电池热管理文献综述.doc

锂电池热管理综述摘要：动力电池作为EV/HEV上的动力元件，它对电动车的行驶里程和经济性以及加速性能都至关重要,因此任何影响电池组的参数都需要进行优化。而电池组内部温度及温度均匀性是保证电池组性能及其使用寿命的最重要前提。该文献研究了锂电池的产热机理以及它在高、低温下的充放电性能并在此基础上研究了现有的电池热管理方式。现有的冷却方式有空气对流，液体冷却，相变材料冷却，热管冷却，空调制冷，冷板冷却等，或者两种及其以上方式相互耦合的方式。目前工程技术上常采用空气冷却和液体冷却两种方式，该文献提出了循环风冷式的热管理方案。但是多种热管理方式耦合的形式是未来适用于各种工况下工作的大功率锂电池热管理的主要研究方向。关键词：电动汽车；锂电池；发热机理；热管理；引言温度是制约电动汽车性能提升的关键因素，高温对动力电池有双重影响。一方面，随着温度上升，电解液活性提高，离子扩散速度加快，电池内阻减小，改善电池性能。另一方面，较高的温度会导致电极降解以及电解液分解等有害反应的发生，影响电池的使用寿命，甚至对电池内部结构造成永久性损坏。研究表明化学反应速率和温度成极数关系，温度每增加 10，化学反应速率加倍。在 45的环境温度下工作时，镍氢电池循环次数大约减小 60。在高倍率充电时，温度升高 5，电池寿命减半。相反在低温环境下，由于电解液活性低，离子扩散速度较慢，电池内阻大大增加，放电容量会显著降低，充电期间内压上升较快，影响电池的使用安全。综上所述，适宜的工作温度为电池良好性能发挥的前提。因此，开发一种行之有效的电池热管理系统，设计一种稳定、高效的电池箱体、电池包的散热结构形式对于提高电池包整体性能具有重要意义。第1章 锂电池的产热机理及计算1.1锂电池的产热机理电池在充放电过程中都会发生一系列的化学反应，从而产生反应热。锂离子动力电池的主要产热反应包括：电解液分解、正极分解、负极与电解液的反应、负极与粘合剂的反应和固体电解质界面膜的分解。此外，由于电池内阻的存在，电流通过时，会产生部分热量。低温时锂离子电池主要以电阻产生的焦耳热为主，这些放热反应是导致电池不安全的因素。电解液的热安全性也直接影响着整个锂离子电池动力体系的安全性能。1.2电池产热量、产热速率计算电池的反应热用Qr 来表示；由电池极化引起的能量损失用Qp 来表示；电池内存在典型的电解液分解和自放电副反应，副反应引起的能量损失用Qs 表示；电池的电阻产生焦耳热为Qj。则，一个电池总热源可由以下公式来表示：Qa=Qr+Qp+Qs+Qj式中：V 为平均产热速率； Q 为电池工作时间内电池的总热量； t 为电池工作时间。电池的平均产热速率(W)= 产生的热量(J)/ 循环时间(s),则由以下公式表示：V=Q/t第2章 锂电池的温度特性电池组内部的所有电池模块都必须在一个合理的环境温度下进行电化学反应。，锂离子电池因比能大、图液冷电池通循环寿命长、自放电率低、允许工作温度范围宽、低温效应好等优点是电动车目前首选的动力电池。锂电池的最佳工作范围是 2040，电池模块间的温度差不超过5电池温度（电解液温度）升高，电池内阻降低电池效率有所提高，但是电化学反应速率加快，阴阳极板上的活性物质即会劣化，并腐蚀阳极格子，而缩短电池寿命。电池温度太低时，会使电池蓄电容量减少，容易过度放电，进而使电池寿命缩短。同时低温条件下锂电池的充放电效率都会迅速降低（磷酸铁锂电池10时，放电/充电效率 90%以上；-10时，放电效率 65%，充电效率 83%；而-20时，放电效率降至60%，充电效率降至 53%）。当温度低于 0 度，锂电池是不允许充电的，因为充电会引发锂离子还原成金属锂枝晶反应，这种锂金属枝晶锐角锋利，易刺穿电池内部隔膜，引起电池内部短路。温度过高或者过低都不利于动力电池的性能发挥。为延长动力电池寿命，提升其电化学性能以及能量效率，必须设计合理的电池热量管理系统，在高温条件下对电池进行散热、低温条件下对电池进行加热或保温，以提升电动汽车整车性能。 第3 章 BTMS 传热冷却方式电池热管理的目标是为电池模块提供一个合理且均匀的工作环境温度。另外，作为一个汽车零部件，电动车电池热管理系统还必须满足汽车厂的规范和要求：紧凑、重量轻、低成本、易安装，并且要适合不同车型、不同安装位置的特殊需求、可靠且易于使用。电池热管理系统还要考虑余热利用、适应较宽的环境条件（极热工况及极冷工况）、在电池损坏产生有害气体的时候能提供通风热管理系统可采用各类传热介质：空气、液体（水、乙二醇甚至制冷剂）、绝热材料、相变材料（石蜡中填充金属材料，石墨中充填PCM，PCM中添加碳纤维）或其他混合介质；电池热管理系统按照能量提供的来源分为被动式冷却和主动式冷却， 其中只利用周围环境冷却的方式为被动式冷却， 组装在系统内部的、能够在低温情况下提供热源或者在高温条件下提供冷源， 主动元件包括蒸发器、加热芯、电加热器或燃料加热器等的方式为主动式冷却。现有的冷却方式有空气对流，液体冷却，相变材料冷却，热管冷却，空调制冷，冷板冷却，或者两种相互结合的方式。3.1空冷即用空气作为传热介质的冷却形式，也分自然对流和强制对流两种，自然对流很明显不能满足能量密度越来越高的锂电池散热需求。空气强制对流散热就是让电动风扇产生的运动空气流通过电池组带走热量，需尽可能增加电池间的散热片、散热槽及距离，成本低，但电池的封装、安装位置及散热面积需要重点设计。空气的流道可分为串联式和并联式通道。陈果等构建了简化的三维模型，通过仿真结果研究得出了电池的散热特性（1） 在自然冷却下热辐射占整个散热的43%63%；（2）强化传热是降低最高温度的有效措施，但扩大强化传热的范围并不会无限地提高温度一致性。图一朱晓彤等采用数值模拟的方法,研究了电动汽车实际镍氢电池组结构热管理的通风冷却效果。通过对RAV-4的电池包内部结构（如图一）的建模仿真得出它内部气流流场的情况。得出结论电池组内温度能保持在MH/Ni电池最佳工作温度范围内，温差小于5,系统冷却效果良好。但我认为这个温差偏大，设计进风口和出风口时可以考虑并联风道，即让上下两个箱体内表面都做成斜向下倾斜的，这样能使每个单体电池周围的进风量大致相当从而减小了温差。图二Rajib Mahamud等为了提高温度的一致性以及散热性能采用了如图二所示的往复式空冷的热管理方法，用二维计算流体动力学（CFD）模型分析了的单体电池电池和一个流动网络模型的热模型。CFD模型计算结果表明，在往复周期为120s时可以有效减小温差4（减少72），温度与单向流动相比减小了1.5。这种结构虽然增加了两个互相耦合的周期性开闭的开关以及对应的控制单元，但是散热效果还是有很大的提高。Rami Sabbah进一步提出了在高放电率和在高操作或环境温度（例如40-45），空气冷却的热管理系统满足不了散热要求，温度一致性也变得很差，所要求的风扇以及电源费用很高。3.2液体冷却在一般工况下空冷即可以满足动力锂电池的散热需求，但在复杂工况下液冷比空冷性能更佳。采用液体与外界进行热交换，在电池模块间布置液体管线或围绕模块布置夹套，或者把模块沉浸在电介质的液体中。若液体与模块间采用传热管、夹套等，传热介质可以采用水、乙二醇、油、甚至制冷剂等。若电池模块沉浸在电介质传热液体中，必须采用绝缘措施防止短路。传热介质和电池模块壁之间进行传热的速率主要取决于液体的热导率、粘度、密度和流动速率。在相同流速下，空气的传热速率远低于直接接触式流体，这是因为液体边界层薄，导热率高。图三图三是Tesla Roadster的液冷电池热管理系统，冷却管道内部被分成四个孔道，为了防止冷却液流动过程中温度逐渐升高，使末端散热能力不佳，热管理系统采用了双向流动的流场设计，冷却管道的两个端部既是进液口，也是出液口电池之间及电池和管道间填充电绝缘但导热性能良好的材料。为了降低冷却液的冰点，冷却液为50%水和50%乙二醇的混合物。这种结构将电池与散热管道间的接触形式从线接触转变为面接触，提高了热传导速率，同时也提高了电池包的整体热容，从而降低整体平均温度。图四图四为卢万成等设计的一种液冷热管理结构冷却液的进出口分别连接到两个管路中组成大循环和小循环。大循环连接主热交换器，小循环串联加热单元和制冷单元。电动汽车启动时由小循环对电池组进行预热或者预冷，当汽车正常行驶时由大循环进行散热。该结构中单体电池直接沉浸在液体中，能够很好地减小电池间的温度差，但是也对绝缘和密封提出了更高的要求。基于液体介质的热管理传热性能非常优越，而且能把电池模块的温度控制在合适的范围内，同时保证温度均匀分布。但是需要储液单元，油泵等一系列液压元件，还需要提供额外的驱动功率，不利于结构的简化和成本的控制。3.3热管冷却热管是由的利用蒸发相变来传热的一种热管理系统。它是一种密封结构的空心管，一端是蒸发端，一端是冷凝端。工作原理是蒸发端受热时毛细管中的液体迅速蒸发，蒸汽在微小的压力差下流向另外一端遇冷重新凝结释放出大量热量，凝结的液体再在毛细力作用下沿多孔材料流回蒸发端，如此循环不止。电池发热量得以沿热管迅速传递，。热管可按照所需冷却物体的温度进行单独设计。图五图五为王富强等设计的一种的变相的热管电池热管理系统，单体电池的前后侧面上贴附有毛细结构蒸发器，左部腔室和右部腔室的空余空间内填充有相变材料，中部腔室内设置有贮液器，翅片板冷凝器安装在动力电池箱外壁上，毛细结构蒸发器与翅片板冷凝器之间通过气体联管相连接，翅片板冷凝器通过液体联管与贮液器连通，随后再通过液体联管最终连入毛细结构蒸发器。能够有效地解决现有动力电池发热量大、温度梯度高和局部高温的问题，但是结构相对复杂，不便于系统的维修和电池的替换。图六图六为Thanh-Ha Tran设计的一种使用热管作为冷却装置，用于HEV锂离子电池模块。热管组件的蒸发器被固定到用铜板做的电池冷却壁上，箱体里侧还有电阻加热板用于预热。为了加快热管冷凝端的散热，还必须保持一定速率的空气流流经散热器。实验得出匹配适当通风结构的热管是用于HEV/ EV电池有效的散热解决方案，低速率的通风即可以使电池工作在最佳温度范围内，增加空气速度不能实际提高散热性能。这种结构无疑能大幅减少功耗和噪音。3.4冷板冷却冷板为一个内部带有冷却介质流道的薄壁金属板，它镶嵌在电池箱体内部或者外表面与电池单体的侧面相贴合。热量由电池单体传导至冷板再由流动的冷却介质带走，结构简单可靠。图七Anthony Jarrett为了得到最优的散热性能，结合CFD对图七所示的带有蛇形流道的冷却板进行了数值优化（如流道的宽度和位置优化），综合流道的压降，温度均匀性以及平均温度得出了图示的最优流道模型。发现最小平均温度对应的平板模型的压降也是最小的，它的流道宽度几乎是能达到的最大值。为了保证温度的均匀性，必须使入口处的流道尽可能窄，而且沿着流道逐渐变宽，在出口处最宽。这说明温度均匀性与最小温度以及最小压降不可以同时获得，冷板散热要有好的散热性能须损失一部分温度均匀性。徐晓明对不同工况下的电动汽车电池冷板的散热性冷进行了研究，比较了单进单出流道和双进双出流道在三种不同充放电工况下以模块间距，进液量和室温作为自变量时电池模块间的最大温差及其最小平均温度。得出结论双进双出要优于单进单出，模块间距增加时能有效降低最小温度和温差，室温过高会破坏温度平均性。但是他所用的双进双出流道进液方向是同向的，本人认为设计成反向的能更有效地减小温差。3.5相变材料冷却（PCM）相变材料(PCM, phase change material/medium)，是在发生相变时温度保持不变或变化范围很小，但能吸收或释放大量潜热的物质。PCM 用于电动汽车电池热管理系统，最早由 Al-Hallaj 等人采用 PCM 时，电池单体或模块可直接浸在 PCM 中，通过 PCM 熔化或凝固时吸收和放出的热量对电池进行热管理，PCM 吸收电池放出的热量而使电池的温度迅速降低，热量以相变潜热的形式储存在PCM中，在充电或很冷的环境下工作时释放出来，能够有效地隔绝外部热量。PCM 的相变温度必须小于电池内部最高温度控制的目标温度。PCM冷却相对于空冷和液冷来说不需要额外的冷却装置以及功耗。Khateeb 等人针对电动汽车锂电池组，建立了包含 18个 18650 电池的二维非稳态模型，采用 PCM(熔点 40-44)进行热管理，其中 PCM 的质量是电池的 28.6%， 模块设计简单且热管理效果理想。随后，他们又通过实验的方式，在该模块的基础上，对比了分别采用自然对流冷却、泡沫铝、PCM、PCM/泡沫铝四种情况下的散热效果，PCM/泡沫铝散热效果最为明显，比自然对流冷却下最高温度降低了 17.5。饶双凤等设计了基于相变传热介质的电池热管理系统，并建立了单体电池PCM 散热的三维模型以及电池模块 PCM 热管理的二维模型；研究了不同电池热管理系统中热量的传递规律，以及 PCM 的主要热物性参数对单体电池、电池模块的温升与温度分布的影响。得出结论增加 PCM 导热系数有助于强化 PCM 内部的热量传递，降低电池与 PCM 接触界面处的温度梯度以及单体电池和电池模块的最高温度。但 PCM 导热系数增加至一定值后，对电池或模块的最高温度的影响不大。PCM结合风冷时，风速越大局部温差越大，但是当PCM的导热系数较大时，局部温差受风速影响不大。3.6空调制冷空调制冷方式冷却把电池热管理系统与整车空调系统耦合在一起。压缩机开始工作时，压缩空调制冷剂，压缩过的制冷剂流入冷凝器中，经冷却后复原为液态，将压缩机传给制冷剂的热量散发到空调系统外。液态的制冷剂流到水冷器中再行蒸发，所需的蒸发热从冷却水中吸收，因此冷却了冷却水，气态的制冷剂重新流回空调压缩机。与此同时，冷却后的水流到高压电池包内进行热交换，吸收高压电池包内