董 緹 ，彭 鵬 ，曹文炅 ，王亦偉 ，岑繼文 ，郭 劍 ，趙春榮 ，蔣方明 ?

（1.中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640；2.中國(guó)科學(xué)院可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640；3.廣東省新能源和可再生能源研究開(kāi)發(fā)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640；4.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

0 引 言

2016年全球石油消耗近5億桶，其中約67%用于交通運(yùn)輸[1]，化石燃料過(guò)度使用引起的能源危機(jī)、環(huán)境污染和氣候變化等問(wèn)題已備受各界關(guān)注。具有突出環(huán)保效益的電動(dòng)汽車(chē)是傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車(chē)的強(qiáng)有力替代品，美國(guó)率先通過(guò)提供25億美元的資金和相關(guān)贈(zèng)款來(lái)促進(jìn)電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[2]；中國(guó)的電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)正蓬勃發(fā)展，2015年的年銷(xiāo)售量和累計(jì)銷(xiāo)售量均已超過(guò)美國(guó)，預(yù)計(jì)到2020年，中國(guó)的電動(dòng)汽車(chē)銷(xiāo)售量累積將達(dá)到500萬(wàn)輛[3]。

鋰離子電池因其高能量/功率密度、低自放電率、長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)被認(rèn)為是電動(dòng)汽車(chē)儲(chǔ)能系統(tǒng)和儲(chǔ)能電站的首選。然而，熱影響導(dǎo)致的鋰離子電池性能退化和安全問(wèn)題阻礙其進(jìn)一步推廣應(yīng)用。鋰離子電池的最佳工作溫度為20～35℃，電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)（battery thermal management system,BTMS）要保證電堆在冷環(huán)境下迅速加熱而過(guò)熱時(shí)高效冷卻；同時(shí)，電堆中電池間的溫度應(yīng)保持良好的一致性[4]。過(guò)高和過(guò)低的電池溫度都會(huì)降低電池壽命，影響電池的安全性，甚至造成永久性的損壞；在30～40℃范圍內(nèi)，電池溫度每升高1℃，預(yù)期壽命將減少兩個(gè)月，電池的出力、安全性等均會(huì)受到影響[5]。發(fā)展先進(jìn)的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)能有效解決或抑制因溫度引發(fā)的如電池容量損失[6]、熱失控[7]、火災(zāi)爆炸[8]等問(wèn)題。

國(guó)內(nèi)外電動(dòng)汽車(chē)和儲(chǔ)能電站起火、爆炸事故頻發(fā)[9]，表明電池?zé)峒鞍踩芾砑夹g(shù)仍然不完善。本文從鋰離子電池產(chǎn)熱基本理論出發(fā)，總結(jié)了電池?zé)峁芾硐嚓P(guān)計(jì)算模型和熱管理策略，分析了電池安全性研究的主要工作，為下一步的研究及技術(shù)開(kāi)發(fā)提供思路。

1 鋰離子電池?zé)嵝袨?/h2>

BTMS的要求是根據(jù)電池發(fā)熱機(jī)理，合理設(shè)計(jì)電池組/包結(jié)構(gòu)，選擇合適的熱管理技術(shù)方案，合理設(shè)計(jì)熱管理策略，保證電池模組內(nèi)各單體電池工作在適宜溫度范圍內(nèi)的同時(shí)維持電池模組內(nèi)的溫度一致性。因此，探究鋰離子電池的發(fā)熱機(jī)理、開(kāi)發(fā)和合理運(yùn)用熱模型是研發(fā)先進(jìn)BTMS的前提。

1.1 鋰離子電池模型

1985年，加州大學(xué)伯克利分校的BERNARDI等[10]通過(guò)求解電池系統(tǒng)的能量守恒方程，指出電池放電時(shí)總化學(xué)能量除了轉(zhuǎn)化為電能輸出以外，其余部分以熱能形式散失，并指出電池生熱主要分為電化學(xué)反應(yīng)熱、內(nèi)部阻抗熱、由離子濃度梯度引起的混合熱和由相變反應(yīng)引起的相變熱。1997年，RAO和NEWMAN[11]在BERNARDI等[10]的工作基礎(chǔ)上，對(duì)鋰離子電池的能量平衡方程和生熱速率進(jìn)行了分析，指出電池生熱主要由可逆熵?zé)岷筒豢赡鏌峤M成，即混合熱和相變熱可忽略，并探究了過(guò)電勢(shì)特性曲線對(duì)生熱的影響和電池各組分生熱等。由此，鋰離子電池的生熱理論基本形成。此后二十年，學(xué)者們做了更多的測(cè)試和研究，代表性的工作有：2001年，SATO等[12]對(duì)鈷酸鋰電池的生熱特性進(jìn)行了熱力學(xué)分析，將電池生熱劃分為反應(yīng)熱、極化熱和焦耳熱，定量分析了各部分的數(shù)值大??；2009年，WILLIFORD等[13]指出正負(fù)極材料的熵變特性對(duì)電池生熱的影響。以上研究均是針對(duì)電池發(fā)熱機(jī)理的探索，欲對(duì)電池生熱過(guò)程進(jìn)行細(xì)致分析，則需借助數(shù)值模型。根據(jù)電池生成熱的計(jì)算方法，電池模型劃分為單純的熱模型、電熱耦合模型（electrical-thermal,ET）、電化學(xué)-熱耦合模型（electrochemical-thermal,ECT）。

熱模型一般假設(shè)電池材料均一[14]，可用于解釋電池?zé)崃可?、積累、傳導(dǎo)和對(duì)流；因電解質(zhì)流動(dòng)性有限，計(jì)算時(shí)通常忽略電池內(nèi)部的對(duì)流傳熱。1986年，CHO等[15]對(duì)電池集總處理，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定電池外壁溫度估算了生熱速率；1991年，CHO和CHEE[16]考慮到電池內(nèi)部的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，優(yōu)化模型后預(yù)測(cè)了電池內(nèi)部溫度分布。后來(lái)，更多的研究者探討了電池在各類(lèi)工況下的熱行為。

ET模型在熱模型的基礎(chǔ)上耦合考慮電傳輸及分配過(guò)程，將電池等效為由若干電阻、電容、電感和電源等組成的等效電路[17]。電流和輸出電壓可用于計(jì)算電池的生熱，依據(jù)電池的生熱和換熱條件，可通過(guò)熱模型預(yù)測(cè)電池的溫度，能更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)電池的熱行為。

圖1 鋰離子電池單層電芯物理模型Fig.1 Physical model of the Li-ion single cell

ECT模型考慮了電芯內(nèi)部的電極反應(yīng)、離子傳輸、固相擴(kuò)散、電荷傳遞以及熱能守恒，能夠反映電池內(nèi)部詳細(xì)的電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，對(duì)于分析/理解電池內(nèi)多場(chǎng)耦合傳輸過(guò)程意義重大。圖1所示為鋰離子電池宏觀多場(chǎng)模型與固體活性物顆粒內(nèi)鋰擴(kuò)散的微觀子模型的示意圖。1993年，DOYLE等[18]在電化學(xué)模型中考慮多孔電極、活性顆粒、濃溶液理論等，提出了偽二維（pseudo two dimensions,P2D）模型；2000年，GU等[19]系統(tǒng)闡述了電化學(xué)-熱耦合模型的建模，推動(dòng)了學(xué)界對(duì)鋰離子電池內(nèi)部機(jī)理的深入理解。近年來(lái)，為解決電池尺寸放大帶來(lái)的溫度和集流體上電勢(shì)分布不均的問(wèn)題，KIM 等[20-21]在ECT模型基礎(chǔ)上，又發(fā)展了結(jié)合活性顆粒模型、電極模型和電池模型的多尺度多維（multi scales multi dimensions,MSMD）模型，以及電芯層面Single potential-pair continuum（SPPC）模型和Wound potential-pair continuum（WPPC）模型。

1.2 模型的應(yīng)用

電池?zé)崮Ｐ椭豢紤]能量方程（即熱累積、生熱和散熱），計(jì)算量較小，可用于模擬和預(yù)測(cè)電池模組或電堆的熱行為，如恒流放電和動(dòng)態(tài)功率工況下的熱行為[22]及不同形狀電池各種工況和散熱速率下電池?zé)嵝袨閇23]等；也可用于電池單體、模塊和熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化。

ET模型相比熱模型額外考慮了電的分配和電熱耦合，因此，其預(yù)測(cè)性更為精確，但增加了計(jì)算負(fù)荷。ET模型可用于研究阻抗對(duì)電池性能的影響，如電解液阻值對(duì)電池能量密度的影響[24]、極化內(nèi)阻和輸運(yùn)電流密度之間的關(guān)系等[25]。近年來(lái)，有學(xué)者將等效電路模型和集總參數(shù)熱模型、電勢(shì)分布模型結(jié)合，估算了電池荷電狀態(tài)、端電壓和溫度等參數(shù)[26-27]。

與熱模型和ET模型相比，ECT模型因考慮了電池的電化學(xué)過(guò)程和實(shí)際的電荷輸運(yùn)過(guò)程，計(jì)算量更大，多用于研究或揭示相關(guān)機(jī)理和做更精細(xì)的量化分析，例如電池充放電過(guò)程電化學(xué)和熱性能分析[28]，研究電池容量衰減和鋰沉積機(jī)理[5,29]，研究運(yùn)行參數(shù)或物性參數(shù)對(duì)電池性能的影響[28-29]，研究電池結(jié)構(gòu)對(duì)電池性能的影響[30-32]。

2 鋰離子電池?zé)峁芾聿呗?/h2>

根據(jù)散熱工質(zhì)的不同，鋰離子電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)可分為空冷[33]、液冷[34]、相變材料散熱[35]以及熱管散熱[36]等。

2.1 空冷

空冷利用自然風(fēng)或風(fēng)機(jī)，配合汽車(chē)自帶的散熱器為電池降溫，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于維護(hù)。2000年和 2001年，Honda Insight,Toyota Primus和 Toyota Highlander均推出了將強(qiáng)制空冷技術(shù)用于鎳氫電池包冷卻的混合動(dòng)力汽車(chē)[17]，每種電池包均用其特有的模組排布來(lái)降低溫度的不均勻；在Toyota Primus的測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，不同的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和環(huán)境溫度下，模組內(nèi)的溫度差異在4～8.3℃之間。由此可見(jiàn)，對(duì)于比鎳氫電池能量密度更大、安全要求更嚴(yán)苛的鋰離子電池堆，空冷難以保證良好的溫度一致性。

目前，空冷系統(tǒng)的研究工作主要集中在兩個(gè)方面：（1）冷卻結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化。例如：對(duì)空冷結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化[33,37]，包括空冷通道寬度、進(jìn)氣速度、單側(cè)進(jìn)氣和非均勻空冷通道等；對(duì)大容量方形電池組空冷系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)[38]，包括改變電堆結(jié)構(gòu)、電堆底部布置通道來(lái)增加導(dǎo)熱接觸面積、電堆頂部自然對(duì)流、底部氣體通道用雙“U”型代替雙“I”型等。（2）關(guān)于空冷系統(tǒng)的整體評(píng)價(jià)參數(shù)或指標(biāo)的研究。例如，用電堆緊湊程度（冷卻通道體積除以電池組體積）和冷卻效率指數(shù)（冷卻空氣帶走的熱量除以所消耗泵功）來(lái)判定系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣[39]。

2.2 液冷

對(duì)于大規(guī)模電池組的高倍率充放電過(guò)程，以空氣為介質(zhì)的自然或強(qiáng)制對(duì)流的冷卻能力已經(jīng)不能滿足電池組的熱管理需求[39]。與空氣相比，液體有更大的熱導(dǎo)率、更薄的邊界層和更大的熱容。因此，冷卻速度較快的液冷，對(duì)降低電堆局部最高溫度、提升電池組內(nèi)溫度均一性效果顯著，但液冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、能耗較大、對(duì)密封要求高。

BTMS采用的液冷方式主要有三種[40]：（1）用載有冷流體的分散扁管或套管環(huán)繞、接觸模組中的每節(jié)電池，為電池組降溫；（2）將電池模組直接浸沒(méi)在不導(dǎo)電的流體中（如硅基類(lèi)或礦物油）冷卻；（3）將電池模組置于冷板之間進(jìn)行冷卻。目前這三種方式已有實(shí)際應(yīng)用，2003年，TESLA提出采用載有冷卻液（水和乙二醇以1∶1混合）的波浪形扁管對(duì)電池組內(nèi)每節(jié)圓柱形電池進(jìn)行冷卻[41]，用于Model S跑車(chē)的熱管理系統(tǒng)；浸沒(méi)式冷卻則是對(duì)電池所有面進(jìn)行冷卻，有助于提高溫度一致性，已在超級(jí)計(jì)算系統(tǒng)的服務(wù)器上有應(yīng)用[42]，但因短路、電化學(xué)腐蝕等安全問(wèn)題，目前還未用于電動(dòng)汽車(chē)的BTMS；2011年，JARRET等[43]提出采用附帶微通道的冷板來(lái)冷卻電池組，這種方法已成功用在Chevrolet Volt汽車(chē)的熱管理系統(tǒng)中[44]。因冷板平整的外形特點(diǎn)，冷板冷卻方法尤其適合方形或軟包電池。

有別于微通道扁管液冷策略，汽車(chē)熱管理系統(tǒng)（vehicle thermal management system,VTMS）還可考慮利用車(chē)載空調(diào)系統(tǒng)直接為電池組冷卻。奔馳S400混合動(dòng)力汽車(chē)已經(jīng)采用制冷系統(tǒng)來(lái)冷卻蓄電池組[45]。但對(duì)于純電動(dòng)車(chē)而言，車(chē)體自身的冷需求和電池組冷需求的調(diào)控平衡、復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)運(yùn)行及冬季電池組預(yù)熱等問(wèn)題仍然是冷媒直接冷卻技術(shù)的難點(diǎn)。

2.3 相變材料散熱

相變材料（phase change material,PCM）散熱是一種被動(dòng)的熱管理方式，原理是選取合適熔點(diǎn)的相變材料，利用其相變潛熱吸收或補(bǔ)充電池的熱量或冷量。2000年，AL-HALLAJ和SELMAN[46]首次將相變材料應(yīng)用于電池的熱管理系統(tǒng)中，PCM延緩了電池在冷環(huán)境中溫度上升，也能在高溫環(huán)境中保持電池溫度低于周?chē)h(huán)境溫度，節(jié)省了電池在大多數(shù)工作時(shí)間內(nèi)主動(dòng)式加熱或冷卻的耗能。然而，PCM用于電堆散熱時(shí)，熱導(dǎo)率較小且很難將其大量放置在有限空間內(nèi)，換熱量有限，易造成電池組內(nèi)較大的溫度差異[17]。因此，PCM須和其他冷卻方式結(jié)合才能用于電池?zé)峁芾怼?/p>

目前，為解決PCM較大蓄熱能力和低熱導(dǎo)率之間的矛盾，研究人員提出了一些解決辦法，包括嵌入金屬基材料[47-48]、浸漬多孔介質(zhì)[49-50]和與翅片結(jié)構(gòu)結(jié)合搭建潛熱儲(chǔ)能系統(tǒng)[51-52]。

2.4 熱管散熱

熱管因其結(jié)構(gòu)緊湊、高熱導(dǎo)率和雙向傳熱的優(yōu)良特性，適合應(yīng)用在產(chǎn)熱量大、換熱面積有限的場(chǎng)合。2001年，SWANEPOEL[53]首次提出將脈動(dòng)熱管和空冷系統(tǒng)結(jié)合用于鉛酸電池的熱管理系統(tǒng)中，模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，一個(gè)設(shè)計(jì)良好的脈動(dòng)熱管系統(tǒng)采用液氨作為工質(zhì)并保證熱管直徑小于2.5 mm；2014年，TRAN等[54]探索了平板熱管應(yīng)用于混合動(dòng)力汽車(chē)鋰離子電池模組的情況，發(fā)現(xiàn)冷凝段的冷卻方式對(duì)換熱過(guò)程影響很大，冷凝段以自然對(duì)流換熱時(shí)不能使電池溫度維持在適宜的范圍內(nèi)；因此，熱管作為一種高效的換熱元件用于BTMS中時(shí)，研發(fā)冷凝段的適配冷卻系統(tǒng)十分必要。

將相變材料及熱管應(yīng)用在鋰離子電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中時(shí)，由于其成本較高且增加了額外體積（質(zhì)量）而降低了電池組的能量密度，因此，現(xiàn)有電動(dòng)汽車(chē)熱管理系統(tǒng)較少采用相變材料及熱管進(jìn)行散熱。

3 鋰離子電池安全性研究

鋰離子電池出現(xiàn)安全問(wèn)題的根源在于電池內(nèi)存儲(chǔ)電能的非正常釋放和（或）一系列潛在放熱反應(yīng)因電池升溫而觸發(fā)。誘發(fā)電池安全性事故的因素因電池材料、結(jié)構(gòu)等不同而略有差別，但大致可歸為兩類(lèi)：一是電池自身原因（如電池本身存在瑕疵或設(shè)計(jì)缺陷）；二是突發(fā)事件或?yàn)E用工況。一般來(lái)說(shuō)，可以從以下兩個(gè)方面來(lái)改善鋰離子電池的安全性：一是從電池材料本身著手，改善電極材料（包括電解液）的熱穩(wěn)定性或采用熱穩(wěn)定更好的電極材料；二是從電池的設(shè)計(jì)和制備、運(yùn)行和管理著手，通過(guò)電池制備過(guò)程的高質(zhì)化控制、電池散熱結(jié)構(gòu)或方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及電池?zé)峥刂苹蚬芾矸桨傅暮侠矶ㄖ?，抑制或避免熱失控的發(fā)生。基于此認(rèn)識(shí)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)鋰離子電池的安全性開(kāi)展了大量實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模型研究。

實(shí)驗(yàn)研究主要包括定量表征電池各種材料熱穩(wěn)定性[55]以及定性觀察電池各種濫用過(guò)程的熱行為[56-60]。

對(duì)于揭示電池濫用過(guò)程熱行為背后隱含的基礎(chǔ)物理-化學(xué)機(jī)制，數(shù)值模型相對(duì)于實(shí)驗(yàn)研究可能更為有效，科研人員對(duì)鋰離子電池的短路[55-57]、針刺[58]、過(guò)充過(guò)放[59-60]、烤箱[60]等濫用過(guò)程開(kāi)展了數(shù)值模擬研究工作。

4 研究室工作進(jìn)展

4.1 鋰離子電池多尺度模型開(kāi)發(fā)

本研究室開(kāi)發(fā)了鋰離子電池介觀微孔-電極/電芯-電池模塊-電堆-電池系統(tǒng)的多尺度數(shù)值仿真軟件，對(duì)其多方面的研究和應(yīng)用進(jìn)行了探索，如圖2所示。目前已開(kāi)展的研究工作主要包括：（1）電池微結(jié)構(gòu)的重建和仿真[61]；（2）單層電芯和單體電池?zé)嵝袨榧半娀瘜W(xué)行為的定性、定量研究[62-63]，如圖3所示；（3）單體電池的結(jié)構(gòu)優(yōu)化[64-65]，如圖4所示；（4）鋰離子電池性能極限研究[63,66]；（5）電池模組和電堆的熱行為分析及優(yōu)化[67-71]。建立包含71節(jié)18650型鋰離子電池模組和整車(chē)（5664節(jié)）18650型鋰離子電池堆的微通道液冷熱模型，如圖5所示；對(duì)模組間流動(dòng)分配進(jìn)行了優(yōu)化，提出了改善電池溫度一致性的策略和方法[68-71]，如圖6所示。

圖2 鋰離子電池多尺度研究和應(yīng)用Fig.2 Multi-scale research and application of Li-ion battery

圖3 單層磷酸鐵鋰電芯1 C放電過(guò)程的熱分析（a）和輸運(yùn)電流密度分布（b）[62]Fig.3 Thermal analyses (a) and transfer current density distribution (b) of LiFePO4 single cell during 1 C discharge

圖4 極耳布置對(duì)電池溫度場(chǎng)的影響：（a）同側(cè)（均勻分布）；（b）同側(cè)（偏向一邊）；（c）兩側(cè)[65]Fig.4 The influence of tab arrangements on temperature distribution of battery: (a) tabs on the same side (uniform distribution);(b)tabs on the same side (lop-sided);(c) tabs on two opposite sides

圖5 電池模組的物理模型（a）和1 C放電結(jié)束時(shí)的溫度分布（b）；電堆的物理模型（c）和 1 C放電結(jié)束時(shí)的溫度分布（d）[68,70]Fig.5 Physical structure (a) and temperature distribution at the ending time of 1 C discharge (b) of the LIB module;physical structure (c) and temperature distribution at the ending time of 1 C discharge (d) of the LIB pack

圖6 提高電池模組內(nèi)熱一致性的策略[69]Fig.6 General strategies for improving the thermal uniformity inside LIB modules

4.2 鋰離子電池組微通道液冷-預(yù)熱-保溫一體化熱管理系統(tǒng)研發(fā)

電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力鋰離子電池組及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實(shí)際運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜多變，有時(shí)需要散熱冷卻、有時(shí)需要預(yù)熱/保溫。本研究室研發(fā)了集散熱和預(yù)熱/保溫功能為一體的先進(jìn)熱管理系統(tǒng)，滿足不同環(huán)境及工況下電動(dòng)汽車(chē)的高效安全運(yùn)行。該系統(tǒng)可以保證電池組在-20℃環(huán)境條件下成功啟動(dòng)；在-20～+40℃環(huán)境條件下，電池組工作溫度處于最佳溫度范圍，單體電池間溫差約為2℃。我們使用鋁制微通道換熱的方式，對(duì)180節(jié)18650型NCA電池組成的模組在-20℃環(huán)境溫度下的預(yù)熱和放電過(guò)程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，冷卻液流量為100 L/h，圖7是系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果。

圖7 低溫環(huán)境下（-20℃）電池組預(yù)熱及1 C放電過(guò)程的電熱行為Fig.7 Thermal-electrical behaviors of LIB module being preheated from -20oCand discharged with 1 C-rate

4.3 汽車(chē)空調(diào)冷媒直接冷卻鋰離子電池組熱管理系統(tǒng)

電動(dòng)汽車(chē)熱管理系統(tǒng)液冷方案一般采用冷卻液對(duì)電池組進(jìn)行冷卻，冷卻液再與空調(diào)系統(tǒng)制冷劑進(jìn)行換熱獲得冷源。本研究室研發(fā)了一種基于汽車(chē)空調(diào)冷媒直接冷卻的電池組熱管理系統(tǒng)并搭建了系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[71]，如圖8所示。汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)的制冷劑直接進(jìn)入電池組內(nèi)部進(jìn)行換熱冷卻，避免了傳統(tǒng)冷卻液需與冷媒換熱產(chǎn)生的二次換熱損失，同時(shí)減少空調(diào)制冷劑與冷卻液的熱交換器。采用空調(diào)冷媒直接冷卻的熱管理系統(tǒng)在1.5 C持續(xù)放電過(guò)程中能將電池組溫度控制在40℃以內(nèi)，單體電池間溫差小于2℃；實(shí)際路況測(cè)試時(shí)單體電池間溫差小于1.5℃[71]。

圖8 汽車(chē)空調(diào)冷媒冷卻BTMS試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖[71]Fig.8 Experimental system of using the vehicle air condition in BTMS

4.4 鋰離子電池安全性

在鋰離子電池安全性研究方面，本研究室主要開(kāi)展了如下工作：（1）開(kāi)發(fā)了鋰離子電池烤箱熱濫用模型，研究了電池在不同烤箱溫度下的熱行為[65,72]；比較和分析了鋰離子電池不同正極材料安全性和穩(wěn)定性[62]；（2）開(kāi)發(fā)了鋰離子電池?zé)釣E用與ECT的耦合模型，探索了大倍率充放電過(guò)程及過(guò)充保護(hù)失效時(shí)電池的熱行為[63]，如圖9所示；（3）搭建了鋰離子電池外短路測(cè)試平臺(tái)，研究了電池在不同條件下（外電阻，荷電狀態(tài)，環(huán)境溫度）發(fā)生外短路故障時(shí)的電熱行為，如圖10所示；并根據(jù)外表面溫度實(shí)時(shí)預(yù)估了電池中心溫度[73]。

圖9 LiNixCoyMnzO2鋰離子電池大倍率放電過(guò)程溫度演化[63]Fig.9 Temperature evolution of LiNixCoyMnzO2battery discharged with very high C-rate

圖10 典型的鋰離子電池外短路過(guò)程的電熱行為[73]Fig.10 Typical electrical-thermal behaviors of LIB suffered ESC fault

5 總結(jié)與展望

綜上所述，鋰離子電池?zé)崮Ｐ筒粩喟l(fā)展，從集總參數(shù)模型到三維模型，從普通生熱模型到熱濫用模型，從單體模型到整車(chē)模型；鋰離子電池?zé)崮Ｐ驮谥笇?dǎo)電池單體及電池組設(shè)計(jì)、電池組熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)及安全性研究等方面起到了重要的作用；此外，為了保障鋰離子電池高效、長(zhǎng)壽命以及安全可靠地使用，學(xué)者們對(duì)鋰離子電池?zé)峁芾砗桶踩砸惨呀?jīng)開(kāi)展了大量的研究工作，取得了一定的進(jìn)展。隨著鋰離子電池能量/功率密度及容量、退役規(guī)模的不斷增加，未來(lái)鋰離子電池?zé)峁芾砗桶踩缘难芯抗ぷ骺梢詮囊韵氯齻€(gè)方向開(kāi)展。

（1）2017年7月，國(guó)家發(fā)布了三項(xiàng)電動(dòng)汽車(chē)用動(dòng)力電池的標(biāo)準(zhǔn)，分別針對(duì)車(chē)用電池規(guī)格尺寸、編碼規(guī)則和回收利用余能檢測(cè)，覆蓋了動(dòng)力電池的全生命周期，即電池的設(shè)計(jì)生產(chǎn)、一次使用和梯次利用與再退役三個(gè)階段。從單體電池、成組模塊、系統(tǒng)總成到整車(chē)使用環(huán)境，從電池生產(chǎn)到后續(xù)梯次利用與再退役，對(duì)鋰離子電池全生命周期及不同應(yīng)用場(chǎng)景下電池壽命評(píng)估及安全性能演變進(jìn)行系統(tǒng)地分析研究是其熱管理和安全性的一個(gè)重要研究方向。

（2）近年來(lái)，我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)保有量快速攀升，按照動(dòng)力電池使用壽命3～5年計(jì)算，預(yù)計(jì)2020年動(dòng)力電池退役規(guī)模將突破21 GW·h[74]，通過(guò)梯次利用技術(shù)提高動(dòng)力電池整體可用率，解決不同類(lèi)型、規(guī)格、狀態(tài)退役電池的規(guī)?；倮脝?wèn)題，既是動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)鏈的空白，也為針對(duì)退役電池的熱和安全管理技術(shù)開(kāi)發(fā)帶來(lái)新的挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有的熱管理系統(tǒng)基于新電池研發(fā)，未考慮退役動(dòng)力電池內(nèi)阻大、易失效及一致性差等特點(diǎn)，也缺乏針對(duì)老化電池?zé)崾Э爻梢驒C(jī)理、熱安全管控技術(shù)的系統(tǒng)性研究，基于多尺度多場(chǎng)耦合數(shù)值仿真、以高效率電均衡及熱管理、多層級(jí)安全交叉防護(hù)為特征的電熱安全綜合管理系統(tǒng)研發(fā)設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)退役動(dòng)力電池規(guī)?；瘧?yīng)用的關(guān)鍵。

（3）電動(dòng)汽車(chē)的快速發(fā)展，給汽車(chē)整車(chē)熱管理系統(tǒng)的研究及設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提出了新的挑戰(zhàn)。汽車(chē)的整車(chē)熱管理是從整車(chē)的角度、系統(tǒng)地設(shè)計(jì)傳（換）熱介質(zhì)流場(chǎng)以及換熱過(guò)程所涉及的各子系統(tǒng)，是汽車(chē)運(yùn)行高效、乘坐安全舒適的必要保障。傳統(tǒng)汽車(chē)的整車(chē)熱管理主要是發(fā)動(dòng)機(jī)艙的溫度控制和駕駛室的溫濕度調(diào)節(jié)，以優(yōu)化車(chē)輛的燃油經(jīng)濟(jì)性及排放性能。因動(dòng)力系統(tǒng)的改變，電動(dòng)汽車(chē)與傳統(tǒng)汽車(chē)熱管理系統(tǒng)具有本質(zhì)的差異。電動(dòng)汽車(chē)的整車(chē)熱管理系統(tǒng)需要更多關(guān)注動(dòng)力電池的安全性、緊湊性，以及整車(chē)的綜合能效和各種限功率的極端環(huán)境和運(yùn)行工況。將動(dòng)力電池組熱管理、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)及控制器等的熱控制以及車(chē)內(nèi)環(huán)境熱管理進(jìn)行多系統(tǒng)設(shè)計(jì)集成、制造集成和控制集成是未來(lái)電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)綜合熱管理系統(tǒng)研發(fā)的關(guān)鍵。