电动汽车电池热管理技术

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概 述

与传统燃油汽车的热管理主要集中在发动机舱不同，电动汽车的热管理不仅出现在电机和传动系统上，也出现在作为储能介质的电池上。

一方面，热管理对电池的寿命有着重大的影响。Hingordni的研究表明，电池的化学反应速率与温度呈几何级数关系曲线，温度每上升10℃，电池内部的电化学反应速率将加倍。Somogye的研究表明，镍氢电池长期工作在45℃ 下，其循环寿命 将减少60%。

另一方面，电池热管理也决定了汽车的功率。Todd M．Bandhauer等开展了关于锂离子电池在高温环境下使用情况的研究，其结果表明过高的温度将导致电池内部某活性物质的惰性转变及欧姆热阻的增长，使电池的充放电容量和功率等出现不同程度的降级。

因此，电池热管理系统是具有很高研究价值的问题，一是要控制不同单体电池的工作温差，使电池组具有的一致性的温度。二是要控制电池的工作温度，对其使用寿命和使用性能进行制约。

电池热管理技术分类

为实现较低的工作温差和热量积累，需要根据车辆运行过程中释放的总热量以及电池类型的不同，采取不同的热管理策略，一般分为风冷、液冷、相变材料冷却、热管冷却。

根据需要，有时会采取多种冷却技术的配合使用。例如液冷系统，一般也采用风冷的方式给冷却液散热。由于液体介质的比热容、对流换热系数远大于空气，相比于单独使用风冷，电池的热量能够更快速地被带走。

早期的电动汽车使用较为简单的风冷技术，分为自然风冷和强制风冷，按照风道进行划分，则可以分为并行通风和串行通风。日本的混合动力汽车厂商 Prius 和Insight采用串行通风的方式冷却电池组，其后 Pesaran等分别采用串行通风和并行通风两种方式对电池组进行冷却。风冷的散热能力有限，从冷却介质的物理特性来看，空气的对流换热系数为5~25（自然对流）、20~300（强制对流），水的对流换热系数为200~1000（自然对流）、1000~15000（强制对流），专用的冷却液性能则会更好。

相变材料冷却是通过相变材料，在相变过程*后产生的恒温特点和相变潜热特性，对电池中产生的热量进行吸收。以水为例，水存在三种相态形式分别为普通液态水、固态冰和气态水蒸气。三种相态间的转化称为相变，而相变过程中伴随放热或吸热，液态水蒸发吸热，水蒸气冷凝放热。新能源汽车即利用蒸发吸热、冷凝放热原理，在冷却部件内部水蒸发吸热吸收热量，冷却部件外冷凝放热向环境散发热量，散热降温后的水再次送入冷却部件吸收热量，如此循环往复保证冷却部件在正常温度工作。

热管冷却导热性高、等温性能高、热流密度可控的特点，但是其制造材料与技术工艺不成熟，主要应用于军工航天事业。而且热管产品使用寿命不高，不适合在新能源汽车上使用。

电池热管理性能研究方法

目前，液冷是市面上主流车型中*常见的电池散热方式，电动汽车动力电池组液冷系统研究进展迅速，主要研究方向集中在电池组和液冷水管的排布。

针对圆形动力电池，楼英鸾提出了梅花形排列的电池组排布方式，并做了相关的模拟和实验，结果表明采用梅花形排列的电池组的温度场分布较原来有所改善，但是整体的温差仍然高于5 ℃。眭艳辉等做了电池组叉排排列和梯形排列的模拟和实验，结果表明梯形排列的电池组较好地满足了混合动力汽车使用的动力电池组的冷却要求。

此外，也能对冷却液流量和入口温度、放电倍率进行优化。冷却液流量越大、入口温度越低，电池经过一段时间工作后的*高温度越低。

电池的放电倍率越高，耗散的热量就越多，因此需要将放电倍率与冷却系统的性能进行匹配，确保不同工况下，电池都能保持合适的工作温度。

结 语

电动汽车作为未来主流的交通工具，其能源利用效率、零部件耐久性以及安全性具有重要的研究价值。动力电池作为电动汽车*主要的能量耗散的组件之一，其冷却系统在电动汽车工作性能、工作效率和经济性上扮演着重要的角色。

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