曹有琪 杜立飛 盧海 杜慧玲

（西安科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710054）

1 前言

隨著社會的發(fā)展以及經(jīng)濟(jì)的繁榮，人類對于能源和美好環(huán)境的需求日益增加。能源危機(jī)和環(huán)境污染的雙重壓力，加速了新能源汽車研究進(jìn)程，新能源汽車采用非常規(guī)車用燃料作為動力來源，是一種具有新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)的汽車，主要包括純電動汽車、混合動力汽車、燃料電池汽車等。根據(jù)車輛的結(jié)構(gòu)和優(yōu)勢，電動汽車更適合在國內(nèi)長期發(fā)展，電動汽車是以動力電池驅(qū)動，具有環(huán)保、低成本等優(yōu)點(diǎn)。電動汽車電池裝機(jī)主要包括三元電池、錳酸鋰電池、磷酸鐵鋰電池和其他類型電池（鎳氫電池、燃料電池等）。

電動汽車將會在未來生活中扮演越來越重要的角色，動力電池作為電動汽車的動力系統(tǒng)，研究電池發(fā)熱特性及散熱系統(tǒng)，保證汽車行駛安全，是非常迫切的問題。成組后的電池性能直接影響整車的性能以及安全使用，電池對溫度高度敏感，溫度直接影響著電池的性能，鋰離子電池在高低溫的極端環(huán)境中容易發(fā)生熱失控[1]。本研究將從單體電池的發(fā)熱特性以及電池成組散熱兩方面論述，單體主要進(jìn)行產(chǎn)熱機(jī)理，參數(shù)對溫度的影響等研究，散熱主要從電池組結(jié)構(gòu)設(shè)計、冷卻方式、溫度控制等方面進(jìn)行研究，為電動汽車動力系統(tǒng)的發(fā)展提供理論指導(dǎo)。

2 鋰離子單體發(fā)熱特性

2.1 電池產(chǎn)熱機(jī)理

工作時單體電池的發(fā)熱主要包括極化熱、反應(yīng)熱、副反應(yīng)熱和焦耳熱4部分。對于鋰離子動力電池，副反應(yīng)熱主要是由電池老化所導(dǎo)致，老化過程較為緩慢生成熱量極小，商用電池電化學(xué)性能穩(wěn)定，因此可以忽略不計，電池產(chǎn)熱只需考慮極化熱、反應(yīng)熱、焦耳熱這3部分熱量[2]。單體電池的反應(yīng)熱即為可逆熱，用Qr表示；電池焦耳熱（Qj）的產(chǎn)生主要是由于組成電池各種材料自身內(nèi)阻及各部件材料之間接觸所產(chǎn)生電阻的存在而產(chǎn)生；電池極化熱（Qp）是由極化內(nèi)阻單位時間而產(chǎn)生。則，一個電池總熱源可由以下公式來表示：

鋰離子動力電池在使用過程中，材料之間的產(chǎn)熱反應(yīng)有正極分解、負(fù)極嵌鋰碳與電解液和粘合劑的反應(yīng)、電解液的分解反應(yīng)等，此外，當(dāng)有電流通過時，由于電池內(nèi)阻的存在而產(chǎn)生熱[3-4]。在新能源汽車動力系統(tǒng)中需要電池具備大容量與大倍率等特點(diǎn)，并且在環(huán)境溫度不確定的情況下，電池組產(chǎn)生的高溫增加了運(yùn)行風(fēng)險，嚴(yán)重會導(dǎo)致著火，甚至是爆炸[5]。所以，研究鋰離子電池在不同時刻的產(chǎn)熱機(jī)理，保證其安全使用至關(guān)重要。

2.2 電池?zé)嵝阅茉u價

隨著電動汽車的發(fā)展，動力電池逐漸向高倍率、大批量串并聯(lián)的方向發(fā)展，對電池的發(fā)熱性能有了越來越高的要求，電池的發(fā)熱特性受參數(shù)設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計，熱管理參數(shù)等影響，電池單體的發(fā)熱性能以及成批量電池整體熱性能一致性主要取決于電池的性能參數(shù)，然而目前對于電池發(fā)熱特性與性能參數(shù)相關(guān)性的研究相對較少。

利用Bernardi[6]生熱模型科研工作者做了很多熱研究，S.Al Hallaj等[7-8]研究了18650型鋰離子電池的熱效應(yīng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)充放電電流密度與電池?zé)岷纳⑺俾视泻艽箨P(guān)系，電極極化使得放電后期熱耗散速率增大。Zhang等[9]研究了溫度低于20℃時體相阻抗、SEI膜阻抗和電荷轉(zhuǎn)移阻抗對電池?zé)崽匦缘挠绊?，發(fā)現(xiàn)體相阻抗和SEI膜阻抗主要受電解液離子電導(dǎo)率影響，在低溫下的變化趨勢與電解液電導(dǎo)率變化趨勢一致。受溫度影響不大，而電荷轉(zhuǎn)移阻抗隨溫度降低而顯著升高，這是因?yàn)闇囟仍降?，電池?nèi)部的離子傳輸就越慢，減緩了電化學(xué)反應(yīng)。得出電荷轉(zhuǎn)移阻抗對電池?zé)崽匦缘挠绊懪c前兩種阻抗影響有顯著不同。楊彥濤等[10]研究了電池的容量、直流內(nèi)阻和開路電壓對電池發(fā)熱特性的影響，發(fā)現(xiàn)容量和開路電壓對電池發(fā)熱特性影響不大，在生產(chǎn)過程中較易控制，而直流內(nèi)阻對電池?zé)崽匦杂绊戄^大，并且在生產(chǎn)過程中不易控制。目前對于電池參數(shù)影響溫度的研究甚少，并且考慮因素較單一，研究電池充放電過程中參數(shù)與產(chǎn)熱之間的關(guān)系，建立參數(shù)估計溫度預(yù)測系統(tǒng)是汽車行駛安全的迫切需要。

電池?zé)崽匦耘c相關(guān)參數(shù)之間的影響關(guān)系較為復(fù)雜，并且由于不同材料體系以及結(jié)構(gòu)設(shè)計使得熱特性更為復(fù)雜，因此，在目前以及將來對電池?zé)嵯嚓P(guān)特性的研究將會越來越重要，并且需建立一套電池?zé)嵯嚓P(guān)特性的測試和評估體系，用于監(jiān)測電池單體以及電池組的熱行為，給電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)提供理論指導(dǎo)。

2.3 電池容量衰減-溫度影響

鋰離子電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)和物理變化不是完全的可逆反應(yīng)，隨著充放電次數(shù)增加，鋰離子電池可使用容量會以不同速度衰減，容量是反映電池基本特性的重要指標(biāo)，秦紅蓮等[11]研究了LiFePO4電池在不同環(huán)境溫度（0℃、常溫和45℃）下容量的變化，研究表明：電池在高溫/低溫條件下，容量不同程度的下降，都會對電池壽命造成影響。Ramadss P等[12]研究了溫度對鈷酸鋰電池性能的影響，研究表明，溫度越高，容量衰減越快，并得出容量衰減原因-主要是由于SEI膜的分解，活性鋰大量損失和負(fù)極阻抗的大幅度增加。

隨著容量的衰減，電池本身正極材料可能已經(jīng)發(fā)生了部分失活，鋰離子在正極材料中的不斷嵌入和脫出，在活性物質(zhì)顆粒之間會產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力；并且材料本身產(chǎn)生相變導(dǎo)致晶格錯亂，陽離子混排，也會在顆粒之間產(chǎn)生應(yīng)力。產(chǎn)生的這些應(yīng)力破壞掉材料原有的結(jié)構(gòu)，在活性顆粒內(nèi)部以及之間產(chǎn)生微小裂紋，微小裂紋減少了活性物質(zhì)顆粒之間的電接觸，并且會使得過渡金屬原子與氧原子之間的結(jié)合力不足，導(dǎo)致過渡金屬溶解，進(jìn)一步導(dǎo)致活性物質(zhì)減少，直接造成容量衰減，同時進(jìn)入電解液中的金屬離子會在沉淀在電極的表面，增大鋰離子電池阻抗[13-14]，最終導(dǎo)致了電池的開路電壓（Open Circuit Voltage，OCV）漂移，OCV的漂移改變溫熵系數(shù)，進(jìn)一步直接影響電池產(chǎn)熱。

目前，對于溫度引起電池容量衰減研究較多，但是考慮容量衰減后進(jìn)一步影響電池?zé)嵝阅艿难芯肯鄬ι跎伲绕涫菧囟?容量衰減相互影響的研究，溫度是引起容量衰減的關(guān)鍵因素，溫度的升高會加速副反應(yīng)的發(fā)生，溫度降低會使活性鋰在電極表面沉積；容量的衰減又會導(dǎo)致產(chǎn)熱的增加，溫度-容量衰減相互影響加劇電池的老化，縮短電池使用壽命。對于這一問題，利用計算仿真建立溫度-容量衰減-溫度模型，定量分析溫度-容量衰減之間相互影響的關(guān)系，對電池安全使用非常重要。

3 動力電池散熱系統(tǒng)研究

首先考慮利用Bernardi生熱模型計算動力電池產(chǎn)熱，為保證電動汽車行駛安全，必須考慮將動力電池產(chǎn)生的熱量散發(fā)出去；動力電池散熱系統(tǒng)是確保電池組在安全溫度范圍使用的整套系統(tǒng)，包括電池包、散熱介質(zhì)和監(jiān)測控制設(shè)備等組成。動力電池散熱系統(tǒng)的功能主要包括保證電池包溫度均勻性、有效通風(fēng)散熱、保證電池性能以及防止電池?zé)崾Э刂鸹虮╗15]。動力電池散熱系統(tǒng)可分為主動式和被動式冷卻，被動式冷卻主要靠空氣自然冷卻，冷卻效果有限；而主動式冷卻是人為加一些冷卻方式來達(dá)到冷卻效果，包括強(qiáng)制風(fēng)冷、液冷和相變材料冷卻方式，不受環(huán)境因素的影響，可以保證電池在安全溫度范圍內(nèi)使用，是今后散熱系統(tǒng)設(shè)計的趨勢。

3.1 風(fēng)冷散熱系統(tǒng)

風(fēng)冷散熱系統(tǒng)采用空氣作為換熱介質(zhì)。利用空氣流動帶走熱量，主要分為被動風(fēng)冷和主動風(fēng)冷，被動冷卻受環(huán)境因素影響，屬于自然冷卻，冷卻效果有限，主動冷卻不受環(huán)境影響，主要依靠強(qiáng)制對流散熱。圖1為風(fēng)冷散熱系統(tǒng)原理示意。

圖1 風(fēng)冷散熱系統(tǒng)

目前對于風(fēng)冷散熱系統(tǒng)，相關(guān)學(xué)者主要根據(jù)散熱需求簡化散熱結(jié)構(gòu)、優(yōu)化空氣冷卻方式的創(chuàng)新策略。王天波等[16]研究分析了風(fēng)冷系統(tǒng)的進(jìn)出口、位置、形狀等對電池組散熱的影響，發(fā)現(xiàn)采用側(cè)向通風(fēng)散熱，進(jìn)出口為圓形時，散熱效果最佳。T.Wang等[17]通過對比電池的不同排列結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)電池組結(jié)構(gòu)成軸對稱時散熱效果最好。馬永笠等[18]提出了利用鼓風(fēng)機(jī)控制電池組內(nèi)部空氣往復(fù)流動的散熱結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)使電池組溫度分布更均勻，電池組整體溫度在5～45℃范圍內(nèi)，保證了電池組運(yùn)行在最佳范圍內(nèi)。趙國柱等[19]優(yōu)化了強(qiáng)制風(fēng)冷的最優(yōu)風(fēng)速，在保證電池散熱的前提下使得風(fēng)機(jī)功耗最小。目前對于風(fēng)冷散熱系統(tǒng)，上述人員只是對結(jié)構(gòu)上單一的考慮散熱，這些研究單一的考慮結(jié)構(gòu)的改變，自然風(fēng)的風(fēng)速，實(shí)際應(yīng)用具有局限性；對于不同散熱需求的動力電池，將來使用單一的風(fēng)冷系統(tǒng)需考慮增加制冷設(shè)備，正逆雙向風(fēng)冷控制，更好地保證電池溫度均勻性。

風(fēng)冷散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低，被動式和主動式風(fēng)冷方式都是以空氣為散熱介質(zhì)，目前以主動式風(fēng)冷方式應(yīng)用多于被動式，但是由于空氣熱導(dǎo)率比較低、冷卻速度慢、散熱效果有限，并且隨溫度升高，電池組溫度均勻性運(yùn)來越差，單純的風(fēng)冷散熱逐漸滿足不了動力電池散熱。

3.2 液冷散熱系統(tǒng)

隨著動力電池的發(fā)展，電池的能量密度越來越大以及大倍率放電的工況下，空氣冷卻已經(jīng)不能滿足動力電池散熱的需求，液冷散熱逐漸替代空氣散熱，并將成為未來散熱系統(tǒng)的主流方案。液冷散熱系統(tǒng)是使用導(dǎo)熱系數(shù)高的液體作為介質(zhì)，直接或間接的帶走電池所產(chǎn)生的熱量。在液冷結(jié)構(gòu)設(shè)計方案中，電池直接浸在冷卻液中散熱或通過冷卻板間接接觸電池散熱，間接散熱是先將電池產(chǎn)生的熱量傳入冷卻板，然后通過冷卻板與液體傳熱，將電池產(chǎn)生的熱量帶走，直接接觸散熱液體多采用硅基油、礦物油等作為傳熱介質(zhì)，該介質(zhì)黏度大，流動性弱；間接接觸液體選用水、乙二醇、水和乙二醇的混合物等，該液體導(dǎo)熱系數(shù)高，流動性強(qiáng)，但是因?yàn)椴唤^緣問題可能會造成泄露使電池短路，所以必須做好管道密封。液冷散熱是目前主流的冷卻方式，其導(dǎo)熱系數(shù)高，冷卻效率高，可以滿足大功率動力電池組的整體散熱，并且能提高電池組溫度一致性，但是液冷散熱存在局部過熱、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、大功率電池?zé)岚踩葐栴}，因此液冷散熱仍需要對其結(jié)構(gòu)優(yōu)化、熱安全等設(shè)計與研究。圖2為液冷散熱系統(tǒng)原理示意。

圖2 液冷散熱系統(tǒng)原理

液冷散熱系統(tǒng)比風(fēng)冷系統(tǒng)散熱效率高，溫度均勻性更好，但是液冷系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜。張克鵬[20]優(yōu)化了液冷板結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)調(diào)整液冷板內(nèi)徑，使得液體流量分配均勻，降低流阻，可保證電芯溫差小于4℃，最高溫度低于50℃。馮能蓮等[21]研究4 A·h的21700型鋰離子電池蜂巢式液冷結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)在常溫25℃環(huán)境溫度下，0.5 C/1 C橫流放電，電芯之間溫差均在2℃以內(nèi)；在液體流量大于1 L/min，環(huán)境溫度達(dá)到40℃下1 C放電時，電芯之間溫差也能保持在5℃以內(nèi)，表明所設(shè)計的蜂巢式液冷散熱系統(tǒng)冷卻性能優(yōu)良。柴家棟等[22]提出了一種改進(jìn)的蛇形管道布置方式，該方式可以降低電池組最高溫度，也能減小溫差。目前學(xué)者對于液冷散熱系統(tǒng)研究限于液冷結(jié)構(gòu)的設(shè)計，散熱效果有限，將不能滿足未來電動汽車大倍率放電的動力電池散熱需求，從本質(zhì)上改善液冷散熱效果，需研究散熱系數(shù)更高的散熱介質(zhì)，結(jié)構(gòu)設(shè)計和散熱介質(zhì)齊頭并進(jìn)的研究將更好的解決液冷散熱系統(tǒng)的局限性。

3.3 相變冷卻系統(tǒng)

相變材料（Phase Change Material,PCM）是一種特殊的功能性材料，相變冷卻系統(tǒng)是利用相變材料在恒溫狀態(tài)下發(fā)生相變吸收電池產(chǎn)生的熱量，然后將熱量釋放到外界環(huán)境中去。相變材料具有儲能密度高，潛熱大，相變過程的等溫性可有效控制溫差，平衡熱能的供需差異，結(jié)構(gòu)設(shè)計上相對簡單可靠，是一種新型的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)。圖3所示為電池相變冷卻結(jié)構(gòu)。

圖3 電池相變冷卻結(jié)構(gòu)

張國慶等[23]采用復(fù)合相變材料設(shè)計了電池組散熱結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明，在1 C放電倍率下比較空氣冷卻和相變冷卻效果，相變冷卻能夠使溫度下降9～14℃,效果顯著，并且發(fā)現(xiàn)當(dāng)石蠟/石墨混合比例為4:1時，冷卻效果可達(dá)到最佳。李揚(yáng)等[24]研究了相變材料層厚度和多孔骨架散熱系統(tǒng)對鋰離子電池?zé)崽匦缘挠绊懀岢隽艘环N控溫效果良好的多孔介質(zhì)填充模型，結(jié)果表明，在相變材料厚度為6 mm，多孔介質(zhì)填充區(qū)為3 mm時，控溫散熱效果最佳。目前學(xué)者對于相變材料的研究限于宏觀結(jié)構(gòu)上，使用的相變材料性能將不能滿足未來電動汽車的發(fā)展，研究性能更好的相變材料是非常迫切的。

相變冷卻系統(tǒng)中所需相變材料要有高的熱導(dǎo)率以及相變潛能，相變散熱系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，成本低等優(yōu)點(diǎn)，在使用過程中體積變化較大，這是目前存在的技術(shù)難點(diǎn)，但是相變冷卻發(fā)展前景廣闊，應(yīng)用范圍廣，相變冷卻系統(tǒng)可能是未來電池?zé)峁芾淼闹髁鞣较颉?/p>

4 總結(jié)與展望

動力電池作為電動汽車的動力來源具有很好的發(fā)展前景，在保證電池本身電化學(xué)性能優(yōu)異的情況下，還要保證動力電池使用過程中的熱安全性，本文主要從電池單體和電池組兩方面分析電池?zé)崽匦?；電池單體方面，文中從電池電化學(xué)產(chǎn)熱機(jī)理、熱相關(guān)性和容量衰減-溫度相互影響角度出發(fā)，分析了參數(shù)對電池單體和電池組熱特性的影響，提出了容量衰減-溫度相互影響的研究方向；在散熱系統(tǒng)方面，分別系統(tǒng)的介紹了空氣冷卻、液冷和相變材料冷卻，總結(jié)了不同鋰離子電池組的散熱方式和性能，發(fā)現(xiàn)目前電動汽車的散熱方式多采用單一冷卻方式。

針對目前電池單體和電池組熱特性研究現(xiàn)狀，隨著電動汽車的發(fā)展，對動力電池要求越來越高，仍需加強(qiáng)以下4個方面的研究。

a.從電池本身出發(fā)，研究產(chǎn)熱低的高性能電池，并且對于目前電池內(nèi)部溫度難以知曉，散熱都是從電池表面散熱，未來設(shè)計新型電池結(jié)構(gòu)，在電池內(nèi)部加入散熱材料，保證電池電化學(xué)性能。

b.研究容量衰減后電池?zé)嵝阅?，分析溫?容量衰減-溫度循環(huán)影響，加劇電池老化程度，準(zhǔn)確預(yù)測電池使用狀態(tài)，保證電池使用安全；

c.電池單體和電池組熱相關(guān)特性，深入研究參數(shù)與電池產(chǎn)熱之間的關(guān)系，建立一套電池?zé)嵯嚓P(guān)特性的測試和評估體系，用于監(jiān)測電池單體以及電池組的熱行為及老化程度，給電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)提供理論指導(dǎo)；

d.未來散熱系統(tǒng)的方式將是多種冷卻方式混合冷卻，但目前的技術(shù)、成本等因素限制了發(fā)展，需研究出低成本、高效率的混合散熱系統(tǒng)。綜上所述，動力電池的電化學(xué)性能及熱安全性仍是今后的研究重點(diǎn)。