锂离子动力电池热管理系统的关键技术

锂离子动力电池热管理系统的关键技术

王鹏

（天津力神电池股份有限公司天津300000）

摘要：随着产业规模的扩大，以及动力电池回收利用的规模化应用，未来动力电池还有进一步下降的空间。锂离子动力电池是现阶段电动汽车的最优选择，也是新能源汽车中应用最广泛的电池。因此文章就锂离子动力电池热管理系统的关键技术方面进行略述，以期推动我国动力电池的进一步发展。

关键词：锂离子动力电池；热管理系统；加热方式；冷却方式

新能源汽车的发展，既可以有效应对能源危机和环境污染的挑战，实现汽车产业的可持续发展，也可实现中国汽车产业的跨越式发展。随着电动汽车产业化进程逐步深入，各国政府及企业均加大力度发展动力电池产业。锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长、一致性好、安全性好等优点。因此锂离子动力电池是新能源汽车现阶段的最优选择，已成为新能源汽车目前最广泛应用的动力电池。

一、锂离子电池的产热本质

锂离子电池主要由正极、负极、隔膜、电解液、正负极柱和外壳等部分组成。锂离子在正极和负极之间循环往复的嵌入和脱嵌的过程，就是锂离子电池化学能与电能相互转化的过程。

（一）锂离子电池充放电过程

锂离子电池充放电过程，如式（1）-式（6）所示（式中M代表Co，Ni，Fe等金属元素）。①充电过程

正极反应：LiMO2→Li（1-x）MO2+xLi++xe（1）

负极反应：xLi++xe-+6C→LixC6（2）

总反应：LiMO2+6C→Li（1-x）MO2+LixC6（3）

②放电过程

负极反应：LixC6→xLi++xe-+6C（4）

正极反应：Li（1-x）MO2+xLi++xe-→LiMO2（5）

总反应：Li（1-x）MO2+LixC6→LiMO2+6C（6）

依照上述充放电过程所发生的反应，从电化学的角度分析，锂离子电池的产热本质就是电池内部的化学和电化学反应以及其引起的热行为。研究发现，锂离子电池内部的生热主要由8方面组成：负极与溶剂的反应，正极的分解反应，隔膜的分解反应，负极与氟化粘结剂的反应，电解液的分解反应，锂金属的反应，活性物质的焓变，欧姆电阻生热等。而通常在正常工作温度下，锂电池主要发生电化学反应热、极化电阻生热、欧姆电阻生热，当温度继续升高后才会发生其他反应。

（二）正常温度工作情况时锂离子电池生热量

锂离子电池在正常温度工作情况下，通常将在充放电过程中锂离子电池的生热量简化为4个主要部分，包括反应热Qr，焦耳热Qj，极化热Qp和副反应热Qs。①反应热Qr反应热Qr指锂离子电池内部充放电时化学反应所产生的热。充电时为负值，放电时为正值。反应热可由式（7）计算：

Qr=3600QI/F=0.0104IQ（7）

式中：Qr的单位为W；Q代表电池内部化学反应产生热量的代数和，单位为kJ/mol；I代表充放电电流，单位为A；F代表法拉第常数，其值为96484.5C/mol。②焦耳热Qj焦耳热Qj指锂离子电池在充电时，电流通过内阻时产生的热量，这部分热量始终为正值。焦耳热可由式（8）计算：

Qj=I2Re（8）

式中：Qj的单位为W；I为充电电流，单位为A；Re为欧姆电阻，单位为Ω。③极化热Qp极化热Qp指在充放电过程中，锂离子电池的电极表面发生极化现象而产生的热量，这部分热量也始终为正值。极化热可由式（9）计算：

Qp=I2Rp（9）

式中：Rp表示极化电阻，单位为Ω；I为充电电流，单位为A。

④副反应热Qs

副反应热Qs为锂离子电池自放电现象引起电极分解反应所产生的热量。通常情况下可忽略不计。因此，锂离子电池实际产生热量Qt可由式（10）计算：

Qt=Qr+Qj+Qp（10）

通过以上分析可知：极化热和焦耳热始终为正值，而反应热在充电过程为负值，放电过程为正值，因此锂离子电池在放电时的生热速率要高于充电时的生热速率，这也就表示电池放电时的温度要高于充电时的温度。

二、锂离子动力电池热管理系统的关键问题

（一）锂离子动力电池的工作温度

锂离子电池和其他电池相比虽然具有自放电功率小、循环寿命长等诸多优点，但锂离子电池仍有其缺陷，主要体现在其受温度影响较大和热失控后安全性较差等方面。因此，动力电池系统中的热管理系统，需要保证电池始终处在一个比较舒适的温度环境（保持在0-45℃范围内较为合适，在20℃-30℃范围为最佳）下工作，不然一旦动力电池系统中某一锂离子单体电池的温度超过50℃时，甚至更高之后，电池的循环寿命会急剧下降，并且可能会出现热失控等严重的安全问题。另外，单体电池之间温度的一致性也是影响动力电池系统整体工作性能的关键因素，一般要求单体电芯之间的温差不应大于6℃。

（二）动力电池系统热管理方式的选择

1.动力电池系统的冷却方式

根据不同的传热介质，常用的冷却方式可分为空气冷却、液体冷却和相变冷却等。在实际应用中，根据不同的工作情况、电池种类、电池形状、电池箱结构、尺寸和功率等要求，选择不同的冷却方式，也可以多种冷却方式混合使用。自然散热、强制风冷和液体冷却方式，都是利用冷却介质流过热功率表面时发生的对流换热将热量带走，过程中冷却介质不发生相变。相变制冷则是相变材料在冷却的过程中发生相变，吸热带走电池产生的热量。

2.动力电池系统的加热方式

由于汽车地域适用性范围较为广泛，在冬季寒冷地区要使电动车辆能正常使用，必须对动力电池加入加热系统以满足要求。动力电池系统常见的加热方式有：电加热膜加热、陶瓷PTC加热和液体加热。加热系统的功能是快速地将电池系统中所有电池单体的温度加热到特定的温度，并保证加热过程中电池单体的温度一致性。对于升温速率和加热均匀性的控制目标需要根据客户要求和电芯本身的特性来定，一般要求电池单体的升温速率在0.15℃～0.8℃/min范围内，电池单体间的温差控制在10℃～15℃以内。

三、锂离子动力电池热管理系统关键技术

目前，商用的锂离子动力电池按照电芯封装工艺不同可分为硬壳和软包，硬壳按照外形不同可分为圆柱形和方形。方形动力电池开始以钢壳为主，现在以铝壳居多，具有散热性好、易成组设计和可靠性好等优点。圆柱形动力电池和方形动力电池相比具有体积小、制造和储存方便、串并联的方案多样化等优点。通过CAE技术，可以仿真模拟出单体电池或者模组的电热特性。据相关研究，基于COMSOLMULTIPHYSICS应用CAE技术，建立了三维热仿真模型，定量的分析了不同工作电流条件下圆柱形锰酸锂电池单体及三并五串电池模块的温度分布情况。为研究单体电池在不同电流下的热效应，对上述单体分别进行不同倍率的放电。可知8C以上倍率电池温升几乎呈直线上升。这是因为在此高倍率下，电池内部生热率非常高，而外部对流相对较小，电池的生热率远大于散热率，热量不断累积，使得单体中心位置温度急剧升高；在1C放电条件下，由于单位时间内电芯产热较小，电池内部生热量能够很好的散失到周围环境，电池基本保持热平衡状态，放电结束后温度升幅很小。以上仿真结果很好的验证了自然冷却、强制空气冷却和水冷却的效果，对实际工程中设计电池热管理系统提供了有力的证据，并且对模块温度采集点位置的选定具有很重要的参考作用。

总之，动力电池热管理系统就是通过冷却或者加热方式对电池系统进行温度控制，以保证在极端温度下电池仍可保持合理的工作温度。同时，借助CAE技术，对锂离子动力电池热管理系统进行仿真研究，能够为电池热管理系统的合理设计提供有益的参考。

参考文献：

[1]饶中浩.锂离子动力电池强化传热关键技术研究[D].广东工业大学，2010

[2]王芳，夏军等.电动汽车动力电池系统设计与制造技术[M].北京：科学出版社，2017