環(huán)境污染問題的日漸突出，使得清潔能源成為大勢所趨。汽車、輪船、飛機等運輸工具的能源消耗占據(jù)大量比例。這類移動產(chǎn)品的正常使用，均離不開儲能電池。當前，新能源汽車的需求迅速增長。而作為能量存儲單元，電池的性能和使用壽命直接決定了電動車的性能和成本，如何提高電池的性能和壽命成為電動汽車的研究重點。目前，電動車輛上使用的動力電池多為鋰離子電池，且是由多個單體電池通過串并聯(lián)方式組成電池組，通常，又稱為電池包。鋰離子電池在進行充放電時，內(nèi)部將產(chǎn)生大量的熱量。如果散熱不及時，會導致電池局部溫度快速上升，電池使用壽命大大縮短，嚴重時甚至會造成電池熱失控，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，又會加速電池內(nèi)部有害化學反應速率，進而破壞電池。一般來說，溫度上升10℃，化學反應速率增加一倍。下圖是實驗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，其循環(huán)壽命縮短60%;高倍率充電時，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℃；對于鉛酸電池，是25~45℃。Ramadass等人對索尼18650(容量1.8 Ah) Li-ion電池的循環(huán)性能進行了研究，電池在25℃和45℃時工作800個循環(huán)之后，電池容量分別下降31%和36%；當工作溫度為50℃時，600個循環(huán)后電池容量下降60%；工作溫度為55℃時，500個循環(huán)之后，容量下降70%。當動力電池溫度過低時，電池的容量和壽命同樣會極大衰減?？赡艿脑虬娊庖菏軆瞿痰取τ诓糠值貐^(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)下容量衰減程度實驗結(jié)果

1 電池熱管理系統(tǒng)的目標

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

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；

5. 滿足電動汽車輕型、緊湊的要求，成本低廉、安裝與維護簡便；

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

7. 溫度等相關參數(shù)實現(xiàn)精確靈敏的監(jiān)控管理，制定合理的異常情況應對策略。

2 電池組的熱管理設計方法

與典型的電子設備相同，電池的熱管理需要先明確設計輸入條件，包括電池自身的發(fā)熱速率，等效的導熱系數(shù)、密度和熱容。其次，確定電池組熱管理的目標，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，關注熱管理系統(tǒng)的成本和可靠性、可維護性。合理的電池熱管理系統(tǒng)，要綜合考量環(huán)境溫度要求、成本和電池溫度控制目標三個約束條件。電池熱管理系統(tǒng)的設計，實際所用到的熱設計知識，與常規(guī)電子產(chǎn)品如服務器、電源等產(chǎn)品類似，均需要從熱傳導、對流換熱、輻射換熱三個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)，是電池熱管理設計與普通電力電子、通訊設備熱管理設計的一個重要區(qū)別。
 

2.1 電池熱管理設計的熱學信息確定

2.1.1 電池發(fā)熱速率

       鋰離子電池在充放電循環(huán)過程中伴隨有各種熱量的吸收或產(chǎn)生，并導致其內(nèi)部溫度發(fā)生變化。充電時一部分電能轉(zhuǎn)化為化學能儲存在電池中，一部分被可逆吸熱存儲在電池中，還有一部分因轉(zhuǎn)化為不可逆熱而損耗。放電過程則放出電能，可逆熱和不可逆熱。這些熱量包括由化學反應熵變產(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)生副反應所產(chǎn)生的熱量Qs等。電化學反應的熱效應是可逆的，而電流通過極化內(nèi)阻和歐姆內(nèi)阻時的熱效應是不可逆的。對于可逆電化學反應來說，化學反應吉布斯自由能的變化等于等溫等壓下的最大電功（對于熱學或化學專業(yè)的讀者，吉布斯自由能應該并不陌生）。不可逆產(chǎn)熱速率與工作電流成正比例關系，不可逆熱為放熱?？赡娈a(chǎn)熱速率與溫度系數(shù)有關，它可能是吸熱，也可能是放熱。溫度系數(shù)是正是負判斷可逆熱將是吸熱還是放熱。因此吸熱過程或者放熱過程在電池整個充放電循環(huán)過程中都可能存在。電池在大電流密度下工作時，其不可逆熱占據(jù)主導地位。當工作電流為中小電流時，必須考慮可逆熱，因為它反映了在電化學反應過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進行確定，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)阻帶來的熱量。而電池的全內(nèi)阻則可以通過儀器測定。某些情況下，為細化內(nèi)部熱量分布，還可以使用儀器測量電池的歐姆電阻，歐姆電阻即為焦耳熱Qj的產(chǎn)生來源。

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

 
電池的發(fā)熱速率不是一個固定值。動力電池充放電過程中，電池內(nèi)部化學反應復雜。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，產(chǎn)熱機理影響因素的復雜性使得很難直接使用數(shù)值方法對電池的發(fā)熱速率進行模擬計算。下圖是50℃工作環(huán)境溫度下某LiFePO4鋰離子電池在1C充放電時電壓和熱流隨時間的變化曲線，可見其綜合熱流密度隨時間變化的復雜程度。表格中對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充放電時電壓和熱流隨時間的變化曲線

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)熱量對比（負號表示放出熱量）

       上述圖表僅表述的是LiFePO4鋰離子電池的相關實測數(shù)據(jù)，當電池類型變更，電池的放熱特點又有不同。目前，通常采用的研究方法是實驗與數(shù)值模擬相結(jié)合：首先使用試驗方法測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，獲得的測試數(shù)據(jù)通過擬合物理控制方程得出等效的反應熱參數(shù)，將這些反應熱參數(shù)加載到數(shù)值模擬的模型中，模擬電池在溫度連續(xù)變化時的電池發(fā)熱速率。在電池組熱管理方案設計過程中，也可以使用數(shù)值模擬來預先查看設計效果。務必需要注意的是，當細致地研究單體電池在充放電過程中電池隨溫度的實時變化時，簡單地將電池的發(fā)熱速率設定為一個固定值，可能造成模擬結(jié)果或理論計算結(jié)果有很大誤差。在熱管理系統(tǒng)設計中，為考慮計算效率，則可以根據(jù)測試所得的總產(chǎn)熱量除以時間得到一個平均生熱功率。

2.1.2 電池導熱系數(shù)、密度和比熱容

在系統(tǒng)方案設計時，必須考慮電池的導熱系數(shù)、密度以及比熱容。其中：

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

• 比熱容：可以通過測試將電池溫度升高特定的溫度值，測量所需的熱量獲??；

• 導熱系數(shù)：導熱系數(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。導熱系數(shù)的確定，需要獲得電池內(nèi)部的詳細成分構(gòu)成及對應的幾何尺寸參數(shù)，通過當量導熱系數(shù)的計算公式分別獲取。

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

表2 中航鋰電70A.h磷酸鐵鋰動力電池熱物理參數(shù)

   當發(fā)熱速率、導熱系數(shù)、密度、比熱容被確定下來，電池熱管理系統(tǒng)所使用的熱設計知識與傳統(tǒng)的電子產(chǎn)品就非常類似了。電池在系統(tǒng)中無論是通過仿真還是理論計算時，都可以直接被等效成一個發(fā)熱塊體，從而計算其所需要的冷卻設備。