中國(guó)粉體網(wǎng)訊 隨著國(guó)際市場(chǎng)對(duì)化石能源的消耗日益增加，為了解決環(huán)境惡化的問(wèn)題，世界各國(guó)不斷調(diào)整相應(yīng)的能源結(jié)構(gòu)，以期改變對(duì)化石能源的依賴(lài)，其中電動(dòng)汽車(chē)的推廣成為重要的組成部分，與傳統(tǒng)汽車(chē)相比，電動(dòng)汽車(chē)具有節(jié)能環(huán)保、能量利用率高等特點(diǎn)。如果電動(dòng)汽車(chē)能夠得到大力推廣與使用，將極大地緩解當(dāng)今日益突出的能源問(wèn)題。
自上世紀(jì)90年代起，為了搶占市場(chǎng)國(guó)外許多汽車(chē)企業(yè)在電動(dòng)車(chē)的研發(fā)和推廣過(guò)程中投入了大量的資源。世界各國(guó)政府也相繼出臺(tái)了相應(yīng)的政策扶持電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)的發(fā)展，比如美國(guó)主要采取的措施：新一代的汽車(chē)伙伴關(guān)系計(jì)劃；自由汽車(chē)合作伙伴計(jì)劃。日本主要采取的措施：著力研發(fā)低排放量的汽車(chē)；日本氫能和燃料電池示范工程。歐盟主要采取的措施：著力研發(fā)電動(dòng)汽車(chē)的燃料電池的關(guān)鍵技術(shù)；燃料電池發(fā)展示范計(jì)劃；燃料電池公共汽車(chē)示范項(xiàng)目；電動(dòng)汽車(chē)的城市分布系統(tǒng)方案。中國(guó)主要采取的措施：電動(dòng)汽車(chē)、燃料電池汽車(chē)以及中國(guó)863電動(dòng)汽車(chē)研發(fā)計(jì)劃；中國(guó)973電動(dòng)汽車(chē)專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃。
當(dāng)前電動(dòng)汽車(chē)主要分為3種類(lèi)型:燃料電池汽車(chē)、純電動(dòng)汽車(chē)以及混合動(dòng)力汽車(chē)。其中燃料電池汽車(chē)主要以氫燃料電池為主，其發(fā)展主要受到儲(chǔ)氫材料的制約�；旌蟿�(dòng)力汽車(chē)的發(fā)展前景并不明朗，目前發(fā)展較快的主要是以鋰電池為動(dòng)力源的純電動(dòng)汽車(chē)。然而在鋰電池電動(dòng)汽車(chē)迅猛發(fā)展的今天，隨著市場(chǎng)上純電動(dòng)汽車(chē)保有量的不斷增加，鋰電池的熱安全問(wèn)題逐漸限制純電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展。
動(dòng)力電池是電動(dòng)汽車(chē)的基礎(chǔ)，其熱特性是影響電池安全、壽命和使用安全的重要因素。在使用過(guò)程中，伴隨著能量的交換和轉(zhuǎn)移，電池組自身也產(chǎn)生熱效應(yīng)，這種熱效應(yīng)如果沒(méi)有進(jìn)行合理的控制，容易造成產(chǎn)熱不均、溫度分配不均、電池間溫差較大等問(wèn)題。長(zhǎng)此以往，必然會(huì)導(dǎo)致部分電池系統(tǒng)的充放電性能、容量和使用壽命等下降，從而影響電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)l(fā)熱失控危害駕駛?cè)说纳踩?/p>
那么溫度對(duì)鋰電池究竟有著怎樣的影響呢？根據(jù)相關(guān)資料，溫度對(duì)鋰離子電池的影響主要集中在以下幾個(gè)方面：
1.容量衰減，溫度的變化直接影響鋰電池內(nèi)部材料的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響鋰電池容量的變化；溫度越高內(nèi)部材料的臨界失效越嚴(yán)重，電池的容量衰減也越快。
2.熱失控，在鋰電池工作過(guò)程中因?yàn)殇囯姵刈陨淼臒嶙栊?yīng)，會(huì)產(chǎn)生發(fā)熱現(xiàn)象，如果不能很好的對(duì)這種熱效應(yīng)進(jìn)行處理，大量熱量會(huì)積聚在電池內(nèi)部，誘發(fā)有害化學(xué)反應(yīng)的增加，進(jìn)而引起連鎖反應(yīng)使電池的發(fā)熱現(xiàn)象失去控制，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起電池鼓包甚至爆炸。
3.低溫特性，低溫狀態(tài)下，鋰電池內(nèi)部的導(dǎo)電介質(zhì)受到影響，其導(dǎo)電能力受到削弱，放電過(guò)程中電極兩端的能量交換效率降低而充電過(guò)程中的效率受低溫的影響并不十分明顯，因此會(huì)產(chǎn)生過(guò)充現(xiàn)象導(dǎo)致電極附近出現(xiàn)鋰枝晶現(xiàn)象，進(jìn)而影響鋰電池的各項(xiàng)性能指標(biāo)，嚴(yán)重時(shí)甚至刺破隔膜造成短路引起火災(zāi)或爆炸。
鋰離子電池的最佳溫度區(qū)間、工作溫度區(qū)間和可承受溫度區(qū)間分別為10～35℃、-20～45℃和-40℃～60℃。10～35℃這一溫度區(qū)間為鋰電池的理想工作狀態(tài)。在-20～45℃區(qū)間內(nèi)鋰電池壽命衰減較小，仍能夠正常工作。然而，當(dāng)溫度在-20～-40℃內(nèi)時(shí)，電解液可能會(huì)凝固，阻礙鋰離子的流動(dòng)，導(dǎo)致阻抗增加，電池容量明顯下降。當(dāng)溫度超過(guò)60℃時(shí)，鋰離子的化學(xué)特性開(kāi)始變得越來(lái)越不穩(wěn)定，電池內(nèi)部有害化學(xué)反應(yīng)速率較高，可能會(huì)破壞電池，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生事故。
鋰離子電池3類(lèi)工作溫度
為了使鋰電池電動(dòng)汽車(chē)的安全性得到充分的保障，如何對(duì)鋰電池?zé)嵝?yīng)進(jìn)行有效的控制成為一個(gè)不可忽視的問(wèn)題。在探索如何處理鋰電池?zé)嵝?yīng)的過(guò)程中，科研工作者和工程師們不斷貢獻(xiàn)自己的智慧，開(kāi)拓出多種多樣的方式。
如何對(duì)鋰電池進(jìn)行有效的熱控制呢？總體的思路是從源頭開(kāi)始，貫穿整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈，在每個(gè)細(xì)節(jié)都嘗試進(jìn)行控制。從電池機(jī)理上入手的探索思路是開(kāi)發(fā)新的電極材料和介質(zhì)材料，使用更高效、穩(wěn)定的材料進(jìn)行鋰電池的生產(chǎn)開(kāi)發(fā)，從源頭保證鋰電池的安全應(yīng)用。然而當(dāng)前的科研工作還不能很好的滿足生產(chǎn)生活需要，如何在現(xiàn)有的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)上對(duì)鋰電池進(jìn)行安全優(yōu)化便成為焦點(diǎn)。
目前主流的鋰電池?zé)峁芸胤绞街饕譃橐韵聨追N：空氣冷卻、液體冷卻、熱管冷卻、基于相變材料的冷卻方式。這四種鋰電池的熱管控方式各有特點(diǎn)。
典型熱管控技術(shù)的特點(diǎn)
空氣冷卻主要是以空氣為介質(zhì)進(jìn)行熱交換，通過(guò)空氣的流通來(lái)對(duì)發(fā)熱的鋰電池組進(jìn)行降溫處理，根據(jù)空氣流動(dòng)的方向和制冷結(jié)構(gòu)布局，可以將空氣冷卻方式簡(jiǎn)單的分為串行和并行兩種冷卻方式。按照空氣的驅(qū)動(dòng)方式又可以分為自然通風(fēng)和強(qiáng)制通風(fēng)�？諝饫鋮s的熱控制方式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輕便、壽命長(zhǎng)、可靠性高、成本低等特點(diǎn)，然而空氣的比熱容較低，空氣冷卻難以處理大量的熱量，因此其應(yīng)用具有一定的局限。早期的電動(dòng)汽車(chē)多選用這種技術(shù)。
串行空氣冷卻
并行空氣冷卻方式
液體冷卻是以液體作為導(dǎo)熱介質(zhì)進(jìn)行的熱量控制方式。根據(jù)是否與電池接觸，可以分為非接觸式和非接觸式；根據(jù)液體流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式可以分為主動(dòng)式冷卻和被動(dòng)式冷卻；根據(jù)液體的流動(dòng)通道又可以分為管式液冷、板式液冷。與空氣冷卻的方式相比，液冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高。但是相交于空氣，液體導(dǎo)熱介質(zhì)的比熱容有著更大的調(diào)整空間，其散熱效率和散熱速度也更可觀。目前電動(dòng)汽車(chē)主要應(yīng)用液體冷卻系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行鋰電池?zé)峁芸亍?/p>
主動(dòng)式液體冷卻方式
被動(dòng)式常規(guī)液體冷卻方式
板式液體冷卻方式
熱管冷卻的冷卻模式類(lèi)似于空調(diào)的制冷機(jī)理，按照其傳熱機(jī)理可以將制冷系統(tǒng)分割為蒸發(fā)端、絕熱端和冷凝端三個(gè)部分。在冷卻過(guò)程中主要依靠冷卻介質(zhì)發(fā)生相變來(lái)實(shí)現(xiàn)換熱過(guò)程，相較于液冷系統(tǒng)熱管冷卻具有更高的散熱效率和散熱速度。同時(shí)因?yàn)槔鋮s介質(zhì)密封于密閉空間，降低了導(dǎo)熱介質(zhì)泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，熱管具有更高的安全性。然而熱管制冷的成本較高，性?xún)r(jià)比較低，比較適合應(yīng)用于經(jīng)常工作在高倍率工況的鋰電系統(tǒng)。
基于相變材料的冷卻體系是指利用在特定溫度下發(fā)生相變吸收或釋放能量的材料，通過(guò)材料的熱量變化來(lái)保持鋰電池系統(tǒng)維持在一個(gè)適宜的溫度區(qū)間。相變冷卻具有結(jié)構(gòu)緊湊、接觸熱阻低、冷卻效果好等優(yōu)點(diǎn)，然而相變材料吸收的熱量需要依靠液冷系統(tǒng)、風(fēng)冷系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)等導(dǎo)出，否則相變材料無(wú)法持續(xù)吸收熱量導(dǎo)致失效。此外，相變材料占空間，成本高。因此，相變冷卻技術(shù)多和其它熱管理技術(shù)結(jié)合起來(lái)使用，能起到均勻電池溫度分布、降低接觸熱阻以及提高散熱速度等作用。
在鋰電池的熱管控探索中，除了從電池材料到導(dǎo)熱方式的革新之外，還應(yīng)該有一套維持電動(dòng)車(chē)所有蓄電池組件的工作，并使其處于最佳狀態(tài);采集車(chē)輛的各個(gè)子系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，進(jìn)行監(jiān)控和診斷;控制充電方式和提供剩余能量顯示等職責(zé)的能量管理系統(tǒng)。因此，研究新的動(dòng)力傳動(dòng)配置和控制器以及更具有通用性的能量管理系統(tǒng)已經(jīng)成為目前的發(fā)展方向。
參考資料：
鐘國(guó)彬，大容量離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的熱管理技術(shù)現(xiàn)狀分析
楊洋，純電動(dòng)汽車(chē)鋰離子電池組液冷散熱系統(tǒng)研究
許志龍，電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池的發(fā)展與溫度管理現(xiàn)狀研究
劉卓然，國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/江岸）
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