動力電池?zé)峁芾?/h1>
leonchen 2020-01-14

環(huán)境污染問題的日漸突出，使得清潔能源成為大勢所趨，新能源汽車的需求正迅速增長。而作為能量存儲單元，電池的性能和使用壽命直接決定了電動車的性能和成本，如何提高電池的性能和壽命成為電動汽車的研究重點。

圖16-38 典型電池不同溫度、不同循環(huán)次數(shù)下容量衰減程度實驗結(jié)果（左）

Leaf 和Volt 在不同溫度下的續(xù)航里程統(tǒng)計（右）

目前，電動車輛上使用的動力電池多為鋰離子電池，且是由多個單體電池通過串并聯(lián)方式組成電池組，從而實現(xiàn)大功率充放電，滿足車輛大功率的動力要求。鋰離子電池在進行充放電時，由于轉(zhuǎn)換效率小于100%，內(nèi)部將產(chǎn)生熱量。如果散熱不及時，會導(dǎo)致電池局部溫度快速上升，電池使用壽命大大縮短，嚴重時甚至?xí)斐呻姵責(zé)崾Э兀嚢l(fā)生爆燃。當動力電池溫度過低時，電池的容量和壽命同樣會極大衰減^[6][7]。實質(zhì)上，使用燃料電池的汽車同樣面臨電池溫度敏感性問題。即所有類型的動力電池均需要溫度控制設(shè)計以保證運行效率、壽命和安全性。

圖16-39 因熱失控發(fā)生爆燃的電動車

動力電池?zé)峁芾矸桨傅脑O(shè)計步驟如下：

1) 確定熱管理系統(tǒng)的設(shè)計目標：應(yīng)用場景不同時，熱管理方案所受到的空間、重量、成本等限制也不盡相同；

2) 確定電池系統(tǒng)熱相關(guān)參數(shù)：各種場景下的發(fā)熱量，電池本身的傳熱特性，電池對溫度的敏感性；

3) 根據(jù)要求和熱學(xué)參數(shù)，選擇合適的熱控方式，并輸出首版詳細熱設(shè)計方案；

4) 根據(jù)設(shè)計方案進行打樣測試，分析測試結(jié)果，實施改進措施，并對方案中的一些自動控制策略進行驗證，迭代得到終版設(shè)計方案；

5) 整車/整電池包實際樣品測試，如有必要，對部分自動控制參數(shù)進行微調(diào)，輸出終版動力電池?zé)峁芾矸桨浮?/span>

圖16-40 動力電池?zé)峁芾碓O(shè)計步驟和各環(huán)節(jié)考慮因素

4.1 電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的目標

結(jié)合電子產(chǎn)品運行場景，電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的目標可以細化如下：

保證單體電池處于適宜的工作溫度范圍，能夠在高溫環(huán)境中將熱量及時轉(zhuǎn)移、低溫環(huán)境中迅速加熱或者保溫

1) 減小單體電池內(nèi)部不同部位之間的溫度差異，保證單體電池的溫度分布均勻；

2) 保持電池組內(nèi)部不同電池的溫度均衡，避免電池間的不平衡而降低性能；

3) 考慮極端情況，消除因熱失控引發(fā)電池失效甚至爆炸等危險；

4) 滿足電動汽車輕型、緊湊的要求，成本低廉、安裝與維護簡便；

5) 有效通風(fēng)，保證電池所產(chǎn)生的潛在有害氣體能及時排出，保證使用電池安全性；

6) 溫度等相關(guān)參數(shù)實現(xiàn)精確靈敏的監(jiān)控管理，制定合理的異常情況應(yīng)對策略。

4.2 電池?zé)釋W(xué)信息確定

任何方案的設(shè)計都需要先明確輸入信息或限制條件，其中最基礎(chǔ)的、必不可少的信息有如下三類：

1. 電池自身的發(fā)熱速率：熱管理方案的原理是通過一定手段將電池發(fā)出的熱量轉(zhuǎn)移到合適的位置來控制電池溫度，電池發(fā)熱速率決定管理方案的熱量轉(zhuǎn)移效率要求；

2. 電池的溫度要求：不同電池對溫度敏感性不同，而溫度是熱管理系統(tǒng)控制的核心參數(shù)。

3. 電池的熱物理性質(zhì)：在相同的產(chǎn)熱速率和熱管理方案下，電池本身的導(dǎo)熱系數(shù)、密度和比熱容等電池?zé)嵛镄詤?shù)對電池溫度表現(xiàn)有巨大影響。

電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的設(shè)計，實際所用到的熱設(shè)計知識，與常規(guī)電子產(chǎn)品如服務(wù)器、電源等產(chǎn)品并無本質(zhì)差異，仍需要從熱傳導(dǎo)、對流換熱、輻射換熱三個角度考量合理的熱管理方式。

4.2.1 電池發(fā)熱速率

鋰離子電池在充放電循環(huán)過程中伴隨有各種熱量的吸收或產(chǎn)生，并導(dǎo)致其內(nèi)部溫度發(fā)生變化。這些熱量包括由化學(xué)反應(yīng)熵變產(chǎn)生的可逆熱Qr，電極因極化產(chǎn)生的極化熱Qp，因電阻產(chǎn)生的焦耳熱Qj，電池本身因溫度升高而吸收的熱量Qab，電池內(nèi)部因發(fā)生副反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量Qs等^[8]。

上述各吸熱和放熱部分，可以使用如下公式示意性描述：

電池總的產(chǎn)熱量：Q = Qr + Qp + Qs + Qj + Qab

有的研究將電池的極化熱與焦耳熱之和等效為由于電池的全內(nèi)阻帶來的熱量，而電池的全內(nèi)阻則可以通過儀器測定。某些情況下，為細化內(nèi)部熱量分布，還可以使用儀器測量電池的歐姆電阻，歐姆電阻即為焦耳熱Qj的產(chǎn)生來源^[9]。

電池的發(fā)熱速率不是一個固定值。動力電池充放電過程中，電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)復(fù)雜。熱量的產(chǎn)生與電池的類型、充放電速率和工作溫度都直接相關(guān)，產(chǎn)熱機理影響因素的復(fù)雜性使得很難直接使用數(shù)值方法對電池的發(fā)熱速率進行模擬計算。下圖是50℃工作環(huán)境溫度下某LiFePO4鋰離子電池在1C充放電時電壓和熱流隨時間的變化曲線^[8]，可見其綜合熱流密度隨時間變化的復(fù)雜程度。表格中對比的該電池在不同放電倍率、不同工作溫度下的發(fā)熱量，亦表現(xiàn)出極大不同^[4]。

圖16-41 50℃工作環(huán)境溫度下CR2025型LiFePO4鋰離子電池在1C充放電時電壓和熱流隨時間的變化曲線^[8]

表16-8 不同工作環(huán)境溫度下CR2025型LiFePO4鋰離子電池在不同放電倍率下產(chǎn)熱量對比（負號表示放出熱量）^[8]

上述圖表僅表述的是LiFePO4鋰離子電池的相關(guān)實測數(shù)據(jù)，當電池類型變更，電池的放熱特點又有不同。目前，通常采用的研究方法是實驗與數(shù)值模擬相結(jié)合：首先使用試驗方法測量典型電池在某些典型溫度、不同充放電速率下的產(chǎn)熱速率，獲得的測試數(shù)據(jù)通過擬合物理控制方程得出等效的反應(yīng)熱參數(shù)，將這些反應(yīng)熱參數(shù)加載到數(shù)值模擬的模型中，模擬電池在溫度連續(xù)變化時的電池發(fā)熱速率。在電池組熱管理方案設(shè)計過程中，也可以使用數(shù)值模擬來預(yù)先查看設(shè)計效果。需要注意的是，當細致地研究單體電池在充放電過程中電池隨溫度的實時變化時，簡單地將電池的發(fā)熱速率設(shè)定為一個固定值，可能造成模擬結(jié)果或理論計算結(jié)果有很大誤差。當然，這種簡單等效仍可以用來定性地對比不同熱管理方案的優(yōu)劣。

4.2.2 電池導(dǎo)熱系數(shù)、密度和比熱容

在系統(tǒng)方案設(shè)計時，必須考慮電池的導(dǎo)熱系數(shù)、密度以及比熱容。其中：

· 密度：可以通過測試電池體積和質(zhì)量，根據(jù)密度的定義直接獲得；

· 比熱容：可以通過測試將電池溫度升高特定的溫度值，測量所需的熱量獲??；

· 導(dǎo)熱系數(shù)：導(dǎo)熱系數(shù)是矢量，由于電池由多種材質(zhì)組合而成，在不同方向和不同位置處，導(dǎo)熱系數(shù)不盡相同。導(dǎo)熱系數(shù)的確定，需要獲得電池內(nèi)部的詳細成分構(gòu)成及對應(yīng)的幾何尺寸參數(shù)，通過當量導(dǎo)熱系數(shù)的計算公式分別獲取。

下表為中航鋰電70A.h磷酸鐵鋰動力電池的當量熱物理參數(shù)和內(nèi)部相應(yīng)的內(nèi)部組成材料屬性。

表16-9 中航鋰電70A.h磷酸鐵鋰動力電池?zé)嵛锢韰?shù)^[8]

除了使用熱物理測試，還可通過確定電池中各組分所占用的比例，以及各組分的物理特性采用加權(quán)平均的方式計算得出電池的等效導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容等參數(shù)^[10]。

4.2.3 電池的最優(yōu)工作溫度

動力電池溫度問題多在如下情境中出現(xiàn)：

1) 高溫運行環(huán)境中；

2) 快速充電時；

3) 需要快速放電的駕駛過程中；

4) 低溫情境下的充放電過程中。

其中前三種需要降溫，最后一種需要加熱。不同電池的理想工作溫度區(qū)間是不同的。在進行電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計之前，需要明確電池的最優(yōu)工作溫度范圍。電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)最關(guān)鍵的目標就是在汽車所有運行狀態(tài)下都保證電池溫度位于這些合理的工作溫度區(qū)間內(nèi)。在當前工藝技術(shù)水平下（2018年），Ni-MH電池的最佳工作溫度范圍為20~40℃，極限為-20~60℃；鉛酸電池最佳工作溫度范圍為25~45℃^[6]，極限為-20~60℃。磷酸鐵鋰電池的工作電壓區(qū)間在2.0~3.65 V（三元電池的工作電壓區(qū)間在2.75~4.2 V），放電工作溫度為－20 ~ 55℃，充電溫度為0 ~ 45℃。需要注意的是，溫度區(qū)間的確定必須要和電池的工藝技術(shù)水平和所要求的使用壽命關(guān)聯(lián)起來確定。目標溫度區(qū)間除了決定電池包中冷板、風(fēng)扇等具體結(jié)構(gòu)件的設(shè)計，其上下限值還是設(shè)計電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)自動控制策略的重要參考

4.3 電池組熱管理方案類型

本書第一章概括過電子產(chǎn)品熱問題的內(nèi)外兩個解決思路。電池的熱問題也與之相同：向內(nèi)提升電池本身技術(shù)工藝，即電池能量密度更大，能量轉(zhuǎn)化效率更高，相同尺寸的電池儲能更多，且輸出功率相同的情況下發(fā)熱速率更小，材質(zhì)適應(yīng)的溫度范圍更廣；向外則是電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的設(shè)計，通過自然散熱、強迫風(fēng)冷或者液體冷卻等外部措施控制電池包的溫度。本書重點解讀后者。此處將電池的熱管理按照風(fēng)冷散熱、液冷散熱和相變冷卻三種類型來描述。

4.3.1 風(fēng)冷散熱

風(fēng)冷散熱相對來講是比較原始的電池?zé)峁芾矸桨福捎谛实拖?，目前高續(xù)航的純電動汽車已經(jīng)極少使用。電池包自身的自然散熱設(shè)計所使用的優(yōu)化手段與3C電子產(chǎn)品完全相同，詳細可參考本章第一節(jié)內(nèi)容。其差異之處在于電池包和整車空間位置的協(xié)調(diào)。當使用自然散熱方案時，將電池包置于通風(fēng)、遠離其它發(fā)熱體的車體部位對電池溫度表現(xiàn)直觀重要。

圖16-42 串聯(lián)和并聯(lián)風(fēng)道

類似的，強迫風(fēng)冷設(shè)計的電池包也是如此，其采用的散熱優(yōu)化手段可以參考本章第二節(jié)內(nèi)容。強迫風(fēng)冷設(shè)計的電池包，風(fēng)道的設(shè)計幾乎演變成電池包內(nèi)電池的排布形式和箱體進出風(fēng)口形態(tài)和相對位置的設(shè)計。由于電池本身發(fā)熱速率的復(fù)雜多變性，目前多數(shù)強迫風(fēng)冷設(shè)計的方案中，電池的排布仍嚴重依靠實際測試確定。常見的電池包中過風(fēng)形式有串聯(lián)和并聯(lián)兩種。

串聯(lián)設(shè)計的風(fēng)道，冷風(fēng)在電池包內(nèi)在前進的過程中溫度逐漸升高，致使處于下風(fēng)向的電池溫度偏高，從而導(dǎo)致電池包內(nèi)電池的溫度不均勻性較大。而并聯(lián)風(fēng)道可以較好地規(guī)避這一點。也有實驗表明，并聯(lián)風(fēng)道的設(shè)計，更有利于形成均勻的溫度場。

綜上所述，在風(fēng)冷散熱中，除去拓展散熱面積、高導(dǎo)熱材料的選擇、高性能風(fēng)扇的選擇等常規(guī)強化散熱措施，電池的安裝位置和風(fēng)道形式是關(guān)鍵設(shè)計點。

4.3.2 液冷散熱

隨著電池功率密度的提升，空氣為熱載體的熱管理方式已逐漸無法滿足溫度控制的要求。液冷散熱的高效移熱及強大的均熱能力，使其日漸成為動力電池包熱管理的首選方案。下圖描述了幾種典型的液冷方式。

圖16-43 液冷電池?zé)峁芾淼膸追N形式^[11]

圖16-44 電池包液冷散熱示意圖（左：Panamera S E-hybrid；右：特斯拉Model S）

對于間接液冷的電池包，傳熱介質(zhì)可以采用水和乙二醇的混合液或者低沸點的制冷劑。電池包中，冷板與電池之間的導(dǎo)熱襯墊除了有降低接觸熱阻的功能，同時還應(yīng)充當緩震、絕緣和阻燃作用。液冷方案的電池包還可以和車體的發(fā)動機制冷液或車載空調(diào)進行連接，形成整車級的綜合熱設(shè)計方案?？照{(diào)制冷方式原理示意圖如下圖所示。

圖16-45 空調(diào)制冷式電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)原理簡圖

把模塊沉浸在電介質(zhì)的液體中的直接液冷方案，介質(zhì)必須絕緣，以免發(fā)生短路。出于價格考慮，硅油是當前重點考慮的液體絕緣冷卻介質(zhì)。除了冷卻效應(yīng)，使用硅油直接冷卻還可以起到很好的阻燃作用，避免汽車在出現(xiàn)事故時由于電池局部高溫而發(fā)生爆燃。浸沒式冷卻雖然效率高且控制得當時更加安全，但由于本書第四章所述的缺陷，目前尚未規(guī)模化商用。

液冷設(shè)計的動力電池與常規(guī)3C產(chǎn)品方法并無本質(zhì)區(qū)別。其使用的優(yōu)化設(shè)計方法如流道設(shè)計、流量確定、冷板材質(zhì)選擇、流動截面形狀設(shè)計等基本相通。

4.3.3 相變冷卻

電池對溫度的敏感性很容易令人與與相變材料（Phase Change Material, PCM）對熱量產(chǎn)生的溫度反應(yīng)連接起來。PCM的特征是在極小的溫度變化范圍內(nèi)可以收大量熱，在需要維持恒溫的設(shè)備中經(jīng)常使用（如保暖服裝，電器防熱外殼、保鮮盒、保溫盒、取暖器、儲能炊具等^[12]）。利用PCM 進行電池冷卻原理是：當電池進行大電流放電時，電池釋放大量熱，PCM 吸收電池放出的熱量，自身發(fā)生相變，而維持電池在相變溫度附近。此過程是系統(tǒng)把熱量以相變熱的形式儲存在PCM 中。當電池溫度下降到PCM 熔點以下時，相變材料又可以釋放自身能量，維持電池溫度。通過材料的相變化可以經(jīng)濟地將電池溫度控制在合理范圍內(nèi)。

通過冷卻原理可以清楚地看到，PCM的相變潛熱和相變溫度是其在電池?zé)峁芾碇袘?yīng)當考量的關(guān)鍵因素（密度、毒性、價格等傳統(tǒng)因素當然也很重要）。理論上講，當PCM的體積潛熱足夠大時，電池甚至只需要被包裹在PCM中就可保證溫度適中（運行間歇較長且可能置于寒冷環(huán)境中的車型，需要加熱部件以保證冷啟動）。沒有了運動部件和占據(jù)大量空間的換熱器、冷板管路等部件，其可靠性、緊湊性和裝配難度顯然極具優(yōu)勢。

4.4 動力電池加熱系統(tǒng)

動力電池的最佳工作溫度是一個范圍，當動力電池溫度過低時，電池的容量和壽命會極大衰減。可能的原因包括電解液受凍凝固等^[2]。在低溫時，由于電池的活性差，電池負極石墨的嵌入能力下降，這時大電流充電很可能出現(xiàn)電池?zé)崾Э厣踔涟踩鹿省?/span>

一般而言，加熱系統(tǒng)是為了滿足在低溫環(huán)境下能夠使電池能正常使用。加熱系統(tǒng)主要由加熱元件和電路組成，其中加熱元件是最重要的部分。常見的加熱元件有可變電阻加熱元件和恒定電阻加熱元件，前者通常稱為PTC（positive temperature coefficient）（圖-16-46），后者則是通常由金屬加熱絲組成的加熱膜（圖-16-47），譬如硅膠加熱膜、撓性電加熱膜等。

圖16-46 平板式PTC加熱器

PTC由于使用安全、熱轉(zhuǎn)換效率高、升溫迅速、無明火、自動恒溫等特點而被廣泛使用。其成本較低，對于目前價格較高的動力電池來說，是一個有利的因素。但是PTC的加熱件體積較大，會占據(jù)電池系統(tǒng)內(nèi)部較大的空間。

圖16-47硅膠加熱膜、撓性電加熱膜

絕緣撓性電加熱膜是另一種加熱器，它可以根據(jù)工件的任意形狀彎曲，確保與工件緊密接觸，保證最大的熱能傳遞。硅膠加熱膜是具有傳統(tǒng)金屬加熱器無法比擬的柔軟性的薄形面發(fā)熱體。但其需與被加熱物體完全密切接觸，其安全性要比PTC差些。加熱膜另一明顯缺點是電池被加熱溫度較難控制。

4.5 動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的重量考慮

動力電池能量密度和成本是電池包最關(guān)注的指標。2016年4月，工業(yè)和信息化部、國家發(fā)展改革委、科技部聯(lián)合印發(fā)了《汽車產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃》。規(guī)劃的新能源領(lǐng)域的階段性目標是：（1）到2020年，鋰離子動力電池單體比能量〉300Wh/kg；系統(tǒng)比能量爭取達到260Wh/kg；成本<1元/瓦時.（2）到2025年，新能源汽車占汽車產(chǎn)銷20%以上，動力電池系統(tǒng)比能量達到350 Wh/kg。同年發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》也提到了純電動汽車動力電池的比能量目標是2020年350Wh/kg， 2025年是400Wh/kg， 2030年是500Wh/kg。

動力電池管理系統(tǒng)中，冷板、液體工質(zhì)、換熱器、導(dǎo)熱界面材料、泵、加熱片等都屬于熱設(shè)計的直接控制范疇，其重量可能占到整個電池包的30%甚至更多，電池包中熱管理相關(guān)物料重量的考量和對產(chǎn)品競爭力的影響比常規(guī)的3C產(chǎn)品要明顯得多。熱設(shè)計師在充分關(guān)注溫度的同時，必須嚴格把握熱管理系統(tǒng)所占用的空間和重量，確保整體設(shè)計的合理性。

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