新能源汽車動力電池三大熱傳導介質(zhì)材料熱管理系統(tǒng)解析
新能源汽車的關(guān)鍵技術(shù)之一是動力電池，電池的好壞一方面決定著電動汽車的成本, 另一方面決定著電動汽車的續(xù)駛里程，這兩項也是新能源汽車是否能為廣大消費者接受和迅速得到普及的關(guān)鍵因素。
據(jù)動力電池的使用特點、要求、應用領域不同, 國內(nèi)外動力電池的研發(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)展獲得最為的關(guān)注。
動力電池產(chǎn)熱行為
動力電池模塊的熱來源、產(chǎn)熱速率、 電池熱容等有關(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、機極、電學本質(zhì)和特征， 特別是電化學反應的本質(zhì)。電池反應中產(chǎn)生的熱能，可以用電池反應熱Qr來表示；電化學極化使電池實際電壓偏離其平衡電動勢，而由電池極化引起的能量損失用Qp來表示。電池反應除了按照反應方程式進行之外，還存在一些副反應，典型的副反應包括電解液分解及電池自放電，這個過程中產(chǎn)生的副反應熱為Qs。此外，由于任何電池都會不可避免地存在電阻，故電流通過時就會產(chǎn)生焦耳熱Qj。 因此，一個電池總的熱量為如下幾個方面的熱量總和：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，Qr 是主導因素；而在電池充電后期，由于電解液的分解，導致了副反應開始發(fā)生（副反應熱為Qs)，當電池 接近充滿電而進行過充電時，主要發(fā)生的是電解液分解，這時Qs占主導地位 。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行的，此時Qj是一個特定值。然而，在啟動和加速時，電流比較大。這對于HEV來說，相當于幾十安培到上百安培的電流，這時候焦耳熱Qj很大，成為了電池放熱的主要來源。
從熱管理控制性的角度，熱管理系統(tǒng)可以分為主動式、被動式兩類。 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、液體冷卻式，以及相變蓄熱式。
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，使其流過電池模塊以達到散熱目的，一般需有風扇、進出口風通等部件。
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（動力電池風冷原理圖）
根據(jù)進風來源的不同，一般有以下幾種形式：
1 外界空氣通風被動式冷卻
2.乘客艙空氣通風被動式冷卻／加熱
3.外界或乘客艙空氣主動式冷卻／加熱
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（風冷系統(tǒng)串行/并行方式）
被動式的系統(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。
而主動式系統(tǒng)，則需要建立單獨系統(tǒng)，提供加熱或冷卻的功能，根據(jù)電池狀態(tài)獨立控制，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。
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)之間建立傳熱通通，比如水套，以對流和導熱兩種形式進行間接式加熱和冷卻，傳熱介質(zhì)可以采用水 、乙二醇甚至制冷劑。 也有把極塊沉浸在電介質(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。
被動式液體冷卻一般是通過液體－環(huán)境空氣換熱后再將繭引入電池進行二次換熱，而主動式則是通過發(fā)動機冷卻液－液體介質(zhì)換熱器，或者電加熱／熱油加熱實現(xiàn)一級加熱，以乘客艙空氣／空調(diào)制冷劑－液體介質(zhì)實現(xiàn)一級冷卻。
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（液冷系統(tǒng)原理圖）
對以空氣和液體為介質(zhì)的熱管理系統(tǒng)由于需要風扇、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、復雜，同時也消耗了電池能量、陣低了電池的功率密度和能量密度。
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（風冷+水冷系統(tǒng)原理圖）
水冷式電池冷卻系統(tǒng)采用冷卻液 (50%水／50%乙二醇）將電池熱里，經(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，電池進口水溫經(jīng)電池冷卻器換熱后容易達到較低的溫度，可調(diào)節(jié)電池在最佳工作溫度范國內(nèi)運行；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、電動壓縮機 、蒸發(fā)器、膨脹閥帶截至閥、電池冷卻器（膨脹閥帶截至閥）及空調(diào)管等；冷卻水路包括：電動水泵、電池（含冷卻板）、電池冷卻器以及水管、膨脹水箱等輔件。
相變蓄熱式熱管理
近年來在國外和國內(nèi)出現(xiàn)采用相變材料 ( PCM)冷卻的電池熱管理系統(tǒng)宸現(xiàn)出良好前景。利用 PCM 進行電池冷卻原理是： 當電池進行大電流放電時，PCM吸收電池放出的熱量，自身發(fā)生相變，而使電池溫度迅速陣低。
（典型風冷疊加相變散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)）
此過程是系統(tǒng)把熱量以相變熱的形式儲存在 PCM中。在電池進行充電的時候，特別是在比較冷的天氣環(huán)境下（亦即大氣溫度遠低于相變溫度PCT ) PCM 把熱量排放到環(huán)境中去。
相變材料用于電池熱管理系統(tǒng)中具有不需要運動部件、不需要耗費電池額外能量等優(yōu)勢。具有高的相變潛熱和導熱率的相變材料，用于電池組的熱管理系統(tǒng)中可以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熱率高的物質(zhì)制成復合PCM，有助于提高材料的綜合性能。
（相變熱管理系統(tǒng)溫度變化對比）
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厚的優(yōu)勢，值得進一步研究衵產(chǎn)業(yè)化開發(fā)應用。
另外，從電池設計和熱管理系統(tǒng)開發(fā)兩個環(huán)節(jié)來看，應從戰(zhàn)略高度將兩者有機結(jié)合起來，進行同步開發(fā)， 使電池更好地適應整車應用和開發(fā)，這祥既能節(jié)約整車成本，又能降低應用難度和開發(fā)成本，形成平臺化應用，從而縮短新能源汽車的開發(fā)周期，加快不同新能源車型的市場化進度。
（本文作者系上海汽車集團股份有限公司技術(shù)中心工程師 圖片源于網(wǎng)絡）
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