饒中浩張國慶◎編著38篇，是ThermalScience等多個SCI期刊的編委和審稿人。中發(fā)明專利19項，授權(quán)專利19項?？茖W(xué)出版社能源與動力分社聯(lián)系電話價：78定價：78.00元饒中浩張國慶編著熱管理系統(tǒng)熱質(zhì)傳遞規(guī)律、熱管理材料熱性能等方面實驗研究和數(shù)值模擬的重要結(jié)論。員和工程技術(shù)人員閱讀和參考。電池?zé)峁芾?BatteryThermalManagement/饒中浩，張國慶編著.一北I.①電…Ⅱ.①饒…②張…Ⅲ.①電池-研究IV.①TM911中國版本圖書館CIP數(shù)據(jù)核字(2015)第126879號責(zé)任編輯：范運年/責(zé)任校對：郭瑞芝責(zé)任印制：張倩/封面設(shè)計：銘軒堂http://www.sciencep2015年7月第一版開本：720×10001/16電動汽車、新能源和能源互聯(lián)網(wǎng)是戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，三大產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)都是可充電電池，因此，動力電池和儲能電池將成為另一個大產(chǎn)業(yè)。電池的種類很多，但從能量密度、循環(huán)壽命、成本、環(huán)境和能源效率擇。電池的電化學(xué)性能、安全性和可靠性等性能等都顯著受到溫度的影響，而鋰離子電池尤其如此。因此，研究電芯、模塊和電池系統(tǒng)的產(chǎn)熱和吸熱行為，以及不同溫度環(huán)境下的電池性能，從而設(shè)計合理的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，對于電動汽車等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。電池?zé)峁芾硐嚓P(guān)研究工作可追溯到30年前，最近幾年因為電動汽車和新能源的快速發(fā)展又受到廣泛關(guān)注。電池?zé)峁芾砑夹g(shù)有風(fēng)冷、液體冷卻、熱電冷卻、熱管冷卻以及相變材料等多種方式，各有特點，急需對這些研究工作進(jìn)行系統(tǒng)分析和該書的編著者及其團隊多年來致力于電動汽車電池研究及工程化工作，是國內(nèi)最早開展電池?zé)峁芾淼难芯繄F隊之一，其研究工作得到了國內(nèi)外同行的廣泛關(guān)注。希望通過這本書的出版，能在一定程度上滿足動力電池和儲能電池技術(shù)發(fā)展的需求，對從事電池成組技術(shù)開發(fā)的研究人員和工程技術(shù)人員提供借鑒和參考。陳立泉中國科學(xué)院物理研究所研究員(中國工程院院士)電動汽車之所以成為國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，這是因為“發(fā)展新能源汽車是我國從汽車大國邁向汽車強國的必由之路”(習(xí)近平語);是減少對石油進(jìn)口的依賴，提高國家戰(zhàn)略安全的需要；也是改善環(huán)境，提高人們健康水平的保障。我是一名電力工作者，對電網(wǎng)巨大的峰谷差所造成的危害深有體會：它嚴(yán)重影響電網(wǎng)與電廠的安全和經(jīng)濟性。它也象上下班高峰期堵車一樣，成為世界性難題。電動汽車可以幫助電網(wǎng)調(diào)峰，這對我國和全世界都具有戰(zhàn)略性意義。但是，電動汽車推廣應(yīng)用較為困難，動力電池就是關(guān)鍵制約因素之一。動力電池不但影響電動汽車的使用性能和經(jīng)濟性能，而且目前所使用的鋰離子電池還存在燃燒和爆炸的隱患，因此，電池的安全問題已成為當(dāng)前急需解決的焦點和熱點。該書從深層次剖析電池溫度對電池的影響，同時提出電池溫度控制的解決辦法，這對推動電動汽車與電池的發(fā)展具有深遠(yuǎn)的影響。從上個世紀(jì)90年代開始，廣東工業(yè)大學(xué)的張國慶教授長期堅持電動汽車及電池與電池組的研究、試驗和生產(chǎn)，具有十分豐富的經(jīng)驗和扎實的理論基礎(chǔ)。近年來，他又同中國礦業(yè)大學(xué)教授饒中浩合作，取得多項研究成果和專利。該書就是他們的經(jīng)驗總結(jié)和研究成果的結(jié)晶，具有一定的科學(xué)價值。相信該書的出版，可供電池和電動汽車及儲能的研究與生產(chǎn)和使用的人員學(xué)習(xí)和借鑒，同時也可以作為電化學(xué)和電動汽車及能源與電力等專業(yè)的參考書籍。中國工程院院士羅紹基電池?zé)峁芾?batterythermalmanagement)相關(guān)研究工作的出現(xiàn)，至今已有30余年的歷史，尤其是在近十幾年，隨著電動汽車的快速發(fā)展，動力電池?zé)岚踩珕栴}也日益突出，電池?zé)峁芾碇饾u成為制約電池發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，在基礎(chǔ)理論和實際應(yīng)用等方面都取得了較大進(jìn)步，受到國內(nèi)外許多學(xué)者的關(guān)注。在能源短缺和環(huán)境污染等問題的壓力下，節(jié)能與環(huán)保已成為全社會的共識。電動汽車由于在節(jié)能和減排方面優(yōu)勢明顯，已受到國內(nèi)外的重視。發(fā)展電動汽車，關(guān)鍵是動力電池，而大部分電池的電化學(xué)性能和循環(huán)壽命受溫度的影響顯著,溫度過高或過低均不利于電池性能的發(fā)揮。溫度過高，電池容易出現(xiàn)過熱、燃燒、爆炸等安全問題；溫度過低，電池?zé)o法放電或放電深度較淺。因此，合理的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，對于延長動力電池循環(huán)壽命，進(jìn)而推動電動汽車的發(fā)展，具有重要意義。與電子芯片等的散熱不同，電池?zé)峁芾淼闹饕康募劝ㄍㄟ^散熱(或冷卻)降低電池的溫度，同時還須減小電池組/包/模塊內(nèi)部不同單體電池之間的溫差，在低溫環(huán)境下，還包括對電池進(jìn)行加熱或保溫。因此，對電池?zé)峁芾淼难芯?，涉及電池的產(chǎn)熱與熱量分布規(guī)律、電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計與組裝、電池組/包/模塊熱量的傳遞與分布等多個方面。經(jīng)過多年的發(fā)展，電池?zé)峁芾硪呀?jīng)成為涵蓋傳熱學(xué)、電化學(xué)、材料學(xué)等多個學(xué)科背景的重要領(lǐng)域，在促進(jìn)上述學(xué)科的應(yīng)用和發(fā)展方面發(fā)揮著重要作用。隨著電池?zé)峁芾硐嚓P(guān)理論和技術(shù)的不斷發(fā)展，對電池進(jìn)行熱管理，既可以從電池自身材料入手，提高電池材料的耐高/低溫性能，強化電池內(nèi)部的傳熱，也可以從電池外部出發(fā)，通過空氣強制對流、液體介質(zhì)流動、相變材料包裹等方式將電池的溫度控制在適宜的范圍內(nèi)。熱管、熱電制冷、冷板等技術(shù)的發(fā)展也為電池?zé)峁芾硖峁┝诵碌乃悸?。近年來頻發(fā)的電動汽車著火、燃燒、爆炸等事故，使國內(nèi)外越來越多的學(xué)者和企業(yè)技術(shù)人員對電池?zé)峁芾懋a(chǎn)生興趣，在與電動汽車領(lǐng)域、電池領(lǐng)域以及傳熱界的學(xué)者和企業(yè)技術(shù)人員的交流中，我們深切感受到迫切需要一本專門介紹電池?zé)峁芾硐嚓P(guān)理論和技術(shù)的著作。本書正是基于這一背景而編著。書中包含了編者近十年來所取得的研究成果，同時，根據(jù)國內(nèi)外已有文獻(xiàn)，盡可能地對電池?zé)峁芾淼幕痉椒ê驮硪约八婕暗牟牧显O(shè)計、傳熱模型等知識進(jìn)行了全面介紹。本書共分9章。第1章為緒論。第2章介紹電池的產(chǎn)熱原理以及電池?zé)崃慨a(chǎn)生和傳遞的數(shù)學(xué)模型。第3～5章詳細(xì)介紹風(fēng)冷、液冷、相變材料冷卻的電池散熱方法的基本原理和常見結(jié)構(gòu)等。第6章詳細(xì)闡述電池?zé)峁芾碛孟嘧儾牧系闹苽?、強化傳熱方法以及材料多尺度熱質(zhì)傳遞研究的方法。第7章重點介紹基于幾種常見熱管的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)。第8章介紹采用微通道換熱器的空調(diào)、熱電制冷、沸騰冷卻等其他制冷原理的電池散熱方式。第9章介紹低溫環(huán)境下電池加熱或保溫的幾種方法。在本書完稿之際，作者衷心感謝導(dǎo)師——廣東工業(yè)大學(xué)張國慶教授和華南理工大學(xué)汪雙鳳教授。研究生劉臣臻、趙佳騰、霍宇濤、王圖制作、文字校對等方面提供了很多幫助，在此一并表示感謝。作者的研究工作還得到了國家自然科學(xué)基金(項目編號：51406223)和江蘇省自然科學(xué)基金(項目編號：BK20140190)的支持，并得益于中國礦業(yè)大學(xué)良好的工作環(huán)境。此外，衷心感謝本書參考文獻(xiàn)中所列的全體作者。饒中浩 1.2汽車節(jié)能與新能源汽車 2 3 1.5電池?zé)峁芾硌芯窟M(jìn)展 91.5.1電池?zé)峁芾硇阅芤笈c分類 91.5.2基于耐溫電池材料的熱控 1.5.3以空氣為介質(zhì)的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng) 1.5.5基于相變傳熱介質(zhì)的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng) 2.1.1Li-ion電池產(chǎn)熱行為 2.1.2SEI的分解 2.1.3電解液分解 2.1.4正極分解 2.1.5負(fù)極與電解液的反應(yīng) 2.1.6負(fù)極與黏合劑的反應(yīng) 273.2被動式與主動式 283.3.1串行通風(fēng)方式 293.3.2并行通風(fēng)方法 31 363.5電池排列方式 3.6單體電池結(jié)構(gòu)的影響 第4章液冷式電池散熱 404.1概述 404.2被動式和主動式 414.3直接接觸式與間接接觸式 424.4液冷式電池散熱效果 424.5夾套結(jié)構(gòu)液冷系統(tǒng) 43 43 44 454.6板式液冷系統(tǒng) 46 47 4.7其他液冷系統(tǒng) 第5章基于相變材料的電池?zé)峁芾?585.1概述 5.2基本原理 5.3PCM性能要求 5.4動力電池的基本類型 5.5基于PCM散熱的圓柱形動力電池系統(tǒng) 5.6PCM導(dǎo)熱系數(shù)對方形動力電池的散熱影響 67 5.7幾種典型的PCM電池?zé)峁芾硐到y(tǒng) 71 74 765.8影響系統(tǒng)性能的主要參數(shù) 76第6章相變材料的制備與性能 78 6.2電池?zé)峁芾碛肞CM 826.3PCM強化傳熱 82 6.4PCM膠囊 946.5PCM的分子動力學(xué)模擬 97 第7章基于熱管的電池散熱 7.1概述 7.2熱管冷卻基本原理 7.3熱管內(nèi)流動工質(zhì)選擇 7.4熱管性能要求 7.5熱管的相容性及壽命 7.6熱管的工作條件 7.7幾種典型熱管的電池散熱管理系統(tǒng) 7.8相變材料與熱管耦合散熱 第8章其他電池散熱方式 8.1概述 8.2微通道換熱器空調(diào)冷卻 8.3熱電制冷 8.4沸騰冷卻 第9章低溫環(huán)境電池的加熱 9.2常規(guī)空氣加熱 9.3相變材料加熱 9.4電加熱 9.5帕爾帖效應(yīng) 參考文獻(xiàn) 隨著社會的不斷進(jìn)步和經(jīng)濟的快速發(fā)展，全球性能源短缺以及環(huán)境污染等問題日益嚴(yán)重。能源與環(huán)境問題已經(jīng)成為危及國家安全的戰(zhàn)略問題，直接影響著人受金融危機的影響，2008年和2009年全球的石油消費量略有下降，但在2010年旋即出現(xiàn)回升，2013年達(dá)到41.85億噸。中國是石油消費增長最快的國家，2013年石油消費量首次突破5億噸，達(dá)到5.074億噸，其中進(jìn)口原油約2.83億噸，對外依存度達(dá)55.77%。預(yù)計到2020年，中國石油對外依存度將達(dá)到56%~60%。表1-1給出了2003～2013年石油消費量。中國/百萬噸比例/%9交通行業(yè)作為資源占用型和能源消耗型行業(yè)，其年石油消費量約占全球石油消費量的50%,私人交通工具95%都依賴于石油。在中國，交通能耗占社會總能耗的比例已從1980年的5%上升到近兩年的20%,且年石油消費量占全國石油總消費量的50%,而人均石油可采儲量只有世界平均水平的11%。至2010年年底，全國石油累計探明地質(zhì)儲量為312.8億噸，僅可采15年。同時，中國已成為僅次于美國的第二大石油消費國。隨著中國石油對外依存度的不斷提高，石油安全將成為制約經(jīng)濟和社會發(fā)展的重要因素。另外，伴隨著交通行業(yè)能源消耗而產(chǎn)生的排放源于交通行業(yè)的占28%,其中二氧化碳排放源于交通行業(yè)的占34%,主要的城市氣體污染物來自交通行業(yè)的占36%～78%,交通耗油占全國石油消費量的因素是其高昂的能源價格。Offer等6對汽油、氫氣、電三種能源2030年的價格進(jìn)行了預(yù)測，預(yù)測結(jié)果見表1-2,雖然這種預(yù)測可能不十分準(zhǔn)確，但是隨著科學(xué)技術(shù)會促使私家車用戶將更多的目光投入新能源能源類別2030年最低汽油/(G·J-1)氫氣/(G·J-1)電/(G·J1)考慮到汽車市場的快速增長對石油消費的預(yù)期需求，從2001年起，中國就開始著政策，計劃到2030年將城市交通中燃油汽車的數(shù)量削減一半左右，到2050年在城汽車消費稅、傳統(tǒng)燃油汽車重量等方面進(jìn)行了較大幅度的調(diào)整，其適用對象包括2000年以來，世界汽車工業(yè)發(fā)展迅猛，至2010年，全球汽車保有量已逾10億輛，預(yù)計到2030年，全球汽車保有量將增至16億輛。2011年中國汽車保有量已經(jīng)突破1億輛，是2000年的6.58倍(表1-3)。到2020年，中國汽車的保有量或?qū)⑼黄?億輛。快速發(fā)展的汽車工業(yè)已成為交通行業(yè)石油消耗的主要領(lǐng)域，2008年中國車用燃油(汽油和柴油)的消耗量占石油總消耗的比例已從2000年的17.8%增長到33%左右14]。其中，中國汽車的汽油消費量約占汽油生產(chǎn)量的86%,柴油的消費量約占柴油生產(chǎn)量的24%,汽車節(jié)能迫在眉睫。車的發(fā)展。而新能源汽車無疑將成為未來汽車發(fā)展的必然趨勢。其中，純電動汽車(electricvehicle,EV)和混合動力汽車(hybridelectricvehicle,HEV)由于在能量效率和降低排放方面具有比傳統(tǒng)車輛更好的優(yōu)勢，因而得到世界范圍內(nèi)的普遍是僅有的能替代內(nèi)燃機的零排放車輛(zeromissionsvehicle,ZEV)[15]。電動汽車車排放量的2%、76%、56%和9%[16。如果采用可再生能源為電動汽車電池供氧化碳的排放量可以減少20%～40%[18]。為促進(jìn)EV和HEV等電動汽車的發(fā)展，許多國家都積極采取各種措施。中度關(guān)注新能源汽車的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。美國從2009年起投入25億美元支持電動汽車相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，計劃在2015年前部署100萬輛電動汽車上路[19]。德國投入近5億歐元用于電動汽車發(fā)展，預(yù)計2020年電動汽車產(chǎn)量將達(dá)到100萬輛，2030年超過500萬輛。英國投入2.5億英鎊用于支持電動汽車產(chǎn)業(yè)建設(shè)，到2016年電動車或占英國汽車市場的20%。到2020年，世界電動汽車總量將達(dá)到1100萬輛。世界電源研究所(electricpowerresearchinstitute,EPRI)估計平均200萬輛電動車每天可節(jié)約60000桶汽油，每年可減少市區(qū)廢氣排放量160000噸。以2020年中國汽車保有量2億輛計算，若使用電動汽車，可以節(jié)約石油4613萬噸，替代石油4443萬噸，兩者相當(dāng)于將汽車用油需求削減32.4%。由于最具前景的氫燃料電池汽車技術(shù)問題短時間內(nèi)難以突破，加上美國政府自2012年起計劃終止無公害柴油基金項目(clean-dieselgrantprogram),并將停撥氫燃料電池汽車的研發(fā)經(jīng)費，預(yù)計在2040年之前，汽車節(jié)能將主要依靠發(fā)展非如表1-4所示。電池類型閥控鉛酸電池VRLA,valve-regulatedlead-Ni-MH,nickel-metalHydriNa/NiCl2,sodium/nickelchlorLi-Al/FeS,lithium-aluminum/ironmonos鉛酸電池是最早用于電動汽車的可充電電池，為適應(yīng)正在浮現(xiàn)的世界電動汽Honda和Toyota等在內(nèi)的多家著名汽車公司都開始著手研發(fā)基于Ni-MH電池的EV和HEV[23]。其中，Toyota生產(chǎn)出世界上第一輛商用HEV,GeneralMotors生產(chǎn)的EV1所使用的Ni-MH電池一次充電行駛里程達(dá)225km。Li-ion電池能量密度是鉛酸電池的4～5倍、Ni-MH電池的2倍，且電壓是Ni-MH由于近年來對環(huán)保的要求越來越高，含重金屬的Ni-Cd電池、鉛酸電池的使用逐漸受到限制，Ni-MH電池使用大量的有色金屬以及生產(chǎn)工藝受限，再發(fā)展空間輕40%～50%,體積減小20%～30%,而當(dāng)前影響Li-ion電池在電動汽車中普及的主要問題是成本。雖然目前Li-ion電池成本高于其他電池，但是，預(yù)計在不久的將來，Li-ion電池的成本有望下降到Ni-MH電池的2/3。美國于2008年組建國家Li-ion電池制造聯(lián)盟，隨后5年投入10～20億美元以形成大規(guī)模制造Li-ion電池的能力。日本最大工業(yè)電子集團日立公司計劃到2015年將Li-ion電池產(chǎn)能擴大70倍。德國從2012年起啟動了一項3.6億歐元的車用鋰電池開發(fā)計劃，幾乎所有德國汽車和能源巨頭均攜資加入。在中國，深圳比克電池有限公司在天津投資10億元專業(yè)生產(chǎn)磷酸亞鐵鋰動力電池；2013年12月，天津力神電池股份有限公司投資40億元在新能源汽車電池項目，從事包括汽車動力電池在內(nèi)的Li-ion電池和新能源材料、超級電容器等的研發(fā)生產(chǎn)和銷售，規(guī)劃5億A·h動力電池電芯裝配產(chǎn)能；2014年，總投資25億元的鋰電池項目落戶靈寶，項目建成后具有年產(chǎn)7億A·h電池、7000噸磷酸鐵鋰正極材料、3000噸石墨負(fù)極材料的生產(chǎn)能力；2013年10月31日財政部公示Li-ion電池隔膜補貼項目，加大扶持力度。預(yù)計至2018年，全球Li-ion電池的總需求量將超過38500萬kW·h,與2013年相比，增加6倍以上，被譽為綠色電源的Li-ion電池市場前景十分樂觀。由于電池充放電過程中的電化學(xué)反應(yīng)都是在特定的溫度范圍內(nèi)才能夠發(fā)生，這意味著電池運行的環(huán)境溫度范圍是特定的，表1-5給出了幾種典型的動力電池的特性以及運行許可的溫度范圍。電池類型電壓/V2自放電率(室溫)/%53運行溫度范圍/℃過熱、燃燒、爆炸等安全問題一直是動力電池研究的重點。熱量的產(chǎn)生與迅速積聚必然引起電池內(nèi)部溫度升高，尤其在高溫環(huán)境下使用或者在大電流充放電時，可能會引發(fā)電池內(nèi)部發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生大量的熱，如果熱量來不及散出而在電池內(nèi)部迅速積聚，電池可能會出現(xiàn)漏液、放氣、冒煙等現(xiàn)象，烈燃燒甚至爆炸(圖1-1)。無論傳統(tǒng)的鉛酸電池，還是性能先進(jìn)的Ni-MH、Li-ion動力電池，溫度對電池整體性能都有非常顯著的影響。一般來說，溫度主要影響動(1)電化學(xué)系統(tǒng)運行；(2)充放電效率；(3)電池的可充性；(4)電池的功率和容量；(5)電池的可靠性和安全性；(6)電池的壽命和循環(huán)次數(shù)。溫度升高，電池內(nèi)阻減小，電池效率提高。但溫度的升高，又會加快電池內(nèi)部有害化學(xué)反應(yīng)速率，進(jìn)而破壞電池。一般來說，溫度上升10℃,化學(xué)反應(yīng)速率增大一倍。Ni-MH電池在45℃條件下工作時，其循環(huán)壽命縮短60%[35;高倍率充電1.8A·h)Li-ion電池的循環(huán)性能進(jìn)行了研究，結(jié)果如表1-6所示，電池在25℃和45℃時工作800個循環(huán)之后，電池容量分別下降31%和36%;當(dāng)工作溫度為50℃時，600個循環(huán)后電池容量下降60%;工作溫度為55℃時，500個循環(huán)之后，容量下降70%。Sarre等[39]的結(jié)果表明，Li-ion電池在40℃循環(huán)22個月后(放電深度80%),容量只是衰減了4%。Wu等[40將Li-ion電池充滿電后分別在25℃和60℃環(huán)境中放置60天后，在室溫中放置的電池容量從800mA·h衰減到790mA·h,而在60℃環(huán)境中放置的電池，容量衰減到680mA·h。當(dāng)容量衰減率為30%時，Li-ion電池在45℃時循環(huán)壽命為3323次，而在60℃時僅為1037次[41]。對于及Li-ion動力電池最佳的工作溫度范圍是25～40℃,電池模塊之間溫度差小生的熱量往往使位于電池模塊內(nèi)部的單體電池溫度上升到100℃,在過充時甚至達(dá)到199℃,比表面溫度高了93℃[47]。產(chǎn)生的高溫可能會引燃周圍的易燃材料從而溫度/℃放電區(qū)間循環(huán)溫度/℃10220.1%3很小456池內(nèi)外溫度差異以及散熱局限，電池組內(nèi)不同模塊以及電池模塊內(nèi)部各個單體電動力電池在電動汽車中的應(yīng)用，一般要綜合考慮溫度對電池性能和循環(huán)壽命的影響，以確定電池最優(yōu)工作范圍，并在此溫度范圍內(nèi)獲得性能和壽命的最佳平衡。無論電池內(nèi)部各部分之間的電化學(xué)阻力還是電子傳導(dǎo)阻力，在充放電時流(相當(dāng)于幾百安培),很小的電池內(nèi)部阻抗就可能引起很大的熱量放出。另外，在低溫情況下(如小于0℃),電池充放電能力都會降低，可能的原因包括電解液受凍凝固等[49,50]。對于部分地區(qū)，冬季氣溫常低于-20℃,電池基本不能放電或放電深度較淺。對特斯拉ModelS、Leaf以及Volt三種不同車輛的跟車調(diào)查結(jié)果如圖1-2和圖1-3所示，可見在同樣的運行工況下，電池組溫度對電動汽車的續(xù)航里程影響較大5。溫度過高或者過低都不利于動力電池的性能發(fā)揮[52。為延長動力電池壽命，關(guān)閉空調(diào)溫度高于20℃為冷氣溫度低于20℃為暖氣—▲—v=90km·h10溫度/℃Volt443輛溫度/℃下對電池進(jìn)行散熱、低溫條件下對電池進(jìn)行加熱或保溫，以提升電動汽車整車1.5.1電池?zé)峁芾硇阅芤笈c分類電池?zé)峁芾硎歉鶕?jù)溫度對電池性能的影響，結(jié)合電池的電化學(xué)特性與產(chǎn)熱機理，基于具體電池的最佳充放電溫度區(qū)間，涵蓋材料學(xué)、電化學(xué)、傳熱學(xué)、分子動力學(xué)等學(xué)科背景，以解決電池在溫度過高或過低情況下工作而引起熱散逸或熱失控問題，提升電池整體性能。隨著電動汽車等動力系統(tǒng)對電池動力性能要求的日益提升，電池?zé)峁芾淼男枨笠苍絹碓狡惹?。基于前述分析，電動汽車動力電池系統(tǒng)溫度導(dǎo)致的問題主要包括以下三個方面。(1)電池在高溫環(huán)境中運行時熱量的散逸不及時以及大電流放電時產(chǎn)生的熱量迅速堆積聚而形成的高溫，都會降低電池循環(huán)性能，甚至引起燃燒、爆炸等直接損壞電池的安全問題。(2)電池單體產(chǎn)熱不均衡、電池模塊各電池之間溫度分布不均衡以及電動汽車整個電池組各模塊之間、各電池之間溫度的分布不均衡，都會降低電池組整體壽命，影響整車動力性能和壽命。(3)低溫環(huán)境電池冷啟動效率低，電池放電深度與電動汽車動力性能不匹配，進(jìn)而制約電動汽車在高寒地區(qū)以及冬季的應(yīng)用與發(fā)展。電動汽車電池動力性能與循環(huán)壽命的提升，對電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)提出如下要求[36,53,54]。(1)保證單體電池最適宜的工作溫度范圍，避免單體電池、電池模塊和電池組整體或者局部溫度過高，能夠使電池在高溫環(huán)境中有效散熱、低溫環(huán)境中迅速加熱或者保溫。(2)減小單體電池尤其是大尺寸單體電池內(nèi)部不同部位的溫度差異，保證單體電池溫度分布均勻。(3)減小電池組內(nèi)部不同電池模塊之間的溫度差異，保證電池組整體內(nèi)部的溫度分布均勻。(4)滿足電動汽車輕型化、緊湊性的具體要求，安裝與維護簡便，可靠性好且成本低廉。(5)有害氣體產(chǎn)生時的有效通風(fēng)，以及與溫度等相關(guān)參數(shù)相一致的熱測量與監(jiān)控。與電池?zé)峁芾碛嘘P(guān)的工作最早見于20世紀(jì)80年代[55.56,但在1998年之前，由于電池普遍用于小型化的設(shè)備中，電池?zé)峁芾硐嚓P(guān)工作鮮有報道[57-60]。1999年之后，動力電池?zé)釂栴}日益突出，電池?zé)峁芾硐嚓P(guān)工作開始系統(tǒng)化。美國國家可再生能源實驗室(NationalRenewableEnergyLaboratory,NREL)以及伊利諾理工大學(xué)(IllinoisInstituteofTechnology,IIT)都將電池?zé)峁芾淼难芯抗ぷ髯鳛橹攸c方向之一。2001年，基于IIT的電池?zé)峁芾砑夹g(shù)，Al-Hallaj和Selman等成立專門為各種電動車提供電池?zé)峁芾斫鉀Q方案的AllCell公司。經(jīng)過十余年的發(fā)展，電池?zé)峁芾碇饕纬梢韵聨追N技術(shù)5?63]。(1)研究基于電池結(jié)構(gòu)的耐溫電池材料，包括耐高溫材料以及低溫電極材料、電解液材料等。(2)以空氣為介質(zhì)的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)。(3)以液體為介質(zhì)的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)。(4)基于相變傳熱介質(zhì)/材料的電池?zé)峁芾怼?6)上述兩種或幾種方式的耦合。溫安全性。Yoshizawa等[66合成了一種鎂鋰鈷氧化物并制成Li-ion電池進(jìn)行測試，結(jié)果顯示，電池在0、-10℃、-20℃下1C放電，放電容量分別是23℃時的84%、63%和33%,電池在100℃下擱置5h后，容量依然能保持95%,電池的熱穩(wěn)定性隨著充電容量增加。Wang和Sun[67用4-異丙基苯基二苯基磷酸酯(4-iso-液/C電池的熱性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，IPPP含量分別為5%和10%時能提高電池安全性能。Arai等合成了Li?DFB,在60℃下充放電，Li?DFB顯示出比LiPF?電池更好的熱穩(wěn)定性和循環(huán)性能，雖然單純的LiPF?材料在180℃時都顯示出比較好的穩(wěn)定40℃和50℃下具有比室溫下更高的充放電能力，但是當(dāng)溫度上升到70℃時，其電電解液基礎(chǔ)上添加阻燃劑、研究新型不燃或者低燃電解液都是提升Li-ion電池?zé)釋τ陔姌O材料，主要目的是提高其導(dǎo)熱系數(shù)，加快電池內(nèi)部熱量向外部空間傳遞速率，減少熱量在電池內(nèi)部的積累。Zahran[80,81]通過添加銅和鋁的方式對碳電極的導(dǎo)熱性能進(jìn)行了增強研究。Maleki等[82]研究了由石墨、聚偏氟乙烯做成的Li-ion電池的導(dǎo)熱系數(shù)，結(jié)果表明，電池的導(dǎo)熱系數(shù)與石墨尺寸、PVDF和C-black的含量有關(guān)，PVDF含量從10%增加到15%,其導(dǎo)熱系數(shù)增加11%~電極材料、電解液材料熱穩(wěn)定性的提升，都是以犧牲電池容量為前提的。達(dá)到3800W·kg?1,且電池在80℃下擱置20000h不出現(xiàn)電解液的泄漏，但是，他們也指出其電池長時間在高溫環(huán)境下儲存的問題依然是亟待解決。從傳熱學(xué)角度講，導(dǎo)熱系數(shù)增加(如10%左右)對于電池?zé)崃可⒁萦绊懖⒉幻黠@，如果換用添加電池容量和動力性能是并行的指標(biāo)。因此，通過改進(jìn)電池材料來加速電池?zé)崃繑U理將會是一種更為有效的方式。傳熱介質(zhì)對熱管理系統(tǒng)的性能和成本有重大的影響。采用空氣作為傳熱介質(zhì)就是直接把空氣導(dǎo)入使其穿過模塊以達(dá)到熱管理的目的。圖1-4給出了空氣作為介質(zhì)對電池進(jìn)行冷卻或者加熱時的原理。圖1-4空氣冷卻或加熱原理[83]了周圍環(huán)境)或者是主動式(組裝在系統(tǒng)內(nèi)部的、能夠在低溫情況下提供熱源或在等。高溫環(huán)境下電動車電池只需冷卻，而不必對其進(jìn)行加熱；相反，在寒冷環(huán)境中(溫度約為-10℃或以下),大多數(shù)電池的能量和功率都降得很低，車輛性能嚴(yán)重衰退，這就需要使用加熱系統(tǒng)，以確保正常工作。對于EV,由于沒有發(fā)動機對電池組進(jìn)行加熱，電機散發(fā)出來的熱以及功率較大的車內(nèi)電子電器產(chǎn)生的熱均可加以利用。而對于HEV,發(fā)動機可以提供熱源，只是它必須經(jīng)過一定的時間延遲(5min以上)才能使電池加熱到理想工作溫度，故需要給電池加設(shè)相應(yīng)的加熱裝冷系統(tǒng)或發(fā)動機冷卻介質(zhì)進(jìn)行冷卻。然而，使用制冷技術(shù)會導(dǎo)致電池能量消耗增加，這與用混合動力技術(shù)來提高其能量經(jīng)濟性相矛盾。當(dāng)今學(xué)者通過模擬以及實冷卻法的廣泛應(yīng)用，對于大規(guī)模的鋰離子聚合物電池，由于其導(dǎo)熱率低，熱傳導(dǎo)的弛豫時間長，僅用空氣冷卻無法滿足要求。便成為可能。液體冷卻系統(tǒng)主要分為主動式液體冷卻系統(tǒng)和被動式液體冷卻系統(tǒng)。主動式液體冷卻系統(tǒng)中使用汽車自身制冷裝置，電池?zé)崃客ㄟ^液體與液體交換形式送出；被動式液體冷卻系統(tǒng)中采用液體與外界空氣進(jìn)行熱交換的方式將電者把模塊沉浸在電介質(zhì)的液體中，也可把模塊直接布置在加熱(或冷卻)液體中。施以免發(fā)生短路。在模塊壁和傳熱介質(zhì)之間進(jìn)行傳熱的速率取決于液體的熱導(dǎo)傳熱速率遠(yuǎn)高于空氣，因為后者有比較薄的邊界層和較高的導(dǎo)熱率。但由于油具相變材料(phasechangematerial,PCM)是指隨溫度變化而改變形態(tài)并能提供潛熱的物質(zhì)。相變材料由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)或由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)的過程稱為相變過程，這時相變材料將吸收或釋放大量的潛熱。相變材料可分為空間領(lǐng)域。電子裝置和儲能裝置中的主動式或被動式冷卻系統(tǒng)以及電子器件散如圖1-5所示，利用PCM作為電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)時，把電池組浸在PCM中，PCM吸收電池放出的熱量而使溫度迅速降低，熱量以相變熱的形式儲存在PCM中。PCM的相變潛熱和相變溫度是選擇PCM的兩個重要參考指標(biāo)。石蠟具有PCM;在石墨中充填PCM來提高導(dǎo)熱性；在PCM中添加碳纖維或碳納米管等。研究結(jié)果表明，這些方法可以在很大程度上提高PCM的熱導(dǎo)率和整體性能。第2章電池的產(chǎn)熱原理及模型2.1.1Li-ion電池產(chǎn)熱行為電動汽車動力性能的提升需要高能量、高功率或者大尺寸的電池組與之相適應(yīng)，而動力電池的安全問題，又是動力電池在電動汽車中應(yīng)用和普及的關(guān)鍵[84]。動力電池在充放電過程中，電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)復(fù)雜。以Li-ion電池為例，其電池內(nèi)正極反應(yīng)LiMO?→Li-MO?+xLit+xe或負(fù)極反應(yīng)電池反應(yīng)或復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)大多伴隨熱量的產(chǎn)生，其中，Li-ion動力電池的主要產(chǎn)熱反應(yīng)外，由于電池內(nèi)阻的存在，電流通過時，也會產(chǎn)生部分熱量。各溫度下具體的產(chǎn)熱行為見表2-1。溫度范圍/℃熱量/(J·g-1)說明Li?C?+電解質(zhì)吸熱溫度范圍/℃熱量/(J·g?1)說明吸熱Lio.3NiO?與電解質(zhì)的分解釋氧溫度T=200℃Lio.45CoO?與電解質(zhì)的分解釋氧溫度T=230℃Lio.1MnO?與電解質(zhì)的分解釋氧溫度T=300℃溶劑與LiPF?能量較低Li?C?與PVDF吸熱2.1.2SEI的分解Li-ion動力電池的負(fù)極有一層SEI,SEI由穩(wěn)定層與亞穩(wěn)定層組成，其絕緣結(jié)構(gòu)主要起保護作用，避免負(fù)極材料與電解液發(fā)生反應(yīng)。當(dāng)溫度為90～120℃時，SEI便因為不穩(wěn)定而發(fā)生分解。這時，亞穩(wěn)定層就有可能發(fā)生放熱反應(yīng)。Maleki等[95使用差示掃描量熱儀(differentialscanningcalorimetry,DSC)研究了碳化鋰和電解液的反應(yīng)，在100℃附近觀察到SEI的分解；而Zhang等[87使用DSC發(fā)現(xiàn)：SEI在130℃開始分解放出熱量，而不受嵌鋰程度的影響。Richard等[96使用加速度量熱儀(acceleratingratecalorimetry,ARC)測定了由SEI的分解而產(chǎn)生的放熱峰，測得的峰值與碳極嵌鋰量有關(guān)。在LiBF?電解液中，自加熱曲線中沒有放熱峰，在LiPF?電解液中，放熱峰的形狀和特性取決于溶劑的種類，這說明SEI的分解特性與電解液的成分有關(guān)。所以，通過控制電池溫度，可避免電池溫度過高而導(dǎo)致電池失效甚至燃燒爆炸等。2.1.3電解液分解(1)電解液的熱分解。(2)電解液在負(fù)極表面的化學(xué)還原。(3)電解液在正極表面的化學(xué)氧化。(4)正極和負(fù)極的熱分解。(5)隔膜的溶解以及引起的內(nèi)部短路。其中，前三個反應(yīng)直接與電解液有關(guān)，所以電解液的熱安全性直接影響著整個Li-ion電池動力體系的安全性能。有研究表明，Li?Mn?O?與電解液反應(yīng)的放熱量發(fā)現(xiàn)無論在碳酸丙烯酯(propylenecarbonate,PC)中還是在碳酸乙烯酯(ethylenecarbonate,EC)中，無論LiPF?還是LiCIO?,碳酸二乙酯(都比碳酸二甲酯(dimethylcarbonate,DMC)的活性大，在230～280℃的反應(yīng)放熱分別是375J·g?1和515J·g?1。循環(huán)的Li-ion電池材料，充電電壓較高會使正極材料超過200℃而使化學(xué)反應(yīng)發(fā)LiCoO?與電解液的反應(yīng)熱是265J·g?1。Venkatachalapathy等[92通過研究發(fā)現(xiàn)，Li?Nio.8Coo.2O?的反應(yīng)熱為642J·g?1,Li?CoO?的反應(yīng)熱為381J·g?1。實際運行狀態(tài)，電解液的組成對于熱失控起始溫度也有著關(guān)鍵性的影響，其中相對效力、SEI的溶解性以及有機溶劑的反應(yīng)活性可能起很大的作用。Richard等[96使用DSC和ARC研究了嵌鋰石墨在電解液中的熱穩(wěn)定性。由嵌鋰的碳負(fù)極所引起電解液的還原反應(yīng)發(fā)生在210～230℃范圍內(nèi)，其反應(yīng)熱和SEI轉(zhuǎn)化過程產(chǎn)生的熱相當(dāng)。有機電解液在有機溶劑和鉀鹽組分上的不同，也會直接影響碳負(fù)極上的熱反EC/DEC(33:67)電解液的嵌鋰碳電極MCMB直接加熱至150℃(其溫度通常被公認(rèn)為大部分商品化Li-ion電池?zé)崾Э氐钠鹗贾?,負(fù)極將以100℃·min?1的速度進(jìn)行自加熱[96,所以知道在電解液存在下嵌鋰碳負(fù)極的普遍自加熱行為，對于預(yù)測一個實際Li-ion電池的初始自加熱過程是非常有用的。典型的負(fù)極包含質(zhì)量比為8%～12%的黏合劑，Li?C?與黏合劑的反應(yīng)熱隨負(fù)極鋰化程度呈線性增加。通過X射線分析反應(yīng)產(chǎn)物，發(fā)現(xiàn)LiF是主要的無機產(chǎn)等報道了LiC?與PVDF的反應(yīng)熱為1.32×103J·g?1,反應(yīng)開始時的溫度是為1.50×103J·g?1,應(yīng)在350℃時結(jié)束。2.2電池產(chǎn)熱量與速率計算池極化引起的能量損失用Qp表示；電池內(nèi)存在著副反應(yīng)，典電池平均產(chǎn)熱速率(W)=產(chǎn)生的熱量(J)/循環(huán)時間(s)用數(shù)學(xué)公式表示為(1)電池的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)。(2)荷電的初始狀態(tài)和終止?fàn)顟B(tài)。(3)電池的初始溫度。(4)充電和放電的速率以及模式。當(dāng)電池類型確定后，需要考察上述(2)～(4)的影響，設(shè)計實驗進(jìn)行測量和計算。例如，一個電池模塊以1C放電從100%荷電態(tài)(SOC)到0%荷電態(tài)，循環(huán)時間為3600s,測定出過程放出熱量之后就可以計算熱產(chǎn)生速率。通過電池產(chǎn)熱速率的測量也可以測定電池在充電、放電或充電放電循環(huán)過程中的能量效率，為此，需要測定出充電時輸入電池的電能和放電時電池輸出的熱容量指加熱或冷卻1kg電池物質(zhì)使其升高或降低1℃所需要的能量，單位為去或獲得的熱量Q,則電池的熱容量為2.3電池?zé)崃康臄U散熱輻射主要發(fā)生在電池表面，與電池表面材料的性質(zhì)相關(guān)，用斯特藩-玻耳茲曼(Stefan-Boltzmann)定律表示為為電極等溫面對Li-ion動力電池，電池內(nèi)部受熱輻射與熱對流影響較小，主要由熱傳導(dǎo)決定，電池自身吸收的熱量取決于電池材料的比熱容，電池溫升與電池自身材料的比熱容成反比。表2-2給出了18650型(容量為1.35A·h)Li-ion電池在不同放電倍率下產(chǎn)熱量q以及在不同工作溫度范圍下的散熱量qa,其中qace為電池自身吸收熱量。可知，電池的熱量因為散熱不及時而用于自身溫度升高導(dǎo)致qace增大。因此，通過電池的散熱，增大qa的值，降低Qac的值，可以降低電池內(nèi)部工作溫度。一分析電池?zé)嵝袨楹蜔彡P(guān)系效果的研究方法有很多，最常用的是實驗和數(shù)值模擬的方法，其中數(shù)值模擬方法最常用的是計算流體力學(xué)(computationalfluiddy-namics,CFD)和有限元法(finiteelementmethod,FEM),電池?zé)嵝袨榈臄?shù)學(xué)模型或稱數(shù)值模型，一般由如下三部分組成：①能量守恒方程；②簡化的或復(fù)雜的電池產(chǎn)熱方程；③邊界條件方程，包括線性/非線性的、熱傳導(dǎo)/對流換熱/輻射換熱等。目前許多電池?zé)崮Ｐ陀脕砻枋鰷囟容喞蛘哂脕眍A(yù)測溫度隨時間的變化情況，Catherino[1077構(gòu)建了用于研究鉛酸電池?zé)崾Э匦袨榈臒釘?shù)學(xué)模型，Inui等[108]基于Li-ion電池數(shù)值模型精細(xì)地模擬了二維和三維的圓柱形和方形Li-ion電池，并得到電池內(nèi)部的溫度分布。用于研究電池?zé)嵝袨榈臄?shù)學(xué)模型有很多，但主要包括以下幾種：(1)集中參數(shù)電池?zé)崮Ｐ停?2)簡化的一維熱數(shù)學(xué)模型；(3)一維熱電化學(xué)耦合模型；(4)圓柱形電池二維瞬態(tài)傳熱模型；(5)Li-ion電池三維熱濫用模型；(6)二維Li-ion電池CFD模型。集中參數(shù)電池?zé)崮Ｐ妥畛跤擅绹鴩铱稍偕茉磳嶒炇业腟teveBurch提式(2-14)中的電池周圍空氣溫度Tar為Al-Hallaj等[110運用一種簡化的一維集中參數(shù)熱式(2-22)求得熱功率Q′可表示為Al-Hallaj假設(shè)在t=to時刻T=T,即電池的初始溫度等于環(huán)境溫Forgez等111同樣運用一維熱模型預(yù)測了LiFePO?/石墨Li-ion電池的熱響了由72個單體電池組成的電壓為276V、容量為6A·h的HEVLi-ion電池組的電解液(充電)固體(充電)公式求得eff=εsσWu等[113]運用圓柱形電池二維非穩(wěn)態(tài)傳熱模型模擬了Li-ion電池內(nèi)部的溫Wu等利用數(shù)值模擬結(jié)果與實驗對比分析了自然對流冷卻、強制對流冷卻以及熱初始時刻T=T,t=0,0<r<R,0<z<Z。圖2-2為利用二維非穩(wěn)態(tài)模型所模擬出來的電池溫度在不同放電電流下隨SOC的變化情況。Kim等的模型主要側(cè)重于電池產(chǎn)熱急劇加大情況下的熱失控行為，特別是其中的42V的電動汽車系統(tǒng)上深入研究了模型的可靠性，不同環(huán)境溫度和循環(huán)次數(shù)下電池最高溫度和最低溫度如表2-3所示。環(huán)境溫度/℃最高溫度/℃最低溫度/℃Kim等116以容量為10A·h的方形鋰聚合物電池，建立了二維的CFD模型，式中，a;(i=0,1,2,3,4,5,6)為實驗所得常數(shù)，式(2-48)和式(2-49)中的DOD電池產(chǎn)熱量為綜合式(2-18)和式(2-19),可以得出電池模型中的能量守恒方程Kim等根據(jù)式(2-53)所建立的能量守恒方程，模擬了方形電池在放電過程中的熱行為，模型如圖2-3所示，模擬結(jié)果與實驗結(jié)果之間的誤差在低倍率放電時較小，而在放電倍率增大時，逐漸增大。第3章風(fēng)冷式電池散熱以空氣為介質(zhì)對動力電池進(jìn)行熱管理，就是讓空氣橫掠電池組，以帶走或帶來熱量，達(dá)到散熱或加熱的目的。采用空氣為介質(zhì)的電池散熱方式，又稱風(fēng)冷式散熱。根據(jù)是否需要電動汽車提供輔助能量分為主動式和被動式兩種散熱方式，也可根據(jù)空氣在電池組外的流動成因，分為自然對流與強制對流兩種散熱方式。對于風(fēng)冷式散熱系統(tǒng)，可與整車行駛特性設(shè)計相結(jié)合，依據(jù)車速形成的自然風(fēng)，將熱量帶走，也可通過風(fēng)扇與風(fēng)機產(chǎn)生強制氣流通風(fēng)，對電池進(jìn)行散熱。根據(jù)并行通風(fēng)效果更好。同時，風(fēng)冷式散熱還受流道厚度等的影響[119]?？紤]到成本與汽車空間的具體要求，風(fēng)冷式散熱一般被當(dāng)成電動汽車電池散熱的首選[120]。ToyotaPrius電池組采用的是根據(jù)Pesaran等建議的并行通風(fēng)風(fēng)冷式散熱，根據(jù)美國國家可再生能源實驗室的測試數(shù)據(jù)，其電池組所用的Ni-MH電池在25℃環(huán)境下工作時，最高溫度能控制在45℃以下，電池溫差控制在5.0℃以下[121]。Mahamud和Park[122]針對Li-ion(LiMn?O?/C)電池設(shè)計了一種往復(fù)式風(fēng)冷式散熱系統(tǒng)，電池溫差下降4℃,且與普通的單向流風(fēng)冷式散熱系統(tǒng)相比，在120s時電池最高溫度降低了1.5℃。在國內(nèi)，與電池散熱有關(guān)的工作主要集中在風(fēng)冷式散熱。焦洪杰等[123]研制了并聯(lián)式HEV用Ni-MH電池通風(fēng)冷卻裝置。樓英鶯[1了HEV用36V梅花形電池組，并結(jié)合實驗與數(shù)值模擬對風(fēng)冷式散熱特性進(jìn)行了研究。梁昌杰[125]對Ni-MH電池的溫度場均勻性進(jìn)行了實驗與數(shù)值研究，其電池組最大溫差由20.4℃下降到4℃,最高溫度由65℃下降到53.45℃。許超[126]對混合動力客車(SWB6116HEV)的LiFePO?電池包散熱進(jìn)行了研究，并提出了在電池包尾部增加風(fēng)扇、改進(jìn)擋板、拓寬電池間冷卻風(fēng)道等方式來強化散熱效果。(1)結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量相對較??；(2)沒有發(fā)生漏液的可能；(3)有害氣體產(chǎn)生時能有效通風(fēng)；(4)成本較低。被動式風(fēng)冷散熱通常指不使用任何外部輔助能量直接利用車速形成的自然風(fēng)將電池的熱量帶走。該方法簡單易行，成本低，散熱過程熱量的交換多以自然對流為主。但為了有效冷卻，電池的形狀或者電池封裝的形狀需要采用特殊設(shè)計以及主動式風(fēng)冷散熱的散熱過程的熱量交換主要是強制對流，因此，如果電池模塊周圍空間允許，可以安裝局部散熱器或風(fēng)扇，也可利用輔助的或汽車自帶的蒸發(fā)器來提供冷風(fēng)，其原理如圖3-1所示。該方法對電池的封裝設(shè)計要求有所降低，可用于較復(fù)雜的系統(tǒng)，電池在車上的位置也不受限制，對整車的結(jié)構(gòu)設(shè)計影響較小。電池箱(或稱電池組)內(nèi)不同電池單體、電池模塊之間的溫度差異，會加劇電池內(nèi)阻和熱量的不一致性，如果長時間積累，會造成部分電池過充電或者過放電，進(jìn)而影響電池的壽命與性能，并造成安全隱患。不同電池單體之間的溫度差異與電池組/模塊的布置有很大關(guān)系，一般情況下，中心部位電池溫度高，邊緣部位由于散熱條件好，溫度低。因此，在布置電池組/模塊結(jié)構(gòu)和散熱設(shè)計時，必須盡量保證各電池單體散熱的均勻性。根據(jù)通風(fēng)方式，空冷式電池散熱主要分為串行通風(fēng)與并行通風(fēng)兩種方式，其基本原理如圖3-2所示。圖3-2(a)所示為串行通風(fēng)，低溫空氣從左側(cè)進(jìn)入、右側(cè)流出電池模塊，空氣在流動過程中不斷被加熱，因此，右側(cè)電池的散熱效果比左側(cè)要差，電池溫度容易出現(xiàn)右側(cè)高于左側(cè)的情況。圖3-2(b)所示為并行通風(fēng)，通過楔形的進(jìn)氣與排氣通道設(shè)計，使得各電池單體、電池模塊之間氣流平行通過，有利于空氣在不同電池單體、電池模塊間更均勻地分布。3.3.1串行通風(fēng)方式弗吉尼亞理工大學(xué)的He等[129構(gòu)建了一個串行通風(fēng)的電池模塊，如圖3-3(a)所示，該電池模塊由8塊A12326650動力電池(2.3A·h,3.3V)進(jìn)行4個串聯(lián)和2排并聯(lián)組成，最終電池模塊電壓為14.8V,容量為4.6A·h。該實驗平臺包含充放電設(shè)備，溫度、壓力、速度測量裝置，控制裝置，風(fēng)洞裝置等控制風(fēng)速大小，風(fēng)速大小范圍為0.5～30m·s-1。圖3-3(b)給出了模塊的熱電偶布置方式和相關(guān)尺寸。He等借助ANSYS/FLUENT軟件對該模塊進(jìn)行了二維數(shù)值模擬研究，該數(shù)值模型忽略了流體參數(shù)和流場在z方向的變化，CFD模型示測試區(qū)段風(fēng)的方向風(fēng)的方向外殼電池組高放電裝置計算機采集卡Hx測壓排管充電裝置氣流墻壁徹0(a)實驗?zāi)Ｐ褪疽鈭D(b)電池和熱電偶的布置意圖和網(wǎng)格劃分結(jié)果分別如圖3-4(a)和(b)所示，網(wǎng)格采用四邊形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，由于電池附近的速度梯度比較大，邊界層網(wǎng)格經(jīng)過了加密處理。ll方便進(jìn)行測量或者代價比較高的實驗方案。在這個串行通風(fēng)電池組模型中，He等用實驗測量得到了電池模塊具有代表性的溫度、空氣流速和壓力。圖3-5是他o00們的實驗與模擬結(jié)果的對比，從圖中可以看出，模擬結(jié)果與實驗吻合得很好。之后，他們用經(jīng)過驗證的數(shù)值模型模擬分析不同風(fēng)速和不同電池一殼體間距情況下的能量消耗情況，結(jié)果如圖3-6所示。從圖中可以得出，對于兩種間距情況，隨著消耗增大5個數(shù)量級，這說明優(yōu)化電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的能量消耗是重要的。電池一殼體間距為5mm時的能量消耗大于間距為17mm時的能量消耗，這是因為在相1圖3-6不同風(fēng)速和間距下能量消耗情況[129]3.3.2并行通風(fēng)方法天津大學(xué)Liu等[131]構(gòu)建了并行通風(fēng)的簡化計算模型，用于預(yù)測大型風(fēng)冷電池包的空氣流動速度和電池組溫度分布情況，這種并行通風(fēng)簡化計算模型的示意圖如圖3-7所示。圖3-7(a)表示整個大的電池組，大電池組由楔形的進(jìn)出風(fēng)道和若干個相同的電池模塊組成。電池模塊的結(jié)構(gòu)如圖3-7(b)所示。電池模塊由8個包含5個電池單體的電池單元組成，單體電池是圓柱形18650電池，同一電池單元中相鄰的兩個電池單體用板材連接，使得兩組電池單元之間夾有單獨的冷卻通道。風(fēng)道的角度θ、風(fēng)道端部最小寬度Wmin、電池單元間距l(xiāng)sp等參數(shù)作為影響速度和溫度分布的研究對象。6單元圖3-7并行通風(fēng)模型示意圖[131]這種簡化計算模型包括流動阻力網(wǎng)絡(luò)模型和瞬態(tài)傳熱模型。流動阻力網(wǎng)絡(luò)?；P(guān)系得出整個系統(tǒng)的速度分布情況；瞬態(tài)傳熱模型是利用流動阻力網(wǎng)絡(luò)模型得出的速度場計算對流傳熱系數(shù)，然后結(jié)合電池產(chǎn)熱模型得出的產(chǎn)熱量和電池單體集中參數(shù)熱模型得出電池單體、電池單元以及用Runge-Kutta算法將瞬態(tài)傳熱模型中的相關(guān)微分方程進(jìn)行離散，通過MAT-LAB軟件編程求解流動阻力網(wǎng)絡(luò)模型和瞬態(tài)傳熱模型。這種簡化計算模型的計度和溫度的均勻性隨著風(fēng)道的角度θ的增大而增大，為了使電池單元的最大溫差才能滿足5C和4C放電時的最大溫差小于5℃。增大θ和lsp這兩種參數(shù)可以降低時才能滿足5C與4C放電時的最大溫差小于5℃。比較結(jié)果表明，僅調(diào)節(jié)回風(fēng)道風(fēng)道的壓降明顯。圖3-8(d)表示電池組內(nèi)各個電池模塊的進(jìn)口流量、最高溫度和電池模塊序號韓國現(xiàn)代汽車公司的Heesung[132根據(jù)熱性能要求設(shè)計了一種特別的強制風(fēng)冷散熱模型，并用理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對不同通風(fēng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，然后進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，其基本數(shù)值模型結(jié)構(gòu)如圖3-9(a)所示，系統(tǒng)由兩排電池組構(gòu)成，每排電池組由36個電池單體和37個冷卻通道組成，整個電池組電壓為270V,儲能量為1400W·h。結(jié)構(gòu)尺寸和通風(fēng)結(jié)構(gòu)分別如圖3-9(b)和(c)所示，單體電池的表面熱流密度為245W·m?2。冷卻通道入風(fēng)入風(fēng)入口歧管出風(fēng)A冷卻通道流量分布直接影響電池組的溫度均勻性，通道結(jié)構(gòu)對流量分布至關(guān)重要，在此前提下，Park設(shè)計了五種不同的通風(fēng)結(jié)構(gòu)，如圖3-10(a)～(e)所示，第一種方案的進(jìn)風(fēng)歧管和回風(fēng)歧管都是矩形的，第二種和第三種方案的進(jìn)風(fēng)歧管和回風(fēng)歧管分別帶有一定角度，第四種方案在第三種方案的基礎(chǔ)上將出口的方向變?yōu)榉聪?，第五種方案在第三種方案的基礎(chǔ)上在右側(cè)開一個窄長孔。圖3-11(a)～(e)反映了五種不同通風(fēng)結(jié)構(gòu)的電池組的溫度分布云圖。從圖中可以看出，電池組的最高溫度直接受流過冷卻通道的流量的影響，第一種方式的最高溫度出現(xiàn)在離出風(fēng)口最遠(yuǎn)的一塊電池上，這是由于最右邊的流道空氣流量最?。坏诙N入口漸放出口漸縮的方式使得電池組的最高溫度所在地向出風(fēng)口方向移動，傳熱惡化，最高溫度比第一種方式高很多；第三種入口漸縮出口漸放的方式能大大降低最高溫度，但仍不能滿足熱設(shè)計要求，對于入口出口在同一側(cè)的情況，由于入口出口的流道壓力急劇升高，流速大大降低，傳熱性能惡化，導(dǎo)致電池組溫差較大；第四種方式能大大降低最高溫度，通過這種方式可以看出釋放遠(yuǎn)離入口較遠(yuǎn)的通道的壓力能在很大程度上提高流量分布的均勻性，進(jìn)而提高冷卻性能；第五種方式借鑒第三種方式和第四種方式，最高溫度低于第四種方式，最大溫差低于20℃的設(shè)計要求。數(shù)2(a)第一種(b)第二種(c)第三種4(d)第四種(e)第五種隨著電池模塊、電池組尺寸的增大，無論串行通風(fēng)還是并行通風(fēng)，都容易造成不同位置的電池單體之間溫差過大，而通過對進(jìn)、出風(fēng)口進(jìn)行改變，可進(jìn)一步降低不同電池單體之間的溫差。交替式通風(fēng)，主要是通過周期性調(diào)換進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口位置對電池進(jìn)行冷卻的散熱方式，其原理如圖3-12所示。通過特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計，空氣間歇式地從電池左側(cè)或右側(cè)經(jīng)過，有助于避免出現(xiàn)左側(cè)或右側(cè)溫度局部過高的現(xiàn)象。風(fēng)機風(fēng)機風(fēng)機冷空氣一熱空氣鼻(a)流動方向從右到左(b)流動方向從左到右如圖3-13所示為交替式通風(fēng)時某一排電池溫度分布的輪廓圖。假設(shè)τ為一第3章風(fēng)冷式電池散熱·37·個進(jìn)風(fēng)周期，初始時刻(t.=0),右側(cè)進(jìn)風(fēng)；t.=t/4時，改為左側(cè)進(jìn)風(fēng)；t.=t/2時，繼續(xù)保持左側(cè)進(jìn)風(fēng)；t.=3z/4時，又改為右側(cè)進(jìn)風(fēng)；t.=t時，繼續(xù)保持右側(cè)進(jìn)風(fēng)。與單側(cè)通風(fēng)相比，通過上述交替式通風(fēng)，最左側(cè)與最右側(cè)電池溫差明顯降低，減小了電池模塊內(nèi)熱量分布的不均衡性。在常見的圓柱形電池組成的電池模塊中，一般是將若干個電池單體通過串聯(lián)、并聯(lián)組成一個電池模塊，然后根據(jù)電動汽車功率輸出要求，將電池模塊按照既定排列方式組成電池組裝箱。常見的電池排列方式主要有順排、叉排與梯形排列三種(圖3-14)。順排排列是將電池順序排列配置在電池箱體內(nèi)，外部進(jìn)入的冷卻氣流將暢通無阻地穿過電池之間的縫隙。其優(yōu)點是流動阻力較小；缺點是氣流不易受到擾動而產(chǎn)生湍流漩渦，與電池體的有效接觸面積較小，對流換熱較小，因此冷卻效率不叉排排列是將沿著空氣流通方向，相鄰兩層的電池模塊彼此錯開地配置在電池箱體內(nèi)，從外部進(jìn)入的冷卻氣體通過電池之間的間隙后，會直接吹拂下一層電池的表面，然后繞過該電池體表面，流向電池兩側(cè)的間隙。其優(yōu)點是增大氣流經(jīng)過電池的擾動，提高電池表面對流換熱系數(shù)，降低熱阻，提高散熱效梯形排列是通過減少沿著氣流流通方向上的電池數(shù)目，逐漸縮小沿著流通方向上通道的截面積，逐漸增大風(fēng)速，進(jìn)而增大換熱系數(shù)。采用梯形排列方式，雖然沿著流通方向氣體流動過程溫度逐漸上升，但由于風(fēng)速逐漸增大，換熱系數(shù)增大，平衡了上下游的散熱效果，使得電池組上下游的溫度能基本控制在比較均勻的水平上[133]。隨著環(huán)境溫度升高、電池尺寸增大以及對電池功率要求的增加，采用常規(guī)風(fēng)冷式散熱系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足散熱要求。對于鉛酸電池，Choi和Yao[134]指出，依靠自然對流或強制對流并不能有效解決其溫度升高的問題。對于Li-Po電池，由于聚合物的導(dǎo)熱系數(shù)小，僅依靠風(fēng)冷式散熱系統(tǒng)無法有效解決散熱問題[135]。Nelson究時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電池處在溫暖環(huán)境下時，采用風(fēng)冷式散熱很難讓66℃的電池溫度降到52℃以下。Chen等[137]通過數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)，強制對流的強度增加到一定程度后，其Li-ion電池溫度分布的均衡性并沒得到根本改善。Harmel等[138]對Ni-MH電池進(jìn)行熱平衡分析也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)風(fēng)速增大到一定限度后，繼續(xù)增大風(fēng)速，溫度變化并不明顯。Kim和Pesaran[139]也指出了風(fēng)冷式散熱的不足。隨著負(fù)荷的增加，一般需要增加主動元件(如蒸發(fā)器、加熱芯、電加熱器或燃料加熱器等),或增加制冷系統(tǒng)、空調(diào)等的負(fù)荷，進(jìn)而增加電池組能量二次消耗，這又與效率的提高相矛因此，在小功率以及溫度環(huán)境不惡劣的情況下，優(yōu)先采用風(fēng)冷式散熱有助于降低整車成本，而當(dāng)動力系統(tǒng)需要大功率動力電池組，以及電池尺寸較大、環(huán)境溫度較高或者較低時，風(fēng)冷式散熱無法達(dá)到理想的熱管理效果，需要考慮其他熱管理方式。電池單體的結(jié)構(gòu)對散熱也有非常重要的影響，針對這一因素，Zhang等14]對四種3.2V/50A·h方形LiFePO?動力電池單體分別構(gòu)建了相應(yīng)的電池模型，如圖3-15所示。四種電池體積一樣，高度一樣，但截面周長不一樣，具體外形尺寸見表3-1。他們運用實驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究了不同放電倍率以及換熱系數(shù)情況下的電池散熱性能，并通過實驗結(jié)果優(yōu)化分析得到最佳的外部尺寸和電池大小。單體電池的尺寸和表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)對電池的散熱性能有重要的影響，3.2V/50A·h方形LiFePO?動力電池的外形尺寸為180mm×30mm×185mm時，其散熱性能相對最好；當(dāng)電池尺寸為180mm×30mm×185mm,表面換熱系數(shù)至少為20W·m-2·K-1時，單體電池的最高溫度才能有效地被控制在最優(yōu)的運行溫度外表面積/mm2第4章液冷式電池散熱采用液體為介質(zhì)對動力電池進(jìn)行熱管理，包括液體冷卻系統(tǒng)和液體加熱系統(tǒng)。液冷式電池散熱是在風(fēng)冷式散熱無法滿足預(yù)期散熱效果的背景下發(fā)展起來的。液體的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容比空氣的高，表4-1為水在不同溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)。液冷式電池散熱結(jié)構(gòu)可以分為被動式和主動式兩種情況。被動式系統(tǒng)中，液體與外界空氣進(jìn)行熱量交換，將電池?zé)崃克统觯恢鲃邮较到y(tǒng)中，電池?zé)崃客ㄟ^液—液交換的形式被送出。導(dǎo)熱系數(shù)/(W·m-2·K-1)液體為介質(zhì)時，可在電池模塊間布置管線，或圍繞電池設(shè)置夾套，也可直接把電池單體或模塊沉浸在液體中。電池和液體直接接觸時，液體可以是水、乙二醇以(1)由于液體的導(dǎo)熱系數(shù)較高，與電池壁面之間換熱系數(shù)高，散熱量大，冷卻(2)散熱系統(tǒng)體積較小，結(jié)構(gòu)簡單，符合電動汽車空間緊湊性的具體要求。液冷式電池散熱的原理如圖4-1所示。在被動式液冷系統(tǒng)中，液體介質(zhì)流過電溫度降低，被冷卻的流體(冷卻液)再次流過電池，結(jié)構(gòu)簡單系統(tǒng)中，熱流體與外界的熱量交換主要通過汽車發(fā)動機冷媒或與空調(diào)系統(tǒng)結(jié)合的方式進(jìn)行。被動式液冷系統(tǒng)的能耗主要來自泵與風(fēng)扇，而主動式液冷系統(tǒng)的能耗主要來自泵與制冷系統(tǒng)。對于電動汽車尤其是EV,空調(diào)系統(tǒng)對電池能量的消耗所占比例較大，而采用主動式液冷系統(tǒng)將進(jìn)一步增大空調(diào)對電池能量的消耗。冷卻液直接與電池接觸或在冷卻套管內(nèi)流動動力電池組動力電池組泵0外界空氣冷卻液(a)被動式冷卻液直接與電池接觸或在冷卻套管內(nèi)流動泵泵空氣從蒸發(fā)器出或制冷劑從冷凝器出回流空調(diào)換熱器液體介質(zhì)汽車發(fā)動機冷媒泵動力電池組(b)主動式由于被動式液冷系統(tǒng)主要與外界空氣進(jìn)行熱量交換，當(dāng)外界環(huán)境溫度較高時，為達(dá)到高效散熱，必須增大風(fēng)速或者換熱器面積。另外，被動式液冷系統(tǒng)不適用于環(huán)境溫度接近甚至高于電池可承受最高溫度的情況。對于主動式液冷系統(tǒng)，由于可以與空調(diào)系統(tǒng)相結(jié)合，所以受環(huán)境溫度影響小。根據(jù)電池與冷卻液體接觸方式的不同，液冷式散熱系統(tǒng)也可分為直接接觸式與間接接觸式兩種。直接接觸式液冷系統(tǒng)中，冷卻液體直接與電池或電池模塊表面接觸，所采用的冷卻液體一般是電絕緣且熱導(dǎo)率高的液體(如硅基油、礦物油),它能夠很好地解決模塊溫度均衡性問題，但是由于絕緣液體黏度較大，流速通常不高，從而限制了其換熱效果。系統(tǒng)的熱交換效率很大程度上取決于流體的熱導(dǎo)率、黏度、密度、速度間接接觸式液冷系統(tǒng)中，冷卻液體在管道內(nèi)流動，通過翅片或熱沉等介質(zhì)與電池接觸，帶走熱量，從而對電池進(jìn)行冷卻。對于圓柱形電池，也可設(shè)置成環(huán)形夾套式結(jié)構(gòu)，由于沒有絕緣要求，且沒有流速限制，所以可效果非常好。但在溫度的均衡性方面，不如直接接觸式的液冷。為了防止泄漏及與空冷式散熱系統(tǒng)相比，液冷式散熱系統(tǒng)雖然復(fù)雜，但冷卻效果好(表4-2)。電池單體或模塊和液體之間的傳熱效率與液體的熱物性(如導(dǎo)熱系數(shù)、黏度、密度以及流動速度等)都有關(guān)系。流速相同時，大多數(shù)直接接觸式液體(如礦物油)的傳熱效率遠(yuǎn)優(yōu)于空氣。由于油黏度較高，需要較大的泵送功率，因而導(dǎo)致其流速低，有效傳熱系數(shù)僅比空氣高出1.5～4倍[101]。冷卻介質(zhì)空氣間接接觸(礦物油)直接接觸(水或乙二醇)復(fù)雜低高，結(jié)構(gòu)緊湊維護電池擺放位置Pesaran36]等對產(chǎn)熱量為30W的電池模塊進(jìn)行了油和空氣冷卻的對比實驗，在空氣和油初始溫度均為25℃,電池模塊初始溫度為30℃的情況下，空氣冷卻后的電池模塊最高溫度為54℃,而油冷為45℃。Karimi和Li147]在方形電池組兩側(cè)布?xì)庾匀粚α鲗﹄姵亟M進(jìn)行冷卻；另一側(cè)則分別通入空氣、硅油和相變材料(以較大比熱容流體代替),以流體強制對流對電池進(jìn)行換熱。結(jié)果表明，在使用硅油對電池進(jìn)行冷卻之后，最接近冷卻通道的電池溫度降低了4℃。Nelson等[136]對比了聚硅酮電介質(zhì)流體和空氣的電池?zé)峁芾硇Ч?，驗證了液體介質(zhì)無論加熱還是冷卻效果都優(yōu)于空氣。對采用水冷的Ni-Cd電池，電池的熱D-Sized系列Ni-MH電池進(jìn)行了數(shù)值模擬，模擬結(jié)果顯示，當(dāng)液體(礦物油)流速為2m·s?1時，溫差控制在1℃以內(nèi)。隨著液冷式散熱的不斷發(fā)展，既有獨立于電池組的散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計，也有與整車汽車均采用液冷式散熱系統(tǒng)進(jìn)行電池?zé)峁芾?。GeneralMotorsd也已研制出液(水)冷式電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)。4.5.1系統(tǒng)工作原理對于圓柱形電池，結(jié)合套管式換熱器的結(jié)構(gòu)，可設(shè)計夾套式液冷系統(tǒng)。電池外套一層環(huán)形腔體，電池與外殼之間為液體流道，液體工質(zhì)既可與電池直接接觸，也可不與電池直接接觸，能滿足多種情況下電池的高效散熱(甚至低溫環(huán)境下對電池進(jìn)行加熱)。電池組夾套式液冷系統(tǒng)示意圖如圖4-2所示。系統(tǒng)由電池箱/組、套管式換熱自套管式換熱器下端出口出來的冷卻液體在電池模塊箱體上部管道安裝的水泵作用下，從箱體下部的分液頭分別引入每個電池模塊，在電池模塊內(nèi)部對每個電池單體進(jìn)行充分冷卻，經(jīng)過冷卻后的加熱液體再從箱體上端的分液頭匯集于回流管道，被加熱后液體通過回流管道重新回到換熱器進(jìn)行冷卻，如此循環(huán)對電池組起到持續(xù)冷卻的作用。安裝在換熱器制冷劑管道進(jìn)口處的熱力膨脹閥則感應(yīng)換熱器出口端的溫度進(jìn)行閥門開度調(diào)節(jié)，從而可以控制回流液體的冷卻程度。當(dāng)電池在不同設(shè)定溫度范圍內(nèi)工作時，溫控三通閥通過溫度傳感器采集電池模塊出口處的溫度，將該溫度值與設(shè)定溫度進(jìn)行比較并作出響應(yīng)，從而控制兩條不同管道之間的切換。系統(tǒng)中的加熱裝置是電動車在比較寒冷的環(huán)境下運行時特別設(shè)計的輔助裝4.5.2單體電池結(jié)構(gòu)在夾套式液冷系統(tǒng)中，以圓柱形電池單體作為基體，外部加裝殼體，緊密配合構(gòu)成冷卻流道，它們之間通過沿圓周均布的四條肋連接固定，同時采用絕緣膠加固，以防止電池脫落。基體與殼體共同組成電池單體結(jié)構(gòu)(圖4-3),基體與殼體之間的間隙以保證整個電池單體冷卻液體流動暢通，冷卻液體由電池單體下部流道流進(jìn)，從單體上部流道流出，持續(xù)流過電池壁面，對電池進(jìn)行冷卻149]。冷卻液體流道電池4.5.3