中國粉體網(wǎng)訊 隨著國際市場對(duì)化石能源的消耗日益增加，為了解決環(huán)境惡化的問題，世界各國不斷調(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，其中電動(dòng)汽車的推廣成為重要的組成部分，與傳統(tǒng)汽車相比，電動(dòng)汽車具有節(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題。
自上世紀(jì)90年代起，為了搶占市場國外許多汽車企業(yè)在電動(dòng)車的研發(fā)和推廣過程中投入了大量的資源。世界各國政府也相繼出臺(tái)了相應(yīng)的政策扶持電動(dòng)汽車市場的發(fā)展，比如美國主要采取的措施：新一代的汽車伙伴關(guān)系計(jì)劃；自由汽車合作伙伴計(jì)劃。日本主要采取的措施：著力研發(fā)低排放量的汽車；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；燃料電池公共汽車示范項(xiàng)目；電動(dòng)汽車的城市分布系統(tǒng)方案。中國主要采取的措施：電動(dòng)汽車、燃料電池汽車以及中國863電動(dòng)汽車研發(fā)計(jì)劃；中國973電動(dòng)汽車專項(xiàng)規(guī)劃。
當(dāng)前電動(dòng)汽車主要分為3種類型:燃料電池汽車、純電動(dòng)汽車以及混合動(dòng)力汽車。其中燃料電池汽車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。然而在鋰電池電動(dòng)汽車迅猛發(fā)展的今天，隨著市場上純電動(dòng)汽車保有量的不斷增加，鋰電池的熱安全問題逐漸限制純電動(dòng)汽車的發(fā)展。
動(dòng)力電池是電動(dòng)汽車的基礎(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題。長此以往，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，放電過程中電極兩端的能量交換效率降低而充電過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60℃時(shí)，鋰離子的化學(xué)特性開始變得越來越不穩(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類工作溫度
為了使鋰電池電動(dòng)汽車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)不可忽視的問題。在探索如何處理鋰電池?zé)嵝?yīng)的過程中，科研工作者和工程師們不斷貢獻(xiàn)自己的智慧，開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，通過空氣的流通來對(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)簡單、輕便、壽命長、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)汽車主要應(yīng)用液體冷卻系統(tǒng)來進(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。在冷卻過程中主要依靠冷卻介質(zhì)發(fā)生相變來實(shí)現(xiàn)換熱過程，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，性價(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，通過材料的熱量變化來保持鋰電池系統(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)車所有蓄電池組件的工作，并使其處于最佳狀態(tài);采集車輛的各個(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)汽車鋰離子電池組液冷散熱系統(tǒng)研究
許志龍，電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的發(fā)展與溫度管理現(xiàn)狀研究
劉卓然，國內(nèi)電動(dòng)汽車發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/江岸）
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