動力電池的熱管理

一、動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的功能

由于過高或過低的溫度都將直接影響動力電池的使用壽命和性能，并有可能導(dǎo)致電池系統(tǒng)的安全問題，并且電池箱內(nèi)溫度場的長久不均勻分布將造成各電池模塊、單體間性能的不均衡，因此，電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)對于電動車輛動力電池系統(tǒng)而言是必需的。可靠、高效的熱管理系統(tǒng)對于電動車輛的可靠安全應(yīng)用意義重大。

電池組熱管理系統(tǒng)有如下5項(xiàng)主要功能

①電池溫度的準(zhǔn)確測量和監(jiān)控。

②電池組溫度過高時(shí)的有效散熱和通風(fēng)。

③低溫條件下的快速加熱。

④有害氣體產(chǎn)生時(shí)的有效通風(fēng)。

⑤保證電池組溫度場的均勻分布。

二、電池內(nèi)傳熱的基本方式

電池內(nèi)熱傳遞方式主要有熱傳導(dǎo)、對流換熱和輻射換熱3種方式。

電池和環(huán)境交換的熱量也是通過輻射、傳導(dǎo)和對流3種方式進(jìn)行的。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)。

熱傳導(dǎo)是指物質(zhì)與物體直接接觸而產(chǎn)生的熱傳遞。電池內(nèi)部的電極、電解液、集流體等都是熱傳導(dǎo)介質(zhì)，而將電池作為整體，電池和環(huán)境界面層的溫度和環(huán)境熱傳導(dǎo)性質(zhì)決定了環(huán)境中的熱傳導(dǎo)。

熱對流是指電池表面的熱量通過環(huán)境介質(zhì)（一般為流體）的流動交換熱量，它也和溫差成正比。

對于單體電池內(nèi)部而言，熱輻射和熱對流的影響很小，熱量的傳遞主要是由熱傳導(dǎo)決定的。電池自身吸熱的大小與其材料的比熱容有關(guān)，比熱容越大，散熱越多，電池的溫升越小。如果散熱量大于或等于產(chǎn)生的熱量，則電池溫度不會升高。如果散熱量小于所產(chǎn)生的熱量，熱量將會在電池體內(nèi)產(chǎn)生熱積累，電池溫度升高。

三、電池組熱管理系統(tǒng)

設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)按照傳熱介質(zhì)，可將電池組熱管理系統(tǒng)分為空冷、液冷和相變材料冷卻3種?？紤]到材料的研發(fā)以及制造成本等問題，目前最有效且最常用的散熱系統(tǒng)是采用空氣作為散熱介質(zhì)。按照散熱風(fēng)道結(jié)構(gòu)，空冷系統(tǒng)又可分為串行通風(fēng)方式和并行通風(fēng)方式兩種，如圖4-16和圖4-17所示。

圖4-16　串行通風(fēng)方式

圖4-17　并行通風(fēng)方式

串行情況下一般是使空氣從電池包一側(cè)流往另外一側(cè)，從而達(dá)到帶走熱量的效果。這時(shí)，氣流會將先流過的地方的熱量帶到后流過的地方，從而導(dǎo)致兩處溫度不一致且溫差較大。而并行情況下模塊間空氣都是直立上升氣流。這樣能夠更均勻地分配氣流，從而保證電池包中各處的散熱一致性。

熱管理系統(tǒng)按照是否有內(nèi)部加熱或制冷裝置可分為被動式和主動式兩種。被動系統(tǒng)成本較低，采取的設(shè)施相對簡單；主動系統(tǒng)相對復(fù)雜，并且需要更大的附加功率，但效果較為理想。圖4-18～圖4-20為空氣加熱與散熱主、被動結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4-18　被動加熱與散熱-外部空氣流通

圖4-19　被動加熱與散熱-內(nèi)部空氣流通

圖4-20　主動加熱與散熱-外部和內(nèi)部空氣流通

圖4-18和圖4-19中，盡管空氣是經(jīng)過汽車空調(diào)或供暖系統(tǒng)冷卻和加熱的，但它仍然被認(rèn)為是一種被動系統(tǒng)。

運(yùn)用這種被動系統(tǒng)，由于引入環(huán)境空氣的溫度的不一致性，環(huán)境空氣必須在一定溫度范圍（10～35℃）中才能正常進(jìn)行熱管理，在環(huán)境極冷或極熱條件下運(yùn)行電池包可能會產(chǎn)生更大的不均勻。加熱系統(tǒng)中，除了采用將熱空氣引入電池包中的方式外，還可以采用其他方式，如圖4-21～圖4-24所示（方形電池）。

圖4-21　電池列前后纏繞硅膠加熱線

圖4-22　電池列間添加電熱膜

圖4-23　電池本體上包覆電熱膜

圖4-24　電池上、下添加加熱板

動力電池的熱管理系統(tǒng)對電動汽車來說是相當(dāng)重要的一部分，影響到電耗，續(xù)航，電池壽命等等。