動力電池熱管理

leonchen 2020-01-14

環境污染問題的日漸突出，使得清潔能源成為大勢所趨，新能源汽車的需求正迅速增長。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。

圖16-38 典型電池不同溫度、不同循環次數下容量衰減程度實驗結果（左）

Leaf 和Volt 在不同溫度下的續航里程統計（右）

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方式組成電池組，從而實現大功率充放電，滿足車輛大功率的動力要求。鋰離子電池在進行充放電時，由于轉換效率小于100%，內部將產生熱量。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，汽車發生爆燃。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^[6][7]。實質上，使用燃料電池的汽車同樣面臨電池溫度敏感性問題。即所有類型的動力電池均需要溫度控制設計以保證運行效率、壽命和安全性。

圖16-39 因熱失控發生爆燃的電動車

動力電池熱管理方案的設計步驟如下：

1) 確定熱管理系統的設計目標：應用場景不同時，熱管理方案所受到的空間、重量、成本等限制也不盡相同；

2) 確定電池系統熱相關參數：各種場景下的發熱量，電池本身的傳熱特性，電池對溫度的敏感性；

3) 根據要求和熱學參數，選擇合適的熱控方式，并輸出首版詳細熱設計方案；

4) 根據設計方案進行打樣測試，分析測試結果，實施改進措施，并對方案中的一些自動控制策略進行驗證，迭代得到終版設計方案；

5) 整車/整電池包實際樣品測試，如有必要，對部分自動控制參數進行微調，輸出終版動力電池熱管理方案。

圖16-40 動力電池熱管理設計步驟和各環節考慮因素

4.1 電池熱管理系統的目標

結合電子產品運行場景，電池熱管理系統的目標可以細化如下：

保證單體電池處于適宜的工作溫度范圍，能夠在高溫環境中將熱量及時轉移、低溫環境中迅速加熱或者保溫

1) 減小單體電池內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；

2) 保持電池組內部不同電池的溫度均衡，避免電池間的不平衡而降低性能；

3) 考慮極端情況，消除因熱失控引發電池失效甚至爆炸等危險；

4) 滿足電動汽車輕型、緊湊的要求，成本低廉、安裝與維護簡便；

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

6) 溫度等相關參數實現精確靈敏的監控管理，制定合理的異常情況應對策略。

4.2 電池熱學信息確定

任何方案的設計都需要先明確輸入信息或限制條件，其中最基礎的、必不可少的信息有如下三類：

1. 電池自身的發熱速率：熱管理方案的原理是通過一定手段將電池發出的熱量轉移到合適的位置來控制電池溫度，電池發熱速率決定管理方案的熱量轉移效率要求；

2. 電池的溫度要求：不同電池對溫度敏感性不同，而溫度是熱管理系統控制的核心參數。

3. 電池的熱物理性質：在相同的產熱速率和熱管理方案下，電池本身的導熱系數、密度和比熱容等電池熱物性參數對電池溫度表現有巨大影響。

電池熱管理系統的設計，實際所用到的熱設計知識，與常規電子產品如服務器、電源等產品并無本質差異，仍需要從熱傳導、對流換熱、輻射換熱三個角度考量合理的熱管理方式。

4.2.1 電池發熱速率

鋰離子電池在充放電循環過程中伴隨有各種熱量的吸收或產生，并導致其內部溫度發生變化。這些熱量包括由化學反應熵變產生的可逆熱Qr，電極因極化產生的極化熱Qp，因電阻產生的焦耳熱Qj，電池本身因溫度升高而吸收的熱量Qab，電池內部因發生副反應所產生的熱量Qs等^[8]。

上述各吸熱和放熱部分，可以使用如下公式示意性描述：

電池總的產熱量：Q = Qr + Qp + Qs + Qj + Qab

有的研究將電池的極化熱與焦耳熱之和等效為由于電池的全內阻帶來的熱量，而電池的全內阻則可以通過儀器測定。某些情況下，為細化內部熱量分布，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的產生來源^[9]。

電池的發熱速率不是一個固定值。動力電池充放電過程中，電池內部化學反應復雜。熱量的產生與電池的類型、充放電速率和工作溫度都直接相關，產熱機理影響因素的復雜性使得很難直接使用數值方法對電池的發熱速率進行模擬計算。下圖是50℃工作環境溫度下某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^[8]，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熱量，亦表現出極大不同^[4]。

圖16-41 50℃工作環境溫度下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^[8]

表16-8 不同工作環境溫度下CR2025型LiFePO4鋰離子電池在不同放電倍率下產熱量對比（負號表示放出熱量）^[8]

上述圖表僅表述的是LiFePO4鋰離子電池的相關實測數據，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值模擬相結合：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熱速率，獲得的測試數據通過擬合物理控制方程得出等效的反應熱參數，將這些反應熱參數加載到數值模擬的模型中，模擬電池在溫度連續變化時的電池發熱速率。在電池組熱管理方案設計過程中，也可以使用數值模擬來預先查看設計效果。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，簡單地將電池的發熱速率設定為一個固定值，可能造成模擬結果或理論計算結果有很大誤差。當然，這種簡單等效仍可以用來定性地對比不同熱管理方案的優劣。

4.2.2 電池導熱系數、密度和比熱容

在系統方案設計時，必須考慮電池的導熱系數、密度以及比熱容。其中：

· 密度：可以通過測試電池體積和質量，根據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，測量所需的熱量獲取；

· 導熱系數：導熱系數是矢量，由于電池由多種材質組合而成，在不同方向和不同位置處，導熱系數不盡相同。導熱系數的確定，需要獲得電池內部的詳細成分構成及對應的幾何尺寸參數，通過當量導熱系數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和內部相應的內部組成材料屬性。

表16-9 中航鋰電70A.h磷酸鐵鋰動力電池熱物理參數^[8]

除了使用熱物理測試，還可通過確定電池中各組分所占用的比例，以及各組分的物理特性采用加權平均的方式計算得出電池的等效導熱系數、比熱容等參數^[10]。

4.2.3 電池的最優工作溫度

動力電池溫度問題多在如下情境中出現：

1) 高溫運行環境中；

2) 快速充電時；

3) 需要快速放電的駕駛過程中；

4) 低溫情境下的充放電過程中。

其中前三種需要降溫，最后一種需要加熱。不同電池的理想工作溫度區間是不同的。在進行電池熱管理系統設計之前，需要明確電池的最優工作溫度范圍。電池熱管理系統最關鍵的目標就是在汽車所有運行狀態下都保證電池溫度位于這些合理的工作溫度區間內。在當前工藝技術水平下（2018年），Ni-MH電池的最佳工作溫度范圍為20~40℃，極限為-20~60℃；鉛酸電池最佳工作溫度范圍為25~45℃^[6]，極限為-20~60℃。磷酸鐵鋰電池的工作電壓區間在2.0~3.65 V（三元電池的工作電壓區間在2.75~4.2 V），放電工作溫度為－20 ~ 55℃，充電溫度為0 ~ 45℃。需要注意的是，溫度區間的確定必須要和電池的工藝技術水平和所要求的使用壽命關聯起來確定。目標溫度區間除了決定電池包中冷板、風扇等具體結構件的設計，其上下限值還是設計電池熱管理系統自動控制策略的重要參考

4.3 電池組熱管理方案類型

本書第一章概括過電子產品熱問題的內外兩個解決思路。電池的熱問題也與之相同：向內提升電池本身技術工藝，即電池能量密度更大，能量轉化效率更高，相同尺寸的電池儲能更多，且輸出功率相同的情況下發熱速率更小，材質適應的溫度范圍更廣；向外則是電池熱管理系統的設計，通過自然散熱、強迫風冷或者液體冷卻等外部措施控制電池包的溫度。本書重點解讀后者。此處將電池的熱管理按照風冷散熱、液冷散熱和相變冷卻三種類型來描述。

4.3.1 風冷散熱

風冷散熱相對來講是比較原始的電池熱管理方案，由于效率低下，目前高續航的純電動汽車已經極少使用。電池包自身的自然散熱設計所使用的優化手段與3C電子產品完全相同，詳細可參考本章第一節內容。其差異之處在于電池包和整車空間位置的協調。當使用自然散熱方案時，將電池包置于通風、遠離其它發熱體的車體部位對電池溫度表現直觀重要。

圖16-42 串聯和并聯風道

類似的，強迫風冷設計的電池包也是如此，其采用的散熱優化手段可以參考本章第二節內容。強迫風冷設計的電池包，風道的設計幾乎演變成電池包內電池的排布形式和箱體進出風口形態和相對位置的設計。由于電池本身發熱速率的復雜多變性，目前多數強迫風冷設計的方案中，電池的排布仍嚴重依靠實際測試確定。常見的電池包中過風形式有串聯和并聯兩種。

串聯設計的風道，冷風在電池包內在前進的過程中溫度逐漸升高，致使處于下風向的電池溫度偏高，從而導致電池包內電池的溫度不均勻性較大。而并聯風道可以較好地規避這一點。也有實驗表明，并聯風道的設計，更有利于形成均勻的溫度場。

綜上所述，在風冷散熱中，除去拓展散熱面積、高導熱材料的選擇、高性能風扇的選擇等常規強化散熱措施，電池的安裝位置和風道形式是關鍵設計點。

4.3.2 液冷散熱

隨著電池功率密度的提升，空氣為熱載體的熱管理方式已逐漸無法滿足溫度控制的要求。液冷散熱的高效移熱及強大的均熱能力，使其日漸成為動力電池包熱管理的首選方案。下圖描述了幾種典型的液冷方式。

圖16-43 液冷電池熱管理的幾種形式^[11]

圖16-44 電池包液冷散熱示意圖（左：Panamera S E-hybrid；右：特斯拉Model S）

對于間接液冷的電池包，傳熱介質可以采用水和乙二醇的混合液或者低沸點的制冷劑。電池包中，冷板與電池之間的導熱襯墊除了有降低接觸熱阻的功能，同時還應充當緩震、絕緣和阻燃作用。液冷方案的電池包還可以和車體的發動機制冷液或車載空調進行連接，形成整車級的綜合熱設計方案。空調制冷方式原理示意圖如下圖所示。

圖16-45 空調制冷式電池熱管理系統原理簡圖

把模塊沉浸在電介質的液體中的直接液冷方案，介質必須絕緣，以免發生短路。出于價格考慮，硅油是當前重點考慮的液體絕緣冷卻介質。除了冷卻效應，使用硅油直接冷卻還可以起到很好的阻燃作用，避免汽車在出現事故時由于電池局部高溫而發生爆燃。浸沒式冷卻雖然效率高且控制得當時更加安全，但由于本書第四章所述的缺陷，目前尚未規模化商用。

液冷設計的動力電池與常規3C產品方法并無本質區別。其使用的優化設計方法如流道設計、流量確定、冷板材質選擇、流動截面形狀設計等基本相通。

4.3.3 相變冷卻

電池對溫度的敏感性很容易令人與與相變材料（Phase Change Material, PCM）對熱量產生的溫度反應連接起來。PCM的特征是在極小的溫度變化范圍內可以收大量熱，在需要維持恒溫的設備中經常使用（如保暖服裝，電器防熱外殼、保鮮盒、保溫盒、取暖器、儲能炊具等^[12]）。利用PCM 進行電池冷卻原理是：當電池進行大電流放電時，電池釋放大量熱，PCM 吸收電池放出的熱量，自身發生相變，而維持電池在相變溫度附近。此過程是系統把熱量以相變熱的形式儲存在PCM 中。當電池溫度下降到PCM 熔點以下時，相變材料又可以釋放自身能量，維持電池溫度。通過材料的相變化可以經濟地將電池溫度控制在合理范圍內。

通過冷卻原理可以清楚地看到，PCM的相變潛熱和相變溫度是其在電池熱管理中應當考量的關鍵因素（密度、毒性、價格等傳統因素當然也很重要）。理論上講，當PCM的體積潛熱足夠大時，電池甚至只需要被包裹在PCM中就可保證溫度適中（運行間歇較長且可能置于寒冷環境中的車型，需要加熱部件以保證冷啟動）。沒有了運動部件和占據大量空間的換熱器、冷板管路等部件，其可靠性、緊湊性和裝配難度顯然極具優勢。

4.4 動力電池加熱系統

動力電池的最佳工作溫度是一個范圍，當動力電池溫度過低時，電池的容量和壽命會極大衰減。可能的原因包括電解液受凍凝固等^[2]。在低溫時，由于電池的活性差，電池負極石墨的嵌入能力下降，這時大電流充電很可能出現電池熱失控甚至安全事故。

一般而言，加熱系統是為了滿足在低溫環境下能夠使電池能正常使用。加熱系統主要由加熱元件和電路組成，其中加熱元件是最重要的部分。常見的加熱元件有可變電阻加熱元件和恒定電阻加熱元件，前者通常稱為PTC（positive temperature coefficient）（圖-16-46），后者則是通常由金屬加熱絲組成的加熱膜（圖-16-47），譬如硅膠加熱膜、撓性電加熱膜等。

圖16-46 平板式PTC加熱器

PTC由于使用安全、熱轉換效率高、升溫迅速、無明火、自動恒溫等特點而被廣泛使用。其成本較低，對于目前價格較高的動力電池來說，是一個有利的因素。但是PTC的加熱件體積較大，會占據電池系統內部較大的空間。

圖16-47硅膠加熱膜、撓性電加熱膜

絕緣撓性電加熱膜是另一種加熱器，它可以根據工件的任意形狀彎曲，確保與工件緊密接觸，保證最大的熱能傳遞。硅膠加熱膜是具有傳統金屬加熱器無法比擬的柔軟性的薄形面發熱體。但其需與被加熱物體完全密切接觸，其安全性要比PTC差些。加熱膜另一明顯缺點是電池被加熱溫度較難控制。

4.5 動力電池熱管理系統的重量考慮

動力電池能量密度和成本是電池包最關注的指標。2016年4月，工業和信息化部、國家發展改革委、科技部聯合印發了《汽車產業中長期發展規劃》。規劃的新能源領域的階段性目標是：（1）到2020年，鋰離子動力電池單體比能量〉300Wh/kg；系統比能量爭取達到260Wh/kg；成本<1元/瓦時.（2）到2025年，新能源汽車占汽車產銷20%以上，動力電池系統比能量達到350 Wh/kg。同年發布的《節能與新能源汽車技術路線圖》也提到了純電動汽車動力電池的比能量目標是2020年350Wh/kg， 2025年是400Wh/kg， 2030年是500Wh/kg。

動力電池管理系統中，冷板、液體工質、換熱器、導熱界面材料、泵、加熱片等都屬于熱設計的直接控制范疇，其重量可能占到整個電池包的30%甚至更多，電池包中熱管理相關物料重量的考量和對產品競爭力的影響比常規的3C產品要明顯得多。熱設計師在充分關注溫度的同時，必須嚴格把握熱管理系統所占用的空間和重量，確保整體設計的合理性。

參考文獻(全部)

[1] 柏立戰, 林貴平, 張紅星. 環路熱管穩態建模及運行特性分析[J]. 北京航空航天大學學報, 2006, 32(8):894-898.

[2] IEC GUIDE 117 -- Electrotechnical equipment – Temperatures of touchable hot surfaces Appendix A, 2010.

[3] Tang, Heng, Tang, et al. Review of applications and developments of ultra-thin micro heat pipes for electronic cooling[J]. Applied Energy, 2018, 223:383-400.

[4] 張炯.4G/5G 融合，促進網絡演進發展.https://www.zte.com.cn

[5] 中興通訊.中興通訊5G高頻基站產品榮獲2017中國設計紅星獎.

http://www.sohu.com/

[6] 饒中浩, 張國慶. 電池熱管理[M]. 北京: 科學出版社,2015;

[7] Ramadass P., Haran B., White R., et al. Capacity fade of Sony 18650 cells cycled at

elevated temperatures Part II. Capacity fade analysis[J]. Journal of Power Sources, 2002,

112(2): 614-620.

[8] 宋劉斌. 鋰離子電池（LPF）的熱電化學研究及其電極材料的計算與模擬.中南大學博士學位論文.2013；

[9] 梁金華. 純電動車用磷酸鐵鋰電池組散熱研究. 清華大學碩士學位論文. 2011.

[10] 云鳳玲;高比能量鋰離子動力電池熱性能及電化學-熱耦合行為的研究[D];北京有色金屬研究總院;2016年

[11] Pesaran A. Battery Thermal Management in EV and HEVs:Issues and Solutions [J]. Battery Man, 2001, 43(5): 34-49.

[12] 陳愛英, 汪學英. 相變儲能材料及其應用[J]. 洛陽理工學院學報(自然科學版), 2002, 12(4):7-9.