動力電池?zé)峁芾硎怯绊戨妱悠囯姵匦艿闹匾蛩兀瑢λ难芯坑兄陔姵匦艿奶岣撸M(jìn)而提升電動汽車的整體質(zhì)量。動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)分為冷卻系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和保溫系統(tǒng)，本文在對電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，論述了動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計的總體流程。

目前，市場上主流的純電動汽車所使用的動力電池多以鋰離子電池作為主要的動力載體，且是由多個單體鋰電池通過串、并聯(lián)方式組成電池模組。鋰離子電池在進(jìn)行充放電時，電池的內(nèi)部化學(xué)物質(zhì)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱量，從而產(chǎn)生大量的熱量。如果這部分熱量不能進(jìn)行及時散發(fā)到外界，就會導(dǎo)致電池局部溫度快速上升，電池使用壽命不但會快速衰減，甚至?xí)斐呻姵責(zé)崾Э兀瑢?dǎo)致汽車發(fā)生爆燃，這也正是現(xiàn)階段電動汽車所面臨的最大安全考慮因素。

忽略其他外在因素，就動力電池而言，電池溫度上升，電池內(nèi)阻減小，電池效率提高。但溫度的升高，又會加速電池內(nèi)部有害化學(xué)反應(yīng)速率，進(jìn)而使電池內(nèi)部的物質(zhì)加速衰減。一般來說，溫度上升10℃，化學(xué)反應(yīng)速率增加一倍。

（圖-1 典型電池不同溫度、不同循環(huán)次數(shù)下容量衰減程度實(shí)驗(yàn)結(jié)果）

圖-1是實(shí)驗(yàn)獲得的幾種典型電池在不同溫度、不同循環(huán)次數(shù)下的電池容量變化。Ni-MH 電池在45℃條件下工作時，其循環(huán)壽命縮短60%，高倍率充電時，溫度每上升 5℃，其電池壽命衰減一半。Ni-MH電池的最佳工作溫度范圍為20~40℃；對于鉛酸電池，是25~45℃。相關(guān)測試機(jī)構(gòu)對索尼18650(容量1.8 Ah) Li-ion電池的循環(huán)性能進(jìn)行了研究，電池在25℃和45℃時工作800個循環(huán)之后，電池容量分別下降31%和36%；當(dāng)工作溫度為50℃時，600個循環(huán)后電池容量下降60%；工作溫度為55℃時，500個循環(huán)之后，容量下降70%。當(dāng)動力電池溫度過低時，電池的容量和壽命同樣會極大衰減?？赡艿脑虬娊庖菏軆瞿痰?。對于部分地區(qū)，冬季氣溫常低于-20℃，電池基本不能放電或放電深度較淺。

電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的目標(biāo)

為保證電動車的動力性能及安全性，電池系統(tǒng)的熱管理有以下幾個目標(biāo)：

1.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；

2.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；

3.保持電池組內(nèi)部的溫度均衡，以避免電池間的不平衡而降低性能；

4.消除因熱失控引發(fā)電池失效甚至爆炸等危險；

5.滿足電動汽車輕型、緊湊的要求，成本低廉、安裝與維護(hù)簡便；

6.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；

7.溫度等相關(guān)參數(shù)實(shí)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。

池?zé)峁芾碓O(shè)計的熱學(xué)信息確定

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。充電時一部分電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲存在電池中，一部分被可逆吸熱存儲在電池中，還有一部分因轉(zhuǎn)化為不可逆熱而損耗。放電過程則放出電能，可逆熱和不可逆熱。

電池?zé)崃坑嬎愎?，可以使用如下公式示意性描述?/p>

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

不可逆熱：Qir = Qp + Qs

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。

（圖-2 中航鋰電70A.h磷酸鐵鋰動力電池全內(nèi)阻和歐姆內(nèi)阻隨溫度、SOC的變化曲線測試值 ）

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(jī)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(jìn)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，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。

（圖-3 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）

（表-1 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(fù)號表示放出熱量）

上述圖表僅表述的是LiFePO4鋰離子電池的相關(guān)實(shí)測數(shù)據(jù)，當(dāng)電池類型變更，電池的放熱特點(diǎn)又有不同。目前，通常采用的研究方法是實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合：首先使用試驗(yàn)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。

電池性能參數(shù)的考慮

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，在不同方向上，材質(zhì)并不相同。導(dǎo)熱系數(shù)的確定，需要獲得電池內(nèi)部的詳細(xì)成分構(gòu)成及對應(yīng)的幾何尺寸參數(shù)，通過當(dāng)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(dāng)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-2 中航鋰電70A.h磷酸鐵鋰動力電池?zé)嵛锢韰?shù)）

當(dāng)發(fā)熱速率、導(dǎo)熱系數(shù)、密度、比熱容被確定下來，電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)所使用的熱設(shè)計知識與傳統(tǒng)的電子產(chǎn)品就非常類似了。電池在系統(tǒng)中無論是通過仿真還是理論計算時，都可以直接被等效成一個發(fā)熱塊體，從而計算其所需要的冷卻設(shè)備。