷系統的維護和保養相對困難，維護成本也相應增加。

液冷系統圖

動力電池組液冷結構散熱方式

特斯拉電池組液冷散熱圖

相變材料式散熱系統

相變材料式散熱系統是以相變材料作為傳熱介質，利用相變材料在發生相變時可以儲能與放能的特性達到對動力電池低溫加熱與高溫散熱的效果。但相變材料的熱導率比較低，為了改變材料的固有缺陷，人們向相變材料中填充一些金屬材料，例如有些研究中將很薄的鋁板填充到相變材料中從而達到提高熱導率的目的。為了提高相變材料的熱導率，還有人提出了向相變材料中填充碳纖維、碳納米管等。

相變材料包裹電池式結構

熱管式散熱系統

熱管作為一種高效的導熱原件，能夠快速高效地把熱能從一個地方輸送到另一個地方，也就是能夠把熱量快速有效地在兩個物體間進行傳輸。

在電動車的熱管理系統中，國內外很多學者也把熱管這一導熱原件使用到動力電池的散熱中。與傳統的強制對流散熱系統相比，在引入熱管的散熱系統中，動力電池不僅能維持在正常工作的溫度范圍內，而且各電池單體之間也能夠保持溫度的平均性，這是強制冷卻散熱系統所不能達到的效果。但其質量和體積過大，存在換熱極限。

熱管冷

電動車電池加熱系統

上面解析了四種給電池散熱的辦法，接下來將解析一下為了使電池適應低溫環境的加熱方式。

加熱系統主要由加熱元件和電路組成，其中加熱元件是最緊要的部分。常見的加熱元件有可變電阻加熱元件和恒定電阻加熱元件，前者通常稱為PTC（positivetemperaturecoefficient），后者則是通常由金屬加熱絲組成的加熱膜，譬如硅膠加熱膜、撓性電加熱膜等。

電動車專用PTC

動力電池硅膠加熱膜

PTC由于使用安全、熱轉換效率高、升溫迅速、無明火、自動恒溫等特點而被廣泛使用。其成本較低，對于目前價格較高的動力電池來說，是一個有利的因素。但是PTC的加熱件體積較大，會占據電池系統內部較大的空間。絕緣撓性電加熱膜是另一種加熱器，它可以依據工件的任意形狀彎曲，確保與工件緊密接觸，保證最大的熱能傳遞。硅膠加熱膜是具有柔軟性的薄形面發熱體，但其需與被加熱物體完全密切接觸，其安全性要比PTC差些。

中國科學院工程熱物理研究所胡學功研究員領導的科研團隊利用微槽群復合相變技術成功研制了超過120Wh/kg高能量密度的電動車電池組熱管理系統(BTMS)樣機，微槽群復合相變技術是利用微細尺度槽群結構復合相變強化傳熱機理實現高強度傳熱，是目前國際上一種先進的被動式微細尺度相變強化傳熱技術。該成果處理了電動車行業存在的高能量密度電池成組單體之間難以保持均溫性的技術難題，其技術指標優于特斯拉（電池單體間的溫差≤±2℃），且成本優點巨大，處于電動車行業內領先水平。

電動車電池組微槽群熱管理系統

電動車電池系統熱管理技術發展方向

從國家對電動車扶持方向來看，電動車電池組熱管理系統必然朝著輕量化，高比能和高均溫性方面發展。科技部“十三五”規劃中也提出開展基于整車一體化的電池系統的機-電-熱設計，開發先進可靠的電池管理系統和緊湊、高效的熱管理系統，到2020年，應使單體電池之間的最大溫差≤2℃，電池系統的比能量≥210Wh/kg。

另一方面，十三五末，我國電動車保有量將達500萬輛，隨之萌生大量廢舊動力電池，這為動力電池的拆解回收帶來大量工作。因此，在設計電動車電池組熱管理系統時，就應該考慮到電池組易拆解，無附加污染，實現電池組熱管理系統的綠色設計。

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