第四篇：動力電池熱管理設計研究探討

純電動汽車的主要能量來源為動力電池系統，其性能直接影響整車的經濟性、動力性和可靠性。電動汽車與傳統燃油汽車最大的區別是用動力電池作為動力驅動，而作為銜接電池組、整車系統和電機的重要紐帶，電池管理系統(BMS)的重要性不言而喻。完善的 BMS能夠有效提高電池的利用率，防止電池出現過充電和過放電，并且延長電池的使用壽命，監控電池組及各電池單芯的運行狀態，有效預防電池組自燃，實現突發事件預警，為保障安全贏得時間。

筆者在梳理電池管理系統開發過程中的關鍵技術，為動力電池管理系統設計，測試生產提供理論基礎。計劃分為5個篇章來整理電池管理系統的開發中關鍵技術，今天首先聊一下第四篇章動力電池熱管理設計研究探討。

圖1電池管理系統開發過程中的關鍵技術

根據前幾章節可以發現電池的溫度對于電池的狀態參數估計，電池均衡策略均有重要影響。電池管理系統中合理設計電池溫控系統，對于電池的工作具有重要作用。因此我們需要從電池生熱機理，傳熱機制進行分析，然后利用單體模型構建電池包進行仿真設計，選取合適的相變材料作為電池工作中的儲熱材料，準確設計電池包散熱結構。

●動力電池的產熱機理

鋰離子電池產生的熱量一般分為四部分：反應熱、焦耳熱、極化熱、副反應熱。相關研究表面當對電池溫度低于70℃時，電池熱量主要由焦耳熱和極化熱組成，當電池溫度升高超過70℃時，反應熱大幅度增加，占電池熱量主要部分。

圖2電池熱量的主要構成

●動力電池的傳熱機理

根據熱力學第二定律可知，存在溫差的地方都有熱量傳遞，且都是從高溫物體傳遞到低溫物體，而熱量傳遞的三種基本方式為熱傳導、熱對流、熱輻射。對鋰離子電池來說，這三種熱傳遞方式均有可能存在。

圖3電池傳熱方式

鋰電池正負極材料和隔膜的多孔結構，電解液趨于靜止狀態，熱對流近乎忽略不計。電池外殼存在包裹材料而且不透明，內部與外界熱輻射非常小，電池傳導方式主要是以熱傳導為主。由于電池內部的熱傳導特性跟自身因素有關，因此我們無法改變電池內部的熱傳導；但是我們可以通過改變電池表面與外界進行熱對流的換熱介質和換熱條件，所以我們需要從電池與外界換熱方面考慮，設計更加高效的電池熱管理系統。

●單體電池熱模型建立及驗證

建立單體鋰離子電池熱模型，對于仿真電池充放電過程中實時發熱情況具有重要作用。行業內一般根據電池等效比熱容，導熱系數，密度和生熱速率進行計算電池熱物性參數。通過仿真軟件（Anasys Fluent軟件）建立鋰離子電池熱模型，模擬生熱溫度場。實驗表面，電池溫升曲線與電池放電倍率成正比，電池熱模型能夠準確仿真電池表面溫度場變化。

圖4電池充放電表面溫升試驗

●電池包散熱方式

根據傳熱介質不同，電池散熱方式主要分為空冷，液冷及相變材料冷卻等三種方式。空氣冷卻，結構簡單，沒有漏液的風險，成本較低。但是缺點在于與電池壁面換熱系數較低，加熱速度慢。液冷優點換熱系數高，冷卻速度快，體積小，但是重量大，有漏液風險，結構相對復雜。采用相變材料作為散熱介質的電池熱管理系統由于相變材料在相變時溫度保持恒定的溫度特性，可以將電池組的最大溫差控制在較小的范圍內。并且相變潛熱相對很高，少量的材料就可以存儲大量的熱，可明顯降低重量，有利于車輛的輕量化。還有一個顯著的優點就是不消耗電池能量。相變材料已然成為動力電池散熱的一種理想介質。

目前針對新型輕質形狀穩定復合相變材料，主要成分有石蠟，膨脹石墨，高密度乙烯，碳纖維等，目前針對相變材料的發展方向存在兩個趨勢：

◎采用調整成分比例進行提升導熱材料效率。

◎優化相變材料的布置及強度，例如通過3D打印蜂窩結構增加強度，并保證在結構優化后不改變相變材料的導熱率。

總結：

1.基于相變材料的電池熱管理系統有很多優點，但是相變材料的潛熱存儲有限，在極端情況下，電池產熱無法繼續吸收，造成熱失控。因此各大電池廠商常用和液冷散熱相結合方式進行。

2. 進一步提高 BMS安全性能和故障診斷技術，安全性能包括熱管理的安全和電池高壓安全，如何更穩定的控制電池內部熱均衡，防止對車輛和駕駛人員造成傷害，尤其在車輛受到外力沖擊作用下，對電池管理安全性能，還需要大量的試驗研究，當以上問題措施失效時，電池管理系統能夠及時有效做出判斷和預警保證人員和車輛的安全性，都將是重點研究方向。

審核編輯 ：李倩