動(dòng)力電池?zé)峁芾砑捌湎到y(tǒng)開發(fā)

1、動(dòng)力電池?zé)峁芾砑捌湎到y(tǒng)開發(fā)2012年03月06日 15:10 來源：汽車縱橫2011年12月刊 文 王泰華新能源汽車的關(guān)鍵技術(shù)之一是動(dòng)力電池，電池的好壞一方面決定著電動(dòng)汽車的成本, 另一方面決定著電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程，這兩項(xiàng)也是新能源汽車是否能為廣大消費(fèi)者接受和迅速得到普及的關(guān)鍵因素。所以，圍繞動(dòng)力電池及其應(yīng)用的研究顯得特別有意義。     本文從動(dòng)力電池的種類和應(yīng)用入手，分別介紹了它的產(chǎn)熱行為和各種熱管理方式，然后通過一款混合動(dòng)力汽車的磷酸鐵鋰電池應(yīng)用，對其熱管理系統(tǒng)、運(yùn)行特性等進(jìn)行分析和探討，最后提出了后續(xù)熱管理開發(fā)中需要進(jìn)一步研究的問題。動(dòng)力電池種類

2、及應(yīng)用    作為新能源汽車上的動(dòng)力電池必須具備一定的條件,首先是安全性，只有安全性達(dá)到了一定的標(biāo)準(zhǔn)才能得到應(yīng)用；其次是制造成本，那些制造成本低且壽命長的電池才有機(jī)會(huì)作為動(dòng)力電池；再次，動(dòng)力電池還要具有高的能量密度和功率密度，這些是電動(dòng)汽車是否具有高的續(xù)駛里程、加速性及爬坡度的一個(gè)衡量標(biāo)準(zhǔn)；動(dòng)力電池還必須能夠回收，盡量減小對環(huán)境的污染。    根據(jù)動(dòng)力電池的使用特點(diǎn)、要求、應(yīng)用領(lǐng)域不同, 國內(nèi)外動(dòng)力電池的研發(fā)種類大致為: 鉛酸蓄電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池、燃料電池等，其中以鋰離子電池的發(fā)展最值得關(guān)注。  

3、  鋰離子電池具有電壓高、比能量高、充放電壽命長、無記憶效應(yīng)、對環(huán)境污染小、快速充電、自放電率低等優(yōu)點(diǎn)，其發(fā)展勢頭極為迅猛， 已廣泛應(yīng)用筆記本電腦、移動(dòng)電話、錄像機(jī)、小型醫(yī)療保健設(shè)備、摩托車、自行車等領(lǐng)域，而在航空、航天、航海和軍事領(lǐng)域的應(yīng)用研究也正在積極開展和深入，在電動(dòng)汽車領(lǐng)域目前已成為主要的動(dòng)力源。     鋰離子電池的技術(shù)發(fā)展呈現(xiàn)出多方向并舉的局面，主要在于所采用的正極材料的不同。因?yàn)檎龢O材料的性能將很大程度地影響電池的性能。同時(shí)正極材料也直接決定電池成本的高低。目前已批量應(yīng)用于鋰電池的正極材料主要有鈷酸鋰、鎳酸鋰、錳酸鋰以及磷酸鐵鋰。

4、但由于鈷金屬儲(chǔ)量少、價(jià)格昂貴，而且作為動(dòng)力電池其安全也存在問題, 目前應(yīng)用最為廣泛的是錳酸鋰電池和磷酸鐵鋰電池。產(chǎn)熱行為    電池模塊的熱來源、產(chǎn)熱速率、電池?zé)崛莸扔嘘P(guān)參數(shù)，與電池的本質(zhì)密切相關(guān)。電池放出熱量取決于電池的化學(xué)、機(jī)械、電學(xué)本質(zhì)和特征， 特別是電化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)。電池反應(yīng)中產(chǎn)生的熱能，可以用電池反應(yīng)熱Qr來表示；電化學(xué)極化使電池實(shí)際電壓 偏離其平衡電動(dòng)勢，而由電池極化引起的能量損失用Qp來表示。     電池反應(yīng)除了按照反應(yīng)方程式進(jìn)行之外，還存在一些副反應(yīng)，典型的副反應(yīng)包括電解液分解及電池自放電，這個(gè)過程中產(chǎn)生的

5、副反應(yīng)熱為Qs。此外，由于任何電池都會(huì)不可避免地存在電阻，故電流通過時(shí)就會(huì)產(chǎn)生焦耳熱Qj。因此，一個(gè)電池總的熱量為如下幾個(gè)方面的熱量總和： Qt = Qr +Qp +Qs +Qj     根據(jù)具體充電（放電）過程的不同，引起電池產(chǎn)熱的主要因素也不同。例如，在電池正常充電時(shí)，Qr是主導(dǎo)因素；而在電池充電后期，由于電解液的分解，導(dǎo)致了副反應(yīng)開始發(fā)生（副反應(yīng)熱為Qs )，當(dāng)電池接近充滿電而進(jìn)行過充電時(shí)， 主要發(fā)生的是電解液分解，這時(shí)Qs占主導(dǎo)地位。而焦耳熱Qj則取決于電流和電阻，常用的充電方式是在恒定電流下進(jìn)行的，此時(shí)Qj是一個(gè)特定值。  

6、   然而，在啟動(dòng)和加速時(shí)，電流比較大。這對于HEV來說，相當(dāng)于幾十安培到上百安培的電流，這時(shí)候焦耳熱Qj很大，成為了電池放熱的主要來源。熱管理方式    電池組中有電解液、電極、隔板等各種材料，由于高溫會(huì)加速它們的老化速率，而且當(dāng)電池組中溫差較大時(shí)，高溫部分的老化速率會(huì)明顯快于低溫部分，隨著時(shí)間的積累不同電池之間的物性差異將越加明顯，從而破壞了電池組的一致性，最終使整組電池提前失效。所以，電池?zé)峁芾碓O(shè)計(jì)對于維持電池正常工作，延長使用壽命從而減少售后使用成本具有重要作用。    從控制性的角度，熱管理系統(tǒng)可以分為主

7、動(dòng)式、被動(dòng)式兩類。從傳熱介質(zhì)的角度，熱管理系統(tǒng)又可以分為：空氣冷卻式熱管理、液體冷卻式熱管理，以及相變蓄熱式熱管理。以空氣為傳熱介質(zhì)的熱管理    傳熱介質(zhì)對熱管理系統(tǒng)的性能和成本有重大的影響。采用空氣作為傳熱介質(zhì)就是直接把空氣引入，使其流過模塊以達(dá)到散熱目的，一般需有風(fēng)扇、進(jìn)出口風(fēng)道等部件。    根據(jù)進(jìn)風(fēng)來源的不同，一般有以下幾種形式：    1外界空氣通風(fēng)被動(dòng)式冷卻    2. 乘客艙空氣通風(fēng)被動(dòng)式冷卻/加熱    3. 外界或乘客艙空氣主

8、動(dòng)式冷卻/加熱    被動(dòng)式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單，直接利用現(xiàn)有環(huán)境。比如，冬季電池需要加熱，可以利用乘客艙的熱環(huán)境將空氣吸入，若行駛中電池溫度過高，乘客艙空氣的冷卻效果不佳，則可將外界冷空氣吸入降溫。    而主動(dòng)式系統(tǒng)，則需建立單獨(dú)系統(tǒng)，提供加熱或冷卻的功能，根據(jù)電池狀態(tài)獨(dú)立控制，這也增加了整車能源消耗和成本。不同系統(tǒng)的選擇主要取決于電池的使用要求。 以液體為傳熱介質(zhì)的熱管理     以液體為介質(zhì)的傳熱，需在模塊與液體介質(zhì)之間建立傳熱通道，比如水套，以對流和導(dǎo)熱兩種形式進(jìn)行間接式加熱和

9、冷卻，   傳熱介質(zhì)可以采用水、乙二醇甚至制冷劑。也有把模塊沉浸在電介質(zhì)的液體中直接傳熱，但必須采用絕緣措施以免發(fā)生短路。     被動(dòng)式液體冷卻一般是通過液體-環(huán)境空氣換熱后再將其引入電池進(jìn)行二次換熱，而主動(dòng)式則是通過發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液-液體介質(zhì)換熱器，或者電加熱/燃油加熱實(shí)現(xiàn)一級加熱，以乘客艙空氣/ 空調(diào)制冷劑-液體介質(zhì)實(shí)現(xiàn)一級冷卻。    對以空氣和液體為介質(zhì)的熱管理系統(tǒng)由于需要風(fēng)扇、水泵、換熱器、加熱器、管路以及其它附件而使結(jié)構(gòu)過于龐大、復(fù)雜，同時(shí)也消耗了電池能量、降低了電池的功率密度和能量密度。相變蓄

10、熱式熱管理    近年來在國外和國內(nèi)出現(xiàn)采用相變材料（PCM）冷卻的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)展現(xiàn)出良好前景。利用PCM 進(jìn)行電池冷卻原理是：當(dāng)電池進(jìn)行大電流放電時(shí)，PCM 吸收電池放出的熱量， 自身發(fā)生相變，而使電池溫度迅速降低。此過程是系統(tǒng)把熱量以相變熱的形式儲(chǔ)存在PCM 中。在電池進(jìn)行充電的時(shí)候,特別是在比較冷的天氣環(huán)境下(亦即大氣溫度遠(yuǎn)低于相變溫度PCT )，PCM 把熱 量排放到環(huán)境中去。    相變材料用于電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中具有不需要運(yùn)動(dòng)部件、不需要耗費(fèi)電池額外能量等優(yōu)勢。具有高的相變潛熱和導(dǎo)熱率的相變材料，用于電池組的熱管理系統(tǒng)中可以

11、有效吸收充放電過程中放出熱量，降低電池溫升，保證電池在正常溫度下工作?？梢允勾箅娏餮h(huán)前后電池性能保持穩(wěn)定。通過在石蠟中添加熱導(dǎo)率高的物質(zhì)制成復(fù)合PCM，有助于提高材料的綜合性能。      從以上三類熱管理形式上看，相變蓄熱式熱管理具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，值得進(jìn)一步研究和產(chǎn)業(yè)化開發(fā)應(yīng)用。磷酸鐵鋰電池的熱管理系統(tǒng)開發(fā)    下面以應(yīng)用在某插電式混合動(dòng)力汽車中磷酸鐵鋰電池的熱管理系統(tǒng)為案例，對其模擬不同的整車工況，通過系統(tǒng)臺架對冷卻運(yùn)行特性、控制目標(biāo)和策略等進(jìn)行測試和分析。 系統(tǒng)架構(gòu)  &#

12、160; 水冷式電池冷卻系統(tǒng)采用冷卻液（50%/50% 水/乙二醇）將電池?zé)崃?，?jīng)電池冷卻器傳遞至空調(diào)制冷劑系統(tǒng)，并通過冷凝器傳遞至環(huán)境中。電池進(jìn)口水溫經(jīng)電池冷卻器換熱后容易達(dá)到較低的溫度，可調(diào)節(jié)電池在最佳工作溫度范圍內(nèi)運(yùn)行；系統(tǒng)原理如圖所示。其中制冷劑系統(tǒng)主要部件有：冷凝器、電動(dòng)壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、膨脹閥帶截至閥、電池冷卻器（膨脹閥帶截止閥）及空調(diào)管等；冷卻水路包括：電動(dòng)水泵、電池（含冷卻板）、電池冷卻器以及水管、膨脹水箱等輔件。冷卻運(yùn)行特性    在試驗(yàn)準(zhǔn)備階段，為了使電池充滿電量并達(dá)到一定的起始電池溫度點(diǎn)，采用了充電、充-放電以及環(huán)境溫度艙升溫等不同方式。根據(jù)電

13、池產(chǎn)熱行為分析，這個(gè)過程中電化學(xué)反應(yīng)熱和焦耳熱占主導(dǎo)，伴隨著副反應(yīng)熱和電極極化熱以及外界傳熱等形式，將電池加熱到惡劣起始工況；在試驗(yàn)階段，研究冷卻過程的啟動(dòng)、運(yùn)行特性，掌握電池的降溫速率、影響因素及溫度分布等。對電池的負(fù)載工況，根據(jù)整車適用環(huán)境、目標(biāo)市場、行駛模式、熱管理需求等制定，可以分惡劣駕駛工況、普通駕駛工況等分別對電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的冷卻特性進(jìn)行考察，本文將以熱啟動(dòng)、NEDC（新歐洲駕駛循環(huán)）、低速爬坡三種工況為例進(jìn)行分析。我們結(jié)合一款電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的臺架試驗(yàn)開發(fā)進(jìn)行了簡單分析和說明，結(jié)果表明該系統(tǒng)能滿足電池在這三個(gè)工況下的冷卻要求。因?yàn)殡姵乩鋮s的傳熱途徑為電池芯體-傳熱介質(zhì)-冷卻板-冷卻

14、液，所以在電池內(nèi)部存在溫差，以及建立穩(wěn)定的熱平衡需要一定的時(shí)間。依此，在試驗(yàn)中，切斷冷卻器，即電池冷卻停止后，冷卻液溫度回升，但電池溫度仍維持下降趨勢，因?yàn)槔鋮s板表面與電池之間仍存在溫度梯度和傳熱行為，下降速率也逐漸放緩；該過程持續(xù)大約20分鐘。這對有效減少電力消耗和優(yōu)化控制提供了重要參考。     以上基于動(dòng)力電池?zé)峁芾?，從電池的產(chǎn)熱行為認(rèn)識了不同工作過程的主要熱源，以及高溫和溫度差異對電池的不良影響，并討論了不同的熱管理形式及優(yōu)缺點(diǎn)。另外，我們也從中發(fā)現(xiàn)：     電池降溫速度對系統(tǒng)冷卻能力設(shè)計(jì)有重要影響，這主要是涉及到電池內(nèi)部的傳熱設(shè)計(jì)，比如熱量傳遞路徑、傳熱介質(zhì)、電池芯體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等，電池自身發(fā)熱和能夠被帶走的熱量不能等同，這一點(diǎn)必須由電池總成的臺架試驗(yàn)進(jìn)行測定，然后輸入給外部熱管理系統(tǒng)；     電池模塊布置方式也是重要影響因素，但這與整車布置空間、碰撞安全等相關(guān)，在進(jìn)行布置設(shè)計(jì)時(shí)，熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)也需密切關(guān)注和評估，并可以作為整車電池布置方案決策的輸入。    結(jié)合電池運(yùn)行特性，在后