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中年|基于热管技术的锂离子动力电池热管理系统研究进展


电动汽车的发展和普及关键在于动力电池安全可靠性及其成本问题得到解决 ， 未来汽车厂商之间的竞争 ， 也主要是所装配动力电池性能的竞争 ， 动力电池是技术核心的地位将长期存在 。 目前已应用于电动汽车中的动力电池主要有铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池 。 铅酸电池最早应用于电动汽车中 ， 但由于其高污染和低能量密度等特点已逐渐被市场淘汰 。 镍氢电池的应用比较成熟 ， 为现代电动汽车的主流电源 。 新兴的锂离子电池则以其能量密度高、循环寿命长、自放电率低、无记忆效应、无污染等优点得到越来越多汽车产商的关注和青睐 。
Alvani-Soltani 的研究指出 ， 温度的不均匀分布或温度变化过大等因素会导致电池的早期损坏与热失控 ， 甚至引发安全事故 。 因此锂离子电池的热安全问题限制了其在电动汽车中的广泛应用 ， 因而更迫切地需要能够对电池模块热行为进行控制与管理的热管理系统 。
现已应用锂离子动力电池的部分电动汽车品牌及其电池类型可整理如表 1 。

由表 1 可以看到 ， 目前应用的锂离子电池组总电压高 ， 单体电池电流大 。 实际应用中 ， 动力电池表面的热流密度一般在 103～104 数量级 ， 属于高热流密度的电子元件 ， 亟需高效的散热技术对其进行控制和管理 。 与此同时 ， 与一般电子元件不同 ， 应用于电动汽车中的电池由多达数十数百个电池串并联连接共同工作 ， 电池温度过高会引发漏液、失效、着火等情况 ， 严重时还会发生剧烈燃烧或爆炸 ， 引发安全事故和人身伤亡 。 其后果严重性是一般电子散热问题无法比拟的 ， 应当予以高度关注 。
1常用热管理技术
动力电池热管理的研究工作始于 20 世纪末 。 近年来 ， 电动汽车的快速发展对电池动力性能提出了新的要求 ， 电池热管理的需求也日益迫切 。 根据采用的传热介质 ， 主要有基于气体、液体、相变材料或其几种方式耦合的电池热管理系统 。
1.1 空气冷却技术
由于空气廉价易得 ， 且对电池没有腐蚀也不影响电池内部的电化学反应 ， 应用空气作为换热流体 ， 对电池进行散/加热成为最简易的一种热管理手段 ， 也是目前电池热管理系统研究中最多的一种冷却方式 。
目前对空气冷却式热管理系统的研究主要包括电池排列方式、电池间距、风道、风速或风量等因素对系统热管理能力的影响 。

天津大学 Xun 等对平板型和柱形电池进行风冷散热通道的设计 ， 主要考虑冷却通道的紧凑度和散热效率 ， 运用 Fluent 和解析法分别计算并对比了相关结果 。 墨尔本大学 Fan 等运用 Fluent 分析板式电池的排列间隔及风量大小对于电池散热效果的影响 ， 研究了常规等间距排列情况 ， 并提出不均匀间距设计和单面迎风设计方案 。 韩国 Hyundai 公司的 Park Heesung运用数值模拟方法对混合动力汽车的风冷式电池热管理系统进行风道设计 ， 模拟结果表明 ， 非同侧进出口位置的设计能有效地降低电池模块的最高温和单体间的温度差异；附加通风口设计能有效降低压降 ， 提高空气流速使得散热更充分 ， 电池模块的温度分布更均匀 。 Park Sungjin等运用数值分析方法 ， 考察电池组排列方式对热管理系统的总耗能影响 ， 分析结果表明 ， 紧密排列的小间距宽扁型电池组模块类型总耗能最小 ， 所需冷却风量也最小 ， 达到耗能和风量要求的最优化设计 。

但随着锂离子的电池热负荷越来越大 ， 传统的强制空冷也已逐渐不能满足要求 。 对于大规模的锂离子电池来说 ， 由于其热导率较低 ， 电池排列紧密 ， 电池箱体空间有限 ， 热传导的弛豫时间较长 ， 仅用空气冷却是不够的 。 Wu等通过实验和仿真指出 ， 锂离子电池组靠自然对流并不有效 ， 强制对流能在一定程度上缓和电池温度的升高 ， 但单体间的温差很大 。 Sabbah 等也指出采用风冷系统时电池单体的温差较大 。 其次 ， 由于自然对流情况下 ， 风的换热系数很小 ， 因而实际应用时通常需要增加辅助设备 ， 如风机、风扇等 ， 从而使得散热结构过于庞大和复杂 。 Nelson 等详细讨论了风冷系统在混合动力汽车上的应用 ， 提出风冷系统耗能高 ， 增加了额外的动力设备；同时需要设计单体电池之间的平行风道 ， 增加了系统的复杂性 ， 降低了其有效的能量密度 。


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