1万向一二三股份公司，浙江 杭州 311215
2 浙江盾安热工科技有限公司，浙江 杭州 311835
3万向一二三股份公司，浙江 杭州 311215
摘要：电动汽车(简称EVs)以电池作为动力源，在使用中可以实现零污染，并可利用煤炭、水力等其它非石油资源，能有效解决汽车排污和能源问题，因而在世界范围内得到普遍重视。这些车辆的性能和品质在很大程度上依赖其所配置的动力电池组的性能，特别是动力电池的可靠性、循环性能和成本等。包含热管理单元的电池管理系统成为决定电动汽车和混合动力汽车电池商业化的关键技术，必须加大研究开发的力度。基于此，本文主要对电动汽车动力电池热管理技术的研究与实现进行分析。
关键词：电动汽车；动力电池；热管理技术；研究与实现
1、前言
一个热管理系统主要是用强制冷却或加热电池模块的方式来维护电池运行温度稳定和保证电池单体温度一致性。动力电池热行为中最主要的问题是动力电池可能会有明显的温升进而导致热失控，特别对于那些运行温度超过环境温度的状况。因此，电池的热管理系统主要包括如下5项主要功能：(1)电池温度的准确测量和监控；(2)电池组温度过高时的有效散热和通风；(3)电池组低温条件下的快速加热与启动；(4)保证电池组温度场的均匀分布；(5)有害气体产生时的有效通风。
2、电池热管理设计流程和仿真方法
在电池热管理设计方面，美国国家可再生能源实验室做了大量研究。本文中在其基础上将电池性能模型和热分析模型结合，采用仿真与实验手段，得到的热管理设计流程如图1所示。
电池热管理设计理论基础是电池性能模型和电池热分析模型。电池性能模型可模拟电池工况特征，获得电池热模型的输入;电池热分析模型可获得电池组温度分布特征，评估电池热管理系统设计的合理性。在电池热管理仿真分析过程中，常采用有限元分析软件，进行几何形状构建、边界定义、网格生成和求解器求解。
3、电动汽车动力电池热管理技术的研究与实现
对于电池热管理类型的选择可以按传热介质进行分类，一般分为：空冷，液冷以及相变材料冷却三种方式。
3.1空冷系统
一般利风机吸风或者抽取乘客舱的空调风或者外部风将电池的热量带走，该方法简单易行，成本低。日本丰田公司的混合动力电动汽车Prius，本田公司的Insight以及以丰田RAV-4电动汽车的电池包都采用了空冷的方式。目前空冷散热通风方式一般有串行和并行两种：
冷空气从进口到出口，空气被电池依次加热，越往出口，空气的温度越高，冷却效果越差。电池箱内电池温度分布不均匀，导致电池模块温度分布的不一致性，影响电池的冷却效果。
并行通风方式使得空气流在电池模块间更均匀地分布。确保了吹过不同电池模块的空气流量的一致性，从而保证了电池组温度场分布的一致性。
可以看出，空冷方式的主要优点有：(1)结构简单，重量相对较小；(2)没有发生液体泄漏的可能；(3)有害气体产生时能有效通风；(4)成本较低。缺点在于空气与电池表面之间换热系数低，冷却和加热速度慢。随着电池能量密度的不断提升，电池的电量越来越高，发热量也越来越大，从而导致风冷不能满足带热要求。
3.2液冷系统
液冷系统是利用液体相对于空气有着较高换热系数，可将电池产生的热量快速带走，达到有效降低电池温度的目的。液体冷却主要分为直接接触和非直接接触两种方式。非直接接触式液冷必须将套筒等换热设施与电池组进行整合设计才能达到冷却的效果，这在一定程度上降低了换热效率，增加了热管理系统设计和维护的复杂性。
对于直接接触式的液冷系统，通常采用不导电且换热系数高的换热工质，常用的有矿物油、乙二醇等。对于非直接接触式的液冷系统，可以采用水，防冻液等作为换热工质。随着纳米技术的发展，新型传热介质纳米流体不仅在科研，而且在应用上得到很大关注，纳米流体即以一定的方式和比例将纳米级金属或非金属氧化物粒子添加到流体中而形成的。研究表明，在液体中添加纳米粒子，可以显著提高液体的导热系数，提高热交换系统的传热性能。因此将纳米流体应用于电池热管理技术将会是将一个新的研究发展方向，值得引起广泛的关注。
3.3PCM（相变材料）冷却
PCM冷却系统是一种将相变储能材料与电池模块进行整合，利用其相变潜热来实现电池热管理的被动式冷却系统。
石蜡具有相变温度接近电池最佳工作温度、具有较高的相变潜热和成本低廉等特点，但是其不足之处是具有很低的热导率。因此，许多研究者开展了旨在克服其低导热率缺陷的实验研究，通过在石蜡中添加热导率高的物质制成复合PCM，有助于提高材料的综合性能。采用添加金属填料、金属阵列结构、金属翅片管、铝切削片来提高石蜡的热导率多有报道。有研究表明，在PCM中添加碳纤维[15]，或将碳纳米管分散在PCM中心可以在很大程度上提高PCM复合材料的热导率。PCM热管理系统具有降低整个电池系统体积、减小运动部件、不需要耗费电池额外能量的优点，理论分析和实验数据表明该技术会有良好的产业前景，值得引起国内业界高度重视。
3.4热管冷却系统
根据热管的散热原理，蒸发端将电池所产生的热量以相变热的形式储存于工质中，借助工质输运能力把热量传递到冷凝端。工质可以进行连续不断的循环，将电池产生的热量源源不断地传递到环境空气中，从而实现小温差下大热流的传输，使电池温度迅速降低。该系统具有换热效率高、冷却效果显著和寿命长等特点，与风冷、液体冷却方案相比较，该方案具有技术含量较高，系统的工艺和制造相对复杂、不易进行系统维护等缺点。
3.5多种冷却方式复合系统
由于单一的冷却方式有着固有缺点以及局限性，将多种冷却方式进行复合可以更好地利用不同种冷却方式的优点，并最大限度地克服其缺点与不足所带来的不利影响。SaidAl-Hallaj等将PCM与空气冷却结合设计了如图2的电池模块模型，通过实验研究发现，这种复合式散热系统对电池热管理有着很好的效果。由于翅片有良好的导热性能且与热管之间有很好的热耦合，M.S.WU等[将热管加铝翅片再插入电池中，热管的冷凝段再加入冷却风扇，构成了一个多种冷却方式的复合散热系统，显著降低锂离子电池的温度并保障了电池单体间的温度均匀性。
通过对各种常规的热管理系统的分析研究（如风冷、液冷、相变冷却等），结合各自的优点且尽量避免和克服其缺点，设计出不同类型的复合式热管理系统，以达到控制电池温度的最佳效果。随着人们对动力电池温度控制要求越来越高，多种冷却方式复合散热系统将会是动力电池热管理的重要研究方向。
4、结语
本文总结出了热管理系统设计的关键技术及步骤，对步骤的实施涵盖了理论分析和实际设计方面的论述，归纳总结了多种典型的热管理系统，并且对系统的热管理的特点进行了详尽的阐述。
（1）动力电池在不同的工况和环境下运行时，应设计有效的加热冷却系统对电池进行热管理，避免温度对电池的安全及性能产生不利影响。
（2）与传统的风冷、液冷相比，PCM冷却有其独特的优势，有着广泛的研究和应用价值，需要引起广泛关注。
（3）在液体冷却系统中，研究开发出新的高效换热工质（不同类型的纳米流体）对系统性能的提升有着重要的意义。
（4）将多种传统冷却方式进行合理地优化组合，研究集多种冷却方式于一体的复合散热系统，这将会是热管理系统研究的一个重要方向。
参考文献：
［1］雷治国．混合动力电传动车辆锂离子动力电池热管理研究［D］．北京:北京理工大学，2013:4－28．
［2］雷治国，张承宁，李军求，等．电动车用锂离子电池低温性能研究［J］．汽车工程，2013，35(10)．
论文作者:蒋权英1,王冠军2,,李军3
论文发表刊物:《城镇建设》2019年2卷12期
论文发表时间:2019/9/10
标签：电池论文; 管理系统论文; 系统论文; 温度论文; 方式论文; 工质论文; 电池组论文; 《城镇建设》2019年2卷12期论文;