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新能源汽車動(dòng)力電池三大熱傳導(dǎo)介質(zhì)材料熱管理系統(tǒng)解析

目錄：導(dǎo)熱材料行業(yè)動(dòng)態(tài)星級(jí)：3星級(jí)人氣：-發(fā)表時(shí)間：2018-07-10 15:25:00
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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。

據(jù)動(dòng)力電池的使用特點(diǎn)、要求、應(yīng)用領(lǐng)域不同, 國(guó)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)展獲得最為的關(guān)注。
動(dòng)力電池產(chǎn)熱行為
動(dòng)力電池模塊的熱來(lái)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)極、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(lái)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(shì)，而由電池極化引起的能量損失用Qp來(lái)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(guò)程中產(chǎn)生的副反應(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(guò)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(guò)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(kāi)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(guò)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。然而，在啟動(dòng)和加速時(shí)，電流比較大。這對(duì)于HEV來(lái)說(shuō)，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(lái)源。
從熱管理控制性的角度，熱管理系統(tǒng)可以分為主動(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、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(duì)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(guò)電池模塊以達(dá)到散熱目的，一般需有風(fēng)扇、進(jìn)出口風(fēng)通等部件。

（動(dòng)力電池風(fēng)冷原理圖）
根據(jù)進(jìn)風(fēng)來(lái)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動(dòng)式冷卻／加熱

（風(fēng)冷系統(tǒng)串行/并行方式）
被動(dòng)式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)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(guò)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)，則需要建立單獨(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。
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(duì)流和導(dǎo)熱兩種形式進(jìn)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(dòng)式液體冷卻一般是通過(guò)液體－環(huán)境空氣換熱后再將繭引入電池進(jìn)行二次換熱，而主動(dòng)式則是通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液－液體介質(zhì)換熱器，或者電加熱／熱油加熱實(shí)現(xiàn)一級(jí)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(jí)冷卻。

（液冷系統(tǒng)原理圖）
對(duì)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(guò)于龐大、復(fù)雜，同時(shí)也消耗了電池能量、陣低了電池的功率密度和能量密度。

（風(fēng)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?zé)崂?，?jīng)電池冷卻器傳遞至空調(diào)制冷劑系統(tǒng)，并通過(guò)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國(guó)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（膨脹閥帶截至閥）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。
相變蓄熱式熱管理
近年來(lái)在國(guó)外和國(guó)內(nèi)出現(xiàn)采用相變材料 ( PCM)冷卻的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)宸現(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，而使電池溫度迅速陣低。
（典型風(fēng)冷疊加相變散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)）
此過(guò)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(shì)。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)中可以有效吸收充放電過(guò)程中放出熱量，降低電池溫升，保證電池在正常溫度下工作。可以使大電流循環(huán)前后電池性能保持穩(wěn)定。通過(guò)在石蠟中添加熱導(dǎo)熱率高的物質(zhì)制成復(fù)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(duì)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(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，值得進(jìn)一步研究衵產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)應(yīng)用。
另外，從電池設(shè)計(jì)和熱管理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)兩個(gè)環(huán)節(jié)來(lái)看，應(yīng)從戰(zhàn)略高度將兩者有機(jī)結(jié)合起來(lái)，進(jìn)行同步開(kāi)發(fā)，  使電池更好地適應(yīng)整車應(yīng)用和開(kāi)發(fā)，這祥既能節(jié)約整車成本，又能降低應(yīng)用難度和開(kāi)發(fā)成本，形成平臺(tái)化應(yīng)用，從而縮短新能源汽車的開(kāi)發(fā)周期，加快不同新能源車型的市場(chǎng)化進(jìn)度。
（本文作者系上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心工程師 圖片源于網(wǎng)絡(luò)）
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