陳逸可

同濟(jì)大學(xué)浙江學(xué)院，浙江 嘉興 314051

0 引言

隨著汽車保有量的不斷增長，環(huán)境污染與能源緊缺的問題日益凸顯。石油是工業(yè)的主要原料，傳統(tǒng)汽車是以石油化工品為主要燃料。但是，我國的石油資源十分匱乏，大部分原油依靠進(jìn)口。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020年度我國進(jìn)口原油占總量的84.2%。為此，推廣以電能為動(dòng)力的新能源汽車，可以減少汽油的消耗和廢氣的排放，因此近年來新能源汽車尤其是電動(dòng)汽車發(fā)展迅速。

電池作為電動(dòng)汽車的“心臟”，承擔(dān)著為汽車提供動(dòng)能的作用。鋰電池具有無污染、造價(jià)低等特點(diǎn),常被用作電動(dòng)汽車的主要能量來源。鋰電池作為電動(dòng)汽車的三大核心之一，其溫度變化直接影響汽車的安全和性能。采用鋰電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以保持鋰電池的穩(wěn)定性，從而增強(qiáng)電動(dòng)汽車的性能。文章針對(duì)鋰電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)進(jìn)行研究，提出鋰電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的優(yōu)化措施。

1 電動(dòng)汽車鋰電池溫度控制的意義

鋰電池最早僅應(yīng)用于心臟起搏器，但是隨著科技的發(fā)展進(jìn)步，鋰電池成為主流。尤其是20世紀(jì)90年代Sony成功研發(fā)出以鈷酸鋰作為正極材料的鋰離子電池，使鋰離子電池在電子消費(fèi)產(chǎn)品領(lǐng)域獲得了飛速發(fā)展。鋰離子電池具有能量密度大，沒有記憶效應(yīng)，工作溫度廣，可實(shí)現(xiàn)快速充電等優(yōu)點(diǎn)，目前大部分移動(dòng)電子產(chǎn)品都使用鋰電池作為電源。

經(jīng)過多年的研究發(fā)展，相比其他電池類型，鋰電池的成本、安全性等綜合性能的優(yōu)勢(shì)相當(dāng)大，但是其溫度控制這個(gè)問題始終沒有得到很好的解決。由于電池阻抗的存在，鋰電池在充電、放電過程中都會(huì)產(chǎn)生熱量，電化學(xué)反應(yīng)也會(huì)產(chǎn)生熱量，使得鋰電池在工作時(shí)難以始終處于適宜溫度。鋰電池長時(shí)間處于高溫狀態(tài)時(shí)，會(huì)影響其性能，加速老化進(jìn)程，縮短使用壽命，嚴(yán)重情況下甚至?xí)l(fā)生爆炸；低溫條件下，會(huì)降低電池的充放能力。對(duì)于應(yīng)用鋰電池的電動(dòng)汽車來說，這是一個(gè)無法忽視的問題。汽車的工作范圍非常廣泛，常見的工作環(huán)境溫度為-20～50℃，而根據(jù)鋰電池內(nèi)部材料的敏感性和鋰電池壽命可以得知其最佳工作溫度區(qū)間為15～35℃[1]。如果不能系統(tǒng)調(diào)控鋰電池的溫度，電池將成為電動(dòng)汽車發(fā)展的最大限制。為此鋰電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。鋰電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的作用是幫助鋰電池散熱、加熱，以及保持電池組的溫度一致性。同時(shí)，電動(dòng)汽車的電池組中單體電池的溫度差異影響非常大，溫度不一致會(huì)導(dǎo)致個(gè)別電池過充或過放，電池組之間的老化進(jìn)程會(huì)不一致，導(dǎo)致壽命縮短，使鋰電池的安全性和性能下降。

2 電動(dòng)汽車鋰電池溫度控制相關(guān)

2.1 鋰電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)

鋰電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)是指電動(dòng)汽車中能夠控制調(diào)節(jié)動(dòng)力鋰電池內(nèi)部溫度的電子管理系統(tǒng)。根據(jù)導(dǎo)熱介質(zhì)和結(jié)構(gòu)的不同，通?？煞譃轱L(fēng)冷、液冷、直冷和相變材料冷卻。鋰電池的性能只有在適宜的工作溫度范圍才能發(fā)揮最大作用。為了提升電動(dòng)汽車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和安全性，安裝熱管理系統(tǒng)來調(diào)控鋰電池的溫度。

鋰電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)由不同部分組成，分別具有不同的功能：（1）溫度傳感器時(shí)刻監(jiān)控鋰電池的溫度，一旦溫度超過一定范圍會(huì)發(fā)出警報(bào)信號(hào)；（2）當(dāng)鋰電池溫度過高，會(huì)啟動(dòng)散熱系統(tǒng)，防止熱失控；（3）當(dāng)鋰電池溫度較低時(shí)會(huì)提前預(yù)熱，并維持電池始終處于適宜溫度，發(fā)揮其良好性能；（4）控制電池組中單元電池的溫度，保證電池組溫差在可控范圍內(nèi)，防止個(gè)別單元溫度過高，使其保持一致性，延長電池的使用壽命；（5）若出現(xiàn)局部熱失控等情形，能主動(dòng)隔離失控部分，減小事故危害，保護(hù)司乘人員的安全。

2.2 鋰電池?zé)崃康漠a(chǎn)生與傳遞

鋰電池大致可分為電池核芯與包裹核芯的外殼。由于不同部分的導(dǎo)熱性能存在差異，表面溫度不能準(zhǔn)確表示電池真實(shí)的溫度，只有核芯溫度才能正確顯示電池的狀態(tài)。為了研究鋰電池的熱量來源，將電池分為三塊區(qū)域，建立單體電池降階熱模型，將其熱量分為核芯溫度、表面溫度與空氣溫度3種。經(jīng)過測算，鋰電池工作時(shí)的放熱主要可分為反應(yīng)熱Qr、焦耳熱Qj、極化熱Qp、副反應(yīng)熱Qs[2]。其中，電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的可逆熱是反應(yīng)熱Qr，而焦耳熱Qj是由于鋰離子電池內(nèi)部歐姆在充放電時(shí)產(chǎn)生，是引起電池升溫的主要熱源。電流通過電池內(nèi)部的極化內(nèi)阻（電化學(xué)極化、歐姆極化和濃度差極化）時(shí)會(huì)產(chǎn)生極化熱Qp。鋰離子電池只有在溫度過高的情況下才會(huì)產(chǎn)生副反應(yīng)熱Qs，故一般情況下無須考慮。

鋰離子電池的反應(yīng)熱受周圍環(huán)境溫度影響，在正常工作溫度下，反應(yīng)熱比鋰電池內(nèi)阻的產(chǎn)熱量的1%還小，因此主要需要考慮如何降低焦耳熱。

根據(jù)傳熱學(xué)可知，熱的基本傳遞方式分為熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射。熱傳導(dǎo)主要發(fā)生在電池內(nèi)部，電池正負(fù)極與電解液相互接觸，熱量從內(nèi)部向外部傳遞?？捎酶道锶~定律表示為

熱對(duì)流發(fā)生在溫度不同的流體或流體與固體之間，傳熱量與溫差成正比，遵循牛頓冷卻定律：

熱輻射發(fā)生在電池表面，以電磁波形式向外傳遞，可用斯特藩-玻爾茲曼定律表示。一般情況下，電池的熱輻射較低，因此不需要不予以計(jì)算。

2.3 鋰電池溫度控制方式

（1）空氣加熱與冷卻?？諝饧訜崾禽^簡單的一種溫度控制方式，只需要在溫度較低時(shí)，在電池周圍通入已加熱的空氣，使電池保持在適當(dāng)溫度。風(fēng)冷使用的是同種介質(zhì)，但可分為自然風(fēng)冷與強(qiáng)制風(fēng)冷。自然風(fēng)冷是將外部的冷空氣通過管道輸入電池周圍，起到降溫的效果。強(qiáng)制風(fēng)冷則是將熱空氣通入降溫裝置中，使之降溫，再輸回電池旁，循環(huán)往復(fù)。

（2）液體加熱與冷卻。使用液體介質(zhì)來改變溫度是一種溫度控制方式，原理是通過液體介質(zhì)進(jìn)行對(duì)流交換，從而達(dá)到改變溫度的效果。廣東工業(yè)大學(xué)的鐘肇達(dá)[3]設(shè)計(jì)了一種新型結(jié)構(gòu)的液體冷卻系統(tǒng)，利用鋁管良好的導(dǎo)熱性能，及時(shí)將電池產(chǎn)生的熱量帶走，而鋁管中的液體則有效帶走鋁管儲(chǔ)存的熱量，基于鋁與冷卻液的耦合關(guān)系進(jìn)行有效散熱。

（3）內(nèi)部加熱。通常情況下，電池的產(chǎn)熱不利于電池本身，但在低溫情況下，則可以對(duì)電池的產(chǎn)熱進(jìn)行利用，而且內(nèi)部加熱的方式會(huì)優(yōu)于外部加熱，加熱效率高且成本低。

（4）相變材料加熱與冷卻。相變材料是一種通過改變物質(zhì)狀態(tài)從而大量吸收或放出熱量的新型綠色材料。該材料能將電池的產(chǎn)熱以潛熱的形式貯存起來，當(dāng)需要時(shí)又可以通過相變釋放出來。這種方式能自發(fā)地將溫度控制在一定范圍，不需要外界的信號(hào)，是一種節(jié)能高效的溫度控制方式。相變材料主要分為有機(jī)相變材料、無機(jī)相變材料和復(fù)合相變材料，大部分相變材料的導(dǎo)熱性較低，熱容量有限，因此需要研發(fā)新型復(fù)合相變材料。北京建筑大學(xué)的劉超[4]設(shè)計(jì)了一種將余熱回收技術(shù)與相變儲(chǔ)能技術(shù)相結(jié)合的裝置，實(shí)現(xiàn)了兩者的一體化設(shè)計(jì)。該裝置在需要給電池降溫時(shí)，吸收多余熱量；需要給電池加熱時(shí)，放出之前儲(chǔ)存的熱量，能夠減少多余熱量的浪費(fèi)，值得更進(jìn)一步研究。研究還發(fā)現(xiàn)加入適當(dāng)比例石墨能夠強(qiáng)化相變材料的導(dǎo)熱性能，隨著石墨含量的增加，導(dǎo)熱系數(shù)最高可提高6倍，而且可以降低該復(fù)合相變材料的過冷度。大量試驗(yàn)的結(jié)果表明，高溫環(huán)境和電池以倍率放電的情況下，相變材料具有良好的控溫效果，但在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)因?yàn)樽陨韮?chǔ)存熱量而需要進(jìn)行二次排熱，需要更進(jìn)一步的改良。

2.4 單電池的溫度控制

由于電池中電化學(xué)反應(yīng)和熱具有耦合特性，使影響電池溫度的因素顯著增多，導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、內(nèi)阻等相互關(guān)聯(lián)，在考慮控制電池溫度時(shí)，需要從各個(gè)方面進(jìn)行考慮。在研究單電池的溫度控制的過程中，發(fā)現(xiàn)電池中存在溫度梯度與局部熱效應(yīng)，極大地影響了電池的溫度，需要引起相關(guān)人員的重視。

3 結(jié)束語

為了延長鋰電池的壽命，增強(qiáng)電動(dòng)汽車的性能，保護(hù)人們的安全，文章就如何控制鋰電池的溫度進(jìn)行討論。其中，熱管理系統(tǒng)能根據(jù)電池所處環(huán)境溫度對(duì)電池進(jìn)行溫度調(diào)控，使得電池保持在最佳狀態(tài)，還能夠控制整體溫度差。在研究過程中，建立鋰電池的熱模型，發(fā)現(xiàn)鋰電池的主要熱量來自焦耳熱。同時(shí)，對(duì)不同介質(zhì)的熱管理系統(tǒng)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)其控溫效果也不相同。其中，風(fēng)冷的形式最簡單，但其效果相對(duì)較差；復(fù)合型相變材料的效果比較好，但是不同組成的復(fù)合型相變材料的性能差距較大，需要進(jìn)行更深入的研究。