1緒論II動力電池及電池?zé)岚踩匝芯楷F(xiàn)狀國內(nèi)外文獻(xiàn)綜述1.1動力電池研究現(xiàn)狀動力電池也被稱為二次電池，是純電動汽車的主要能量載體和動力來源，在整個(gè)電動車的生產(chǎn)中占有重要地位。根據(jù)其發(fā)展歷史，大致可以分為四個(gè)階段：鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子電池和燃料電池。這四類電池的主要性能比較見表1-1。電池已經(jīng)使用了一個(gè)半世紀(jì)。1859年法國科學(xué)家普蘭（Plante）發(fā)明了世界上首個(gè)可充電的鉛酸電池。1889-1901年間，鎳鐵和鎳鎘兩種類型的電池分別由瑞典的楊格納（Jungner）和美國的愛迪生（Edison）相繼研制出。二十世紀(jì)80年代，美國著名科學(xué)家斯坦福·歐弗辛斯基（StanfordOvshinsky）發(fā)明鎳氫電池（全名金屬氫化物鎳電池）。經(jīng)過在結(jié)構(gòu)、工藝、材料等方面多次改進(jìn)后，其性能得到了極大的提高。隨著1990年索尼公司發(fā)明的鋰離子電池（Lithium-IonBattery，LIB）的出現(xiàn)，其高比能量、低自放電、長壽命的優(yōu)點(diǎn)，極大地縮短了電池從研發(fā)到量產(chǎn)所需的時(shí)間。材料與電池生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，是推動電動車工業(yè)迅速發(fā)展的重要因素。表1-1鋰離子電池與其他二次電池的比較電池類型鉛酸電池鎳氫電池鎳鎘電池鋰離子電池工作電壓2.0V1.2V1.2V3.2~3.7V比能量小于3060~8050100~250循環(huán)壽命300次左右500次左右500次左右大于1000次20℃下自放電率4~8%20~30%10~20%5~10%工作溫度-30~60℃-20~50℃-20~50℃-25~70℃記憶效應(yīng)無有有無行業(yè)生命周期成熟期后期成熟期衰退期步入成熟期優(yōu)點(diǎn)可靠性好、技術(shù)成熟、價(jià)格低廉充電速度快，高功率放電；較高能量密度，循環(huán)壽命長充電速度快，價(jià)格低，循環(huán)壽命較長充電速度快，高功率放電，高能量密度，循環(huán)壽命長缺點(diǎn)不能快速充電，低能量密度，體積教大，循環(huán)壽命短價(jià)格較高，具有一定的記憶效應(yīng)，充放電效率差有記憶效應(yīng)，低能量密度，價(jià)格較高，當(dāng)強(qiáng)烈碰撞或溫度過高時(shí)，穩(wěn)定性差溫度對動力電池性能和壽命有較大的影響，理論上動力電池的最佳工作溫度為25~45℃，電池組內(nèi)各模塊的溫度相差不超過5℃。動力電池在工作狀態(tài)下，特別是大工況、大電流放電的情況下，會產(chǎn)生過熱，并可能伴隨著燃燒、爆炸等危險(xiǎn)，需要對電池進(jìn)行熱管理措施，保證動力電池處于安全溫度范圍內(nèi)。鋰離子電池的以上優(yōu)勢使其在實(shí)際應(yīng)用中得到了廣泛的使用，具有較好的應(yīng)用前景，所以本文選擇了鋰離子電池作為研究對象。LIB在充放電時(shí)，內(nèi)部會產(chǎn)生各種電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生大量熱量，再加上電池包內(nèi)的空間比較封閉，電芯排列緊密，內(nèi)部的熱量極易積聚，導(dǎo)致電池溫度上升，安全性和工作效率均降低。因此，需要對動力電池包的熱管理系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化，以保證電池包的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。電池包是純電動車的心臟，對其熱管理系統(tǒng)的研究對于推動電動車的成熟發(fā)展有著重要的作用。1.2電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)研究現(xiàn)狀新能源汽車是近幾年全球矚目的熱點(diǎn)，現(xiàn)在正進(jìn)入電動汽車（EVs）和混合動力汽車（HEV）時(shí)期。盡管由于鋰離子電池能量密度高，在EVs和HEV中得到了廣泛的應(yīng)用，但它的熱安全問題仍然是一個(gè)新的挑戰(zhàn)。采用高效的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)（batterythermalmanagementsystem，BTMS），可以保證鋰離子電池在較佳的工作環(huán)境下進(jìn)行工作，從而提高其安全性能和使用壽命。當(dāng)前，國內(nèi)外眾多企業(yè)都在采用與高校、科研院所等合作的方式對鋰離子電池的熱管理系統(tǒng)進(jìn)行研究，以實(shí)確?，F(xiàn)鋰離子電池在最佳的溫度范圍內(nèi)工作，主要包括以下三方面：（1）要確定LIB工作時(shí)合理的溫度區(qū)間；（2）因?yàn)長IB由許多模塊組成，而多個(gè)電芯又組成每個(gè)模塊，所以必須保證各個(gè)電芯之間的溫度均勻；（3）由于LIB在低溫環(huán)境下容量易衰減，從而對純電動汽車的續(xù)航能力有較大影響，因此動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)必須保證LIB在低溫環(huán)境下能迅速地保持在合適的工作溫度范圍內(nèi)。電池的早期研究階段，主要側(cè)重于正極和負(fù)極材料的突破，而忽略了熱量的管理。隨著電池容量的增加和溫度對電池的熱安全性和效率的影響，電池的熱管理成為了一個(gè)主要的發(fā)展趨勢。不同環(huán)境條件及工況下，電池包的溫度波動很大，需要保證電池放電后產(chǎn)生的熱量能夠及時(shí)散出。而BTMS正是基于LIB理想的工作溫度范圍，根據(jù)其本身的電化學(xué)原理和相關(guān)的產(chǎn)熱機(jī)制，將傳熱學(xué)、電化學(xué)、材料學(xué)、流體力學(xué)、分子動力學(xué)等作為理論依據(jù)，采用不同的散熱方式，以實(shí)現(xiàn)對LIB溫度的控制。BTMS按其所采用的制冷介質(zhì)是否需要外部能量進(jìn)行輔助冷卻，以及是否受外界環(huán)境的干擾，可將其劃分為有源（主動式）冷卻和無源（被動式）冷卻。主動式冷卻是指在冷卻過程中，系統(tǒng)不受外界環(huán)境溫度的干擾，能夠根據(jù)實(shí)際散熱需求向制冷系統(tǒng)提供額外功率進(jìn)行消耗，從而達(dá)到有效的冷卻效果，主要有風(fēng)冷、液冷和直冷；被動式冷卻則無需消耗額外的功率，但受外界溫度影響較大，如相變材料冷卻。目前，BTMS通過控制冷卻介質(zhì)的溫度來保持電池溫度均勻性的方式主要有：風(fēng)冷、液冷、相變材料冷卻、熱管冷卻和多方式耦合等。（1）風(fēng)冷系統(tǒng)風(fēng)冷也稱空氣冷卻，是一種最常見的制冷方式，即將空氣作為傳熱介質(zhì)，利用氣流將外部低溫的空氣進(jìn)入電池包內(nèi)部通道，在流經(jīng)電池表面時(shí)與電池進(jìn)行熱交換，以熱對流和熱傳導(dǎo)的方式帶走電池表面的熱量，再以此為循環(huán)，不斷地對電池包進(jìn)行降溫，從而保證電池在充放電時(shí)處于一個(gè)合適的溫度區(qū)間。根據(jù)有無動力源驅(qū)動的情況，可以將其分成兩種：自然風(fēng)冷和強(qiáng)制風(fēng)冷，具體形式如下圖1-2所示。（a）自然對流冷卻（b）強(qiáng)制對流冷卻圖1-2風(fēng)冷系統(tǒng)采用自然對流冷卻的方式對結(jié)構(gòu)簡單的電池組有很好的散熱作用，可減少電池管理系統(tǒng)的成本，且不需要額外的散熱部件，但對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、數(shù)量多的電池組，其運(yùn)行效率就會下降。而強(qiáng)制對流冷卻是一種外加強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)，并根據(jù)需要增加了輔助裝置，從而換熱效果比自然對流好，但其整體耗能增加。按照空氣流道結(jié)構(gòu)，可將其分為兩類：串行式和并行式，其結(jié)構(gòu)如圖1-3所示。（a）串行流道（b）并行流道圖1-3兩種風(fēng)冷系統(tǒng)在串行通風(fēng)時(shí)，冷空氣從動力電池組的左側(cè)風(fēng)道進(jìn)入，依次流經(jīng)單個(gè)動力電池，在此過程中不斷被高溫的電池加熱，帶走其表面熱量后，從右側(cè)流出。由于入口處空氣流速較快，而出口處空氣流速和散熱面積較小，且空氣經(jīng)過動力電池組前部模塊后積聚了一定的熱量，因此，模塊左側(cè)電池的散熱效果比右側(cè)的好，電池組出口處溫度高于入口處溫度，電池組溫度分布均勻性較差。并行通風(fēng)時(shí)，冷空氣同串行一樣從左側(cè)進(jìn)入動力電池組并從右側(cè)流出，不同的是其空氣流道由設(shè)計(jì)成楔形的引流板組成，使冷空氣可以同時(shí)從各單體電池間的間隙中平行流過，氣流在各單體電池間分布均勻，有利于保持動力電池組內(nèi)溫度的一致性。所以，并行通風(fēng)系統(tǒng)在風(fēng)冷電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中應(yīng)用較廣。AhmadA.Pesaran等人研究發(fā)現(xiàn)，串行風(fēng)冷系統(tǒng)容易導(dǎo)致電池包內(nèi)的溫度分布不均勻，而并行通風(fēng)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)每個(gè)電池模塊的表面氣流流量大致相等，散熱效果優(yōu)于串行系統(tǒng)，但其流道設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，同時(shí)，流道的寬度、流速以及流道形狀等因素也會影響風(fēng)冷散熱的效果。Wang等采用模擬和試驗(yàn)的方法，探討了采用不同電池組結(jié)構(gòu)對風(fēng)冷散熱的影響。Xu等通過對電池的排列方式和進(jìn)氣位置的分析，得出了增大氣流截面面積和減少通道長度都能改善電池包的溫度均勻性。風(fēng)冷系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、成本低等優(yōu)點(diǎn)，許多車型都采用了風(fēng)冷方式，如豐田、奇瑞等。然而，由于空氣的低熱導(dǎo)率和低比熱容，空氣冷卻的冷卻能力受到限制，冷卻性能不佳，降低最高溫度和保持電池組溫度均勻性的能力較差，不能滿足長續(xù)航里程電動車和混合動力電動車的需求，風(fēng)冷方案已經(jīng)逐漸被淘汰。與空氣冷卻相比，液體冷卻具有更好的導(dǎo)熱性，因此，液冷系統(tǒng)更適合工程應(yīng)用中鋰離子電池和大型電池的散熱。（2）液冷系統(tǒng)液冷系統(tǒng)是指通過液態(tài)形式存在的冷卻介質(zhì)與動力電池進(jìn)行對流換熱，其中冷卻介質(zhì)通常有水、礦物油、硅基油、乙二醇等，要求該冷卻介質(zhì)具有高導(dǎo)熱性、高比熱容和較快的冷卻速度的特點(diǎn)。當(dāng)動力電池工作時(shí)，由于液體比熱容較大，其與電池表面進(jìn)行接觸可吸收電池內(nèi)部產(chǎn)生的熱量，可有效地降低電池的最高溫度，提高電池的溫度均勻性。液冷系統(tǒng)主要由動力電池、冷卻液、液體換熱器、壓縮機(jī)、泵等設(shè)備組成，和風(fēng)冷系統(tǒng)一樣，分為主動式冷卻和被動式冷卻，如圖1-4和1-5所示。圖1-4主動式液冷系統(tǒng)圖1-5被動式液冷系統(tǒng)在主動式液冷系統(tǒng)中增加了汽車空調(diào)換熱器，動力電池加熱后的冷卻液可利用汽車本身的冷媒和與空調(diào)系統(tǒng)相結(jié)合的方式與外界進(jìn)行換熱，主要能耗來自泵與制冷系統(tǒng)。而被動式液冷系統(tǒng)，是用外部空氣從換熱器中吸收掉冷卻液中的熱量，其作用原理是：冷卻液流經(jīng)動力電池組后，會產(chǎn)生較高的溫度，然后由泵將其送到換熱器，直接與外界空氣進(jìn)行熱交換，冷卻后，再次流經(jīng)電池組進(jìn)行冷卻，主要能耗來自泵與風(fēng)扇。因此，在整個(gè)液冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，由于對動力電池模組的冷卻，其它裝置增長的能量消耗也必須考慮。根據(jù)電池表面是否直接接觸到冷卻液，冷卻系統(tǒng)可以劃分為直接接觸型和間接接觸型，如圖1-6所示。圖1-6液冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖直接接觸是指在電池的表面涂上一層冷卻液，這樣可以使電池的內(nèi)部溫度相差不大，但是由于冷卻液直接接觸到電池，會導(dǎo)致電池發(fā)生泄漏，因此對冷卻液的要求較高，需要為有機(jī)液體且具有良好的絕緣性能，增加了電池管理系統(tǒng)的成本。間接接觸式則避免了電池漏電的風(fēng)險(xiǎn)，且更容易實(shí)現(xiàn)，通過將金屬板（冷板）或冷管布置在電池組之間進(jìn)行散熱。目前，間接接觸式已經(jīng)被廣泛提出和研究，冷板常常被用于方形鋰離子電池；散熱管因其較為離散大多應(yīng)用于圓柱形鋰離子電池。本文選用冷板作為研究對象，冷卻液通過流經(jīng)具有內(nèi)置冷板的通道后帶走熱量，且擁有較高的流動速度，如圖1-7所示。圖1-7冷板散熱原理Chen等研究了采用風(fēng)冷、直接接觸式和間接接觸式三種方法來實(shí)現(xiàn)單體鋰離子電池的降溫，發(fā)現(xiàn)采用間接接觸式液冷的系統(tǒng)電池的溫度升高較少；當(dāng)系統(tǒng)容積相同時(shí)，雖然間接接觸式系統(tǒng)散熱能略遜于直接接觸式，但其使用范圍更廣。LanChuanji等開發(fā)了一套微型冷板式電池管理系統(tǒng)。通過三維建模、數(shù)值模擬，對方形鋰離子電池的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行研究，分析其通道數(shù)目、冷卻液進(jìn)口流量、冷卻液流向和周圍溫度等因素對電池在放電時(shí)的溫度的影響。研究發(fā)現(xiàn)，液體流動方向?qū)ι嵝阅苡绊懖淮?，隨著入口流量的增大，散熱性能越好。JarrettA等對液冷系統(tǒng)中的冷板進(jìn)行了設(shè)計(jì)與優(yōu)化，使用流體動力學(xué)（CFD）對蛇形通道冷板進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明：通道寬度越大，冷板的平均溫度、壓力損失越小。并根據(jù)結(jié)論增加流道寬度和變化冷板位置等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，協(xié)調(diào)了流速和換熱面積等大小，從而改善電池的溫度均勻性。目前市場上的汽車電池包大部分采用液冷散熱系統(tǒng)，例如美國的電動汽車品牌特斯拉，其采用S型的金屬管包裹動力電池，管內(nèi)冷卻液為水和乙二醇的混合溶液，冷卻液流動帶走熱量；國內(nèi)的品牌中，榮威電動汽車系列、蔚來ES8和前途K50也采用的是液冷散熱系統(tǒng)。雖然液冷系統(tǒng)換熱熱速度快，冷卻性能好，可以對電池及時(shí)進(jìn)行溫度控制，且不需要太多的空間，但成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、有泄露風(fēng)險(xiǎn)、運(yùn)行可靠性低，因此目前液冷系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展仍受制約。（3）相變材料冷卻系統(tǒng)相變材料（PCM）冷卻是利用填充在動力電池模塊間的相變材料在一定的環(huán)境溫度下，固態(tài)與液態(tài)之間不斷轉(zhuǎn)化的特性，來吸收或釋放大量的熱量，以降低動力電池溫度，常見的材料有石蠟、石墨等復(fù)合材料，如圖1-8所示。由于電池是浸沒在相變材料中，因此，在不同的環(huán)境下，采用相變材料冷卻系統(tǒng)可以改善電池的溫度均勻性。此外，相變材料僅依賴于其本身的相變轉(zhuǎn)化，進(jìn)行吸收和貯存熱量，且不具備散熱能力，仍需與附加的散熱系統(tǒng)耦合散熱。圖1-8相變材料冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖饒中浩等在電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中采用了相變材料冷卻，對不同放電倍率條件下電池包內(nèi)溫度分布是否均勻進(jìn)行了較為系統(tǒng)的分析，同時(shí)對影響動力電池包溫度場的相變材料的用量和換熱系數(shù)等因素進(jìn)行了深入的探討?；谳^高熱負(fù)荷下的電池管理系統(tǒng)，相變材料與液冷系統(tǒng)耦合正在成為一種不錯(cuò)的選擇。Rao和孔等提出來PCM/通道耦合冷卻系統(tǒng)，并通過有限元等方法模擬研究了各種影響因素對冷卻效果的影響。參考文獻(xiàn)[1]何洪文，雄瑞等.電動汽車原理與構(gòu)造[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2018.2.[2]江超.純電動汽車車用動力電池組熱特性研究[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2015.[3]DoughtyD,RothEP.AGeneralDiscussionofLi-ionBatterySafety[J].ElectrochemicalSocietyInterface,2012.[4]吳艾蔓.電動汽車動力鋰電池組液冷散熱系統(tǒng)的研究與優(yōu)化[D].西華大學(xué)，2020.[5]岳萌.鋰離子動力電池組液冷散熱性能分析及其協(xié)同優(yōu)化[D].湖南大學(xué)，2019.[6]中國汽車工程學(xué)會.節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2020.[7]PesaranAA,KeyserM,BurchS.AnApproachforDesigningThermalManagementSystemsforElectricandHybridVehicleBatteryPacks[J].OfficeofScientific&TechnicalInformationTechnicalReports,1999.[8]PesaranAA.BatteryThermalManagementinEVsandHEVs:IssuesandSolutions[J].BatteryMan,2001.[9]張志超.車用鋰離子電池?zé)崽匦约耙豪湫阅芊治鯷D].青島大學(xué)，2020.[10]王文豪.純電動汽車鋰離子電池液冷散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化研究[D].江蘇理工學(xué)院，2021.[11]WangT,K.J.Tseng,ZhaoJY.Developmentofefficientair-coolingstrategiesforlithium-ionbatterymodulebasedonempiricalheatsourcemodel[J].AppliedThermalEngineering,2015.[12]XuXM,HeR.Researchontheheatdissipationperformanceofbatterypackbasedonforcedaircooling[J].JournalofPowerSources