电池热管理文献综述.

锂电池热管理综述

摘要：动力电池作为EV/HEV上的动力元件，它对电动车的行驶里程和经济性以及加速性能都至关重要,因此任何影响电池组的参数都需要进行优化。而电池组内部温度及温度均匀性是保证电池组性能及其使用寿命的最重要前提。该文献研究了锂电池的产热机理以及它在高、低温下的充放电性能并在此基础上研究了现有的电池热管理方式。现有的冷却方式有空气对流，液体冷却，相变材料冷却，热管冷却，空调制冷，冷板冷却等，或者两种及其以上方式相互耦合的方式。目前工程技术上常采用空气冷却和液体冷却两种方式，该文献提出了循环风冷式的热管理方案。但是多种热管理方式耦合的形式是未来适用于各种工况下工作的大功率锂电池热管理的主要研究方向。

关键词：电动汽车；锂电池；发热机理；热管理；

引言

温度是制约电动汽车性能提升的关键因素，高温对动力电池有双重影响。一方面，随着温度上升，电解液活性提高，离子扩散速度加快，电池内阻减小，改善电池性能。另一方面，较高的温度会导致电极降解以及电解液分解等有害反应的发生，影响电池的使用寿命，甚至对电池内部结构造成永久性损坏。研究表明化学反应速率和温度成极数关系，温度每增加10℃，化学反应速率加倍。在45℃的环境温度下工作时，镍氢电池循环次数大约减小60％。在高倍率充电时，温度升高5℃，电池寿命减半。相反在低温环境下，由于电解液活性低，离子扩散速度较慢，电池内阻大大增加，放电容量会显著降低，充电期间内压上升较快，影响电池的使用安全。综上所述，适宜的工作温度为电池良好性能发挥的前提。因此，开发一种行之有效的电池热管理系统，设计一种稳定、高效的电池箱体、电池包的散热结构形式对于提高电池包整体性能具有重要意义。

第1章锂电池的产热机理及计算

1.1锂电池的产热机理

电池在充放电过程中都会发生一系列的化学反应，从而产生反应热。锂离子动力电池的主要产热反应包括：电解液分解、正极分解、负极与电解液的反应、负极与粘合剂的反应和固体电解质界面膜的分解。此外，由于电池内阻的存在，电流通过时，会产生部分热量。低温时锂离子电池主要以电阻产生的焦耳热为主，这些放热反应是导致电池不安全的因素。电解液的热安全性也直接影响着整个锂离子电池动力体系的安全性能。

1.2电池产热量、产热速率计算

电池的反应热用Qr 来表示；由电池极化引起的能量损失用Qp 来表示；电池内存在典型的电解液分解和自放电副反应，副反应引起的能量损失用Qs 表示；电池的电阻产生焦耳热为Qj。则，一个电池总热源可由以下公式来表示：Qa=Qr+Qp+Qs+Qj

式中：V 为平均产热速率；

Q 为电池工作时间内电池的总热量；

t 为电池工作时间。

电池的平均产热速率(W)= 产生的热量(J)/ 循环时间(s),则由以下公式表示：V=Q/t

第2章锂电池的温度特性

电池组内部的所有电池模块都必须在一个合理的环境温度下进行电化学反应。，锂离子电池因比能大、图液冷电池通循环寿命长、自放电率低、允许工作温度范围宽、低温效应好等优点是电动车目前首选的动力电池。锂电池的最佳工作范围是20～40℃，电池模块间的温度差不超过5℃

电池温度（电解液温度）升高，电池内阻降低电池效率有所提高，但是电化学反应速率加快，阴阳极板上的活性物质即会劣化，并腐蚀阳极格子，而缩短电池寿命。

电池温度太低时，会使电池蓄电容量减少，容易过度放电，进而使电池寿命缩短。同时低温条件下锂电池的充放电效率都会迅速降低（磷酸铁锂电池10℃时，放电/充电效率90%以上；-10℃时，放电效率65%，充电效率83%；而-20℃时，放电效率降至60%，充电效率降至53%）。

当温度低于0 度，锂电池是不允许充电的，因为充电会引发锂离子还原成金属锂枝晶反应，这种锂金属枝晶锐角锋利，易刺穿电池内部隔膜，引起电池内部短路。

温度过高或者过低都不利于动力电池的性能发挥。为延长动力电池寿命，提升其电化学性能以及能量效率，必须设计合理的电池热量管理系统，在高温条件下对电池进行散热、低温条件下对电池进行加热或保温，以提升电动汽车整车性能。

第3 章BTMS 传热冷却方式

电池热管理的目标是为电池模块提供一个合理且均匀的工作环境温度。另外，作为一个汽车零部件，电动车电池热管理系统还必须满足汽车厂的规范和要求：紧凑、重量轻、低成本、易安装，并且要适合不同车型、不同安装位置的特殊需求、可靠且易于使用。电池热管理系统还要考虑余热利用、适应较宽的环境条件（极热工况及极冷工况）、在电池损坏产生有害气体的时候能提供通风热管理系统可采用各类传热介质：空气、液体（水、乙二醇甚至制冷剂）、绝热材料、相变材料（石蜡中填充金属材料，石墨中充填PCM，PCM中添加碳纤维）或其他混合介质；

电池热管理系统按照能量提供的来源分为被动式冷却和主动式冷却，其中只利用周围环境冷却的方式为被动式冷却，组装在系统内部的、能够在低温情况下提供热源或者在高温条件下提供冷源，主动元件包括蒸发器、加热芯、电加热器或燃料加热器等的方式为主动式冷却。

现有的冷却方式有空气对流，液体冷却，相变材料冷却，热管冷却，空调制冷，冷板冷却，或者两种相互结合的方式。

3.1空冷

即用空气作为传热介质的冷却形式，也分自然对流和强制对流两种，自然对流很明显不能满足能量密度越来越高的锂电池散热需求。空气强制对流散热就是让电动风扇产生的运动空气流通过电池组带走热量，需尽可能增加电池间的散热片、散热槽及距离，成本低，但电池的封装、安装位置及散热面积需要重点设计。空气的流道可分为串联式和并联式通道。

陈果等构建了简化的三维模型，通过仿真结果研究得出了电池的散热特性（1）在自然冷却下热辐射占整个散热的43%~63%；（2）强化传热是降低最高温度的有效措施，但扩大强化传热的范围并不会无限地提高温度一致性。

图一

朱晓彤等采用数值模拟的方法,研究了电动汽车实际镍氢电池组结构热管理的通风冷却效果。通过对RA V-4的电池包内部结构（如图一）的建模仿真得出它内部气流流场的情况。得出结论电池组内温度能保持在MH/Ni电池最佳工作温度范围内，温差小于5℃,系统冷却效果良好。但我认为这个温差偏大，设计进风口和出风口时可以考虑并联风道，即让上下两个箱体内表面都做成斜向下倾斜的，这样能使每个单体电池周围的进风量大致相当从而减小了温差。

图二

Rajib Mahamud等为了提高温度的一致性以及散热性能采用了如图二所示的往复式空冷的热管理方法，用二维计算流体动力学（CFD）模型分析了的单体电池电池和一个流动网络模型的热模型。CFD模型计算结果表明，在往复周期为120s时可以有效减小温差4℃（减少72％），温度与单向流动相比减小了1.5℃。这种结构虽然增加了两个互相耦合的周期性开闭的开关以及对应的控制单元，但是散热效果还是有很大的提高。

Rami Sabbah进一步提出了在高放电率和在高操作或环境温度（例如40-45℃），空气冷却的热管理系统满足不了散热要求，温度一致性也变得很差，所要求的风扇以及电源费用很高。

3.2液体冷却

在一般工况下空冷即可以满足动力锂电池的散热需求，但在复杂工况下液冷比空冷性能更佳。采用液体与外界进行热交换，在电池模块间布置液体管线或围绕模块布置夹套，或者把模块沉浸在电介质的液体中。若液体与模块间采用传热管、夹套等，传热介质可以采用水、乙二醇、油、甚至制冷剂等。若电池模块沉浸在电介质传热液体中，必须采用绝缘措施防止短路。传热介质和电池模块壁之