动力电池热管理设计研究探讨

第四篇：动力电池热管理设计研究探讨

纯电动汽车的主要能量来源为动力电池系统，其性能直接影响整车的经济性、动力性和可靠性。电动汽车与传统燃油汽车最大的区别是用动力电池作为动力驱动，而作为衔接电池组、整车系统和电机的重要纽带，电池管理系统(BMS)的重要性不言而喻。完善的 BMS能够有效提高电池的利用率，防止电池出现过充电和过放电，并且延长电池的使用寿命，监控电池组及各电池单芯的运行状态，有效预防电池组自燃，实现突发事件预警，为保障安全赢得时间。

笔者在梳理电池管理系统开发过程中的关键技术，为动力电池管理系统设计，测试生产提供理论基础。计划分为5个篇章来整理电池管理系统的开发中关键技术，今天首先聊一下第四篇章动力电池热管理设计研究探讨。

图1 电池管理系统开发过程中的关键技术

根据前几章节可以发现电池的温度对于电池的状态参数估计，电池均衡策略均有重要影响。电池管理系统中合理设计电池温控系统，对于电池的工作具有重要作用。因此我们需要从电池生热机理，传热机制进行分析，然后利用单体模型构建电池包进行仿真设计，选取合适的相变材料作为电池工作中的储热材料，准确设计电池包散热结构。

●动力电池的产热机理

锂离子电池产生的热量一般分为四部分：反应热、焦耳热、极化热、副反应热。相关研究表面当对电池温度低于70℃时，电池热量主要由焦耳热和极化热组成，当电池温度升高超过70℃时，反应热大幅度增加，占电池热量主要部分。

图2 电池热量的主要构成

●动力电池的传热机理

根据热力学第二定律可知，存在温差的地方都有热量传递，且都是从高温物体传递到低温物体，而热量传递的三种基本方式为热传导、热对流、热辐射。对锂离子电池来说，这三种热传递方式均有可能存在。

图3 电池传热方式

锂电池正负极材料和隔膜的多孔结构，电解液趋于静止状态，热对流近乎忽略不计。电池外壳存在包裹材料而且不透明，内部与外界热辐射非常小，电池传导方式主要是以热传导为主。由于电池内部的热传导特性跟自身因素有关，因此我们无法改变电池内部的热传导；但是我们可以通过改变电池表面与外界进行热对流的换热介质和换热条件，所以我们需要从电池与外界换热方面考虑，设计更加高效的电池热管理系统。

●单体电池热模型建立及验证

建立单体锂离子电池热模型，对于仿真电池充放电过程中实时发热情况具有重要作用。行业内一般根据电池等效比热容，导热系数，密度和生热速率进行计算电池热物性参数。通过仿真软件（Anasys Fluent软件）建立锂离子电池热模型，模拟生热温度场。实验表面，电池温升曲线与电池放电倍率成正比，电池热模型能够准确仿真电池表面温度场变化。

图4 电池充放电表面温升试验

●电池包散热方式

根据传热介质不同，电池散热方式主要分为空冷，液冷及相变材料冷却等三种方式。空气冷却，结构简单，没有漏液的风险，成本较低。但是缺点在于与电池壁面换热系数较低，加热速度慢。液冷优点换热系数高，冷却速度快，体积小，但是重量大，有漏液风险，结构相对复杂。采用相变材料作为散热介质的电池热管理系统由于相变材料在相变时温度保持恒定的温度特性，可以将电池组的最大温差控制在较小的范围内。并且相变潜热相对很高，少量的材料就可以存储大量的热，可明显降低重量，有利于车辆的轻量化。还有一个显著的优点就是不消耗电池能量。相变材料已然成为动力电池散热的一种理想介质。

目前针对新型轻质形状稳定复合相变材料，主要成分有石蜡，膨胀石墨，高密度乙烯，碳纤维等，目前针对相变材料的发展方向存在两个趋势：

◎采用调整成分比例进行提升导热材料效率。

◎优化相变材料的布置及强度，例如通过3D打印蜂窝结构增加强度，并保证在结构优化后不改变相变材料的导热率。

总结：

1.基于相变材料的电池热管理系统有很多优点，但是相变材料的潜热存储有限，在极端情况下，电池产热无法继续吸收，造成热失控。因此各大电池厂商常用和液冷散热相结合方式进行。

2. 进一步提高 BMS安全性能和故障诊断技术，安全性能包括热管理的安全和电池高压安全，如何更稳定的控制电池内部热均衡，防止对车辆和驾驶人员造成伤害，尤其在车辆受到外力冲击作用下，对电池管理安全性能，还需要大量的试验研究，当以上问题措施失效时，电池管理系统能够及时有效做出判断和预警保证人员和车辆的安全性，都将是重点研究方向。

审核编辑 ：李倩