2.3 鋰離子電池組的熱管理

2.3.1 熱管理的必要性

鋰離子電池組在快速充放電的過程中會產生大量的熱，若散熱不及時，會造成電池溫度過高、模塊間溫度分布不均衡的問題。在高寒地區或低溫環境下，容易導致電量流失嚴重、充電緩慢等現象。常見的新能源汽車用電池本質上是將化學能直接轉變為電能的電池，電池內部化學反應是否能順利進行，直接影響著電池的性能。眾所周知，溫度對化學反應的進行有很大的影響，因此，電池性能在很大程度上受到溫度因素的影響?；瘜W反應主要集中在電極和電解液的接觸界面上，如果溫度較低，如鋰離子電池溫度低于0℃，其內部的有機電解液會變得更加黏稠甚至凝結。這會阻礙電解液內導電介質的活動，嚴重時會形成鋰枝晶，影響電池的使用壽命并造成安全問題。同時，低溫會引起電池內部化學反應速率的下降，電池充電緩慢和困難，使得放電電壓平臺效應、放電電流和輸出功率顯著下降，導致電池的性能惡化。

低溫還會降低電池內部化學反應的深度，直接減小電池的容量。但是隨著溫度的逐漸升高，上述不良情況將有所改善，電池內部的化學反應速率隨之加快，電解液傳遞能力增強，化學反應更加徹底，使得輸出功率和電池容量會上升。這會延長電池的使用壽命，并提高電池的最高輸出電流和放電平臺電壓。然而，若溫度過高，如鋰離子電池溫度遠高于45℃，則會造成電池內部電解液的分解變質，破壞化學平衡，導致一系列不良副反應的發生，縮短電池的使用壽命，并造成很大的安全隱患。

近年來，新能源汽車因為電池溫度過高而產生自燃的現象屢見不鮮。因此，使電池始終處于一個適宜的溫度區間，對電池的性能和壽命有著至關重要的影響。電池在作為動力電源使用時，往往需要串并聯成為電池組，電池在充放電過程中常常產生大量的熱量，串并聯成組后又產生了新的問題。例如，在鋰離子電池組中，不同電池單體的固有物性參數存在一定差異，主要體現在內阻、電壓、容量等方面。由于新能源汽車的車載電機在行駛過程中所需電壓需要達到300V以上，而鋰離子電池的單體電壓一般都在3.3～3.6V之間，所以為了滿足新能源汽車的使用要求，所需的電池單體數目巨大，甚至可能會達到上百塊。

鋰離子電池單體在使用時并無過高要求，也不涉及電池間的均一性等問題，進行簡單的狀態監控即可正常使用。而在鋰離子電池組涉及許多個單體電池的協同工作時，使用條件則變得很苛刻。究其原因，主要是同一品牌、同一規格的電池組內，各單體的電壓、內阻、容量和溫度等性能參數有差異。例如有的電池單體內阻較大，有的較小，有的電池在放電過程中電壓下降較快，有的下降則較慢。在充放電的過程中，各單體電池的運行電壓會有較大波動，從而導致整個電池組的工作電壓不斷波動，影響電池組整體電壓的穩定性。在這種狀態下工作的鋰離子電池組內電池的使用壽命會進一步縮短，并且會影響新能源汽車的整體性能。運行工況較復雜時，部分電池可能會因超出合理的溫度范圍而導致電池著火、爆炸等一系列危險事故。

由于車輛空間有限，電池模塊排列緊密，很容易引起電池組內熱量的堆積，造成其溫度超出最佳工作溫度區間，嚴重影響電池的性能，甚至會直接導致電池的報廢。此外，處于不同位置的電池單體對散熱條件的要求不盡相同，若不能采取合理的散熱結構對其進行熱管理，則會導致電池組不同單體之間的溫度有所差異。若差異過大，則高溫處的電池相比于低溫處更易老化，長時間運行時會導致電池組內部各單體性能差異逐步加大，一致性受到較大破壞，最終會因高溫區域電池壽命的縮短而導致電池組整體性能的下降以及使用壽命的縮短。因此，為了保證電池組的使用壽命和安全性要求，必須將電池組內各個電池單體的溫度和各單體間的溫度差異控制在一個合理的溫度范圍之內，而這一目標的實現離不開設計良好、行之有效的熱管理系統。

電池熱管理包括散熱管理和加熱管理兩個方面。在保證電池組處于合理工作溫度范圍之內的同時，也需要均衡電池箱內各點的溫度，保持各單體電池的溫度一致，防止因溫度差異過大而造成電池組整體性能的下降。散熱管理最直接的目的是防止電池組的溫度過高，即抑制電池組的最大溫升；而加熱管理主要是為防止電池組在充電過程中因為溫度過低而產生的充電緩慢、容量大幅衰減等負面影響。而低溫對電池放電階段則影響不大。通過對大量電池工況數據進行分析，發現電池組在放電過程中常常會因散熱不及時而造成高溫的情況。鋰離子電池的溫度區間如圖2-4所示。

國內外許多學者根據研究電池種類和形狀的不同，提出了各種各樣的設計方案，究其原理，主要為風冷、液冷、相變冷卻和熱管冷卻四種方式。其中，風冷經濟成本最低；液冷除了需要盛放冷卻介質的空間，還需額外的循環系統，相變冷卻和熱管冷卻的方法則較為昂貴。

2.3.2 風冷

強迫空氣對流冷卻法是一種“物美價廉”的冷卻方法，如果電池模塊周圍空間允許，都會安裝局部散熱器或風扇，還會利用輔助的或汽車自帶的蒸發器來提供冷風。該方法對電池的封裝設計要求有所降低，可用于較為復雜的系統，電池在車上的位置也不再受限制，從而不影響新能源汽車的通過性。Nissan的鋁合金薄膜電池就是采用該方法，進行圓筒形設計并使用風扇冷卻。鋰離子電池的風冷方法如圖2-5所示。

2.3.3 液冷

在相同的流率下，常用的是與模塊直接接觸的液體（如礦物油），其傳熱系數比空氣高得多，且液體邊界層更薄，有更高的熱導率。但由于油的黏度較高，需要較高的泵功率，所以通常使用時流率都不高，因此綜合分析結果，油的熱導率通常只比空氣高1.5～3倍；而非直接接觸式液體，如水或乙二醇水溶液，黏度比大多數油低，熱導率比油高，因此有較高的傳熱系數。電解流體不僅能顯著降低電池過高的溫度，還可以使電池模塊溫度分布比較均勻，使得發出的熱以潛熱的形式儲存起來，在充電或很冷的環境下工作時釋放出來，是最有效的散熱方式之一。

液體冷卻系統主要有被動式液體冷卻系統和主動式液體冷卻系統。但是液冷方式也有其缺點和不足。主要缺點：采用液冷之后電池組系統的總體質量較大，電池組的結構相對更加復雜，使用中存在漏液的可能，整體裝置的維修和保養程序復雜。而新能源汽車的鋰離子電池組模塊具有成本高、個數多、質量體積都較大等特點。這就要求附加的冷卻系統，在不損耗電池本身能量的基礎上，盡可能地降低冷卻裝置的質量，減少冷卻裝置的額外能耗，實現汽車結構簡潔化的要求。同時也必須考慮對鋰離子電池及相關通電線路的保護，才能避免在行駛過程中出現漏電、漏液等危險情況，降低電子電路故障的概率，同時提高電池的效率、延長使用壽命。鋰離子電池的被動式和主動式液冷分別如圖2-6和圖2-7所示。

2.3.4 相變冷卻

相變材料（Phase Change Material，PCM）是一類特殊的功能材料，能在恒溫或近似恒溫的情況下發生相變，同時吸收或釋放大量的熱。石蠟的毒性低、價格便宜、單位質量的相變潛熱較高、相變溫度位于電池安全運行溫度范圍內，適合用作鋰離子電池組熱管理的PCM。

目前，主要可采用石蠟與多孔物質相結合、添加高導熱系數添加劑的方式，提高石蠟的導熱性能。泡沫銅吸附石蠟可用于新能源汽車電池組的熱管理，在運行工況發生變化時，電池組的最高溫度和最大溫差可得到很好的控制。石蠟與石墨片制成的復合材料，具有較高的導熱性能和機械強度，應用于電池組熱管理，不僅可降低電池組的最高溫度和模塊間的溫差，降低電池組容量衰減率，在寒冷條件下還可對電池組進行持久保溫。

向石蠟中添加碳纖維也可提高其導熱性能，當碳纖維的長度為2mm、質量分數為0.46%時，電池組的最高溫升下降45%?；赑CM的電池熱管理系統，結構簡單、節省空間、相變潛熱大、溫度均勻波動較小。但是，PCM冷卻技術屬于被動冷卻，如果不能及時將熱量移除，電池組在經歷長時間連續充電過程中易引發安全問題。

2.3.5 熱管冷卻

熱管是一種高效的換熱元件，具有較高的傳熱能力，熱管進行熱傳輸的核心是利用其管內制冷介質的吸熱汽化及放熱凝結。與單純的導熱相比，熱管傳輸的熱量要大得多，并且熱管的結構設計靈活多變，適用于很多行業。自1964年美國的GMGrover發明熱管后，熱管已在眾多換熱領域發揮了重要的作用。比如在航空工業，使用熱管束來降低飛行器與空氣高速摩擦產生的局部高溫；在電子工業，使用熱管為CPU散熱；在能源動力行業，大多數情況下利用熱管進行余熱回收。熱管是一種利用相變進行高效傳熱的熱傳導器，封閉空心管內的制冷介質在蒸發段吸收電池熱量，然后在冷凝端將熱量傳遞到環境空氣中，使電池溫度迅速降低。

熱管的種類主要分為重力熱管、脈動熱管及燒結熱管等。受限于形狀，熱管不適合直接與電池接觸換熱，常焊接在電池間的金屬板上。受制冷介質特性的影響，不同的脈動熱管適用于不同場合，其中，以水和正戊烷的混合物為制冷介質、填充量為60%的脈動熱管，適用于低負荷的熱管理；當空氣側溫度高于40℃時，以水或甲醇為制冷介質的冷卻效果較好。熱管形式多樣，有助于開發冷卻/加熱電池熱管理系統，保證電池組在高溫和0℃以下的環境中，工作在最佳溫度范圍，確保正常運行。熱管安裝位置靈活多變，可在熱管下方設置空氣通道，利用煙囪抽吸效應輔助散熱；或在蒸發段處增加翅片，擴大散熱面積，熱負荷高的時候結合強制風冷。