动力电池三大传热介质热管理系统解析

新能源汽车的关键技术之一是动力电池，电池的好坏一方面决定着电动汽车的成本, 另一方面决定着电动汽车的续驶里程，这两项也是新能源汽车是否能为广大消费者接受和迅速得到普及的关键因素。

据动力电池的使用特点、要求、应用领域不同, 国内外动力电池的研发种类大致为：铅酸蓄电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池、燃料电池等，其中以锂离子电池的发展获得最为的关注。

动力电池产热行为

动力电池模块的热来源、产热速率、 电池热容等有关参数，与电池的本质密切相关。电池放出热量取决于电池的化学、机极、电学本质和特征， 特别是电化学反应的本质。电池反应中产生的热能，可以用电池反应热Qr来表示；电化学极化使电池实际电压偏离其平衡电动势，而由电池极化引起的能量损失用Qp来表示。电池反应除了按照反应方程式进行之外，还存在一些副反应，典型的副反应包括电解液分解及电池自放电，这个过程中产生的副反应热为Qs。此外，由于任何电池都会不可避免地存在电阻，故电流通过时就会产生焦耳热Qj。因此，一个电池总的热量为如下几个方面的热量总和：Qt= Qr+Qp+Qs+Qj。

根据具体充电（放电）过程的不同，引起电池产热的主要因素也不同。例如，在电池正常充电时，Qr 是主导因素；而在电池充电后期，由于电解液的分解，导致了副反应开始发生（副反应热为Qs)，当电池 接近充满电而进行过充电时，主要发生的是电解液分解，这时Qs占主导地位 。而焦耳热Qj则取决于电流和电阻，常用的充电方式是在恒定电流下进行的，此时Qj是一个特定值。然而，在启动和加速时，电流比较大。这对于HEV来说，相当于几十安培到上百安培的电流，这时候焦耳热Qj很大，成为了电池放热的主要来源。

从热管理控制性的角度，热管理系统可以分为主动式、被动式两类。从传热介质的角度，热管理系统又可以分为：空气冷却式、液体冷却式，以及相变蓄热式。

空气为传热介质的热管理

传热介质对热管理系统的性能和成本有重大的影响。采用空气作为传热介质就是直接把空气引入，使其流过电池模块以达到散热目的，一般需有风扇、进出口风通等部件。

（动力电池风冷原理图）

根据进风来源的不同，一般有以下几种形式：

1 外界空气通风被动式冷却

2.乘客舱空气通风被动式冷却／加热

3.外界或乘客舱空气主动式冷却／加热

（风冷系统串行/并行方式）

被动式的系统结构相对简单，直接利用现有环境。比如，冬季电池需要加热，可以利用乘客舱的热环境将空气吸入，若行驶中电池温度过高，乘客舱空气的冷却效果不佳，则可将外界冷空气吸入降温。

而主动式系统，则需要建立单独系统，提供加热或冷却的功能，根据电池状态独立控制，这也增加了整车能源消耗和成本。不同系统的选择主要取决于电池的使用要求。

液体为传热介质的热管理

以液体为介质的传热，需在模块与液体介质之间建立传热通通，比如水套，以对流和导热两种形式进行间接式加热和冷却，传热介质可以采用水 、乙二醇甚至制冷剂。也有把极块沉浸在电介质的液体中直接传热，但必须采用绝缘措施以免发生短路。

被动式液体冷却一般是通过液体－环境空气换热后再将茧引入电池进行二次换热，而主动式则是通过发动机冷却液－液体介质换热器，或者电加热／热油加热实现一级加热，以乘客舱空气／空调制冷剂－液体介质实现一级冷却。

（液冷系统原理图）

对以空气和液体为介质的热管理系统由于需要风扇、水泵、换热器、加热器、管路以及其它附件而使结构过于庞大、复杂，同时也消耗了电池能量、阵低了电池的功率密度和能量密度。

（风冷+水冷系统原理图）

水冷式电池冷却系统采用冷却液 (50%水／50%乙二醇）将电池热里，经电池冷却器传递至空调制冷剂系统，并通过冷凝器传递至环境中，电池进口水温经电池冷却器换热后容易达到较低的温度，可调节电池在最佳工作温度范国内运行；系统原理如图所示。其中制冷剂系统主要部件有：冷凝器、电动压缩机 、蒸发器、膨胀阀带截至阀、电池冷却器（膨胀阀带截至阀）及空调管等；冷却水路包括：电动水泵、电池（含冷却板）、电池冷却器以及水管、膨胀水箱等辅件。

相变蓄热式热管理

近年来在国外和国内出现采用相变材料 ( PCM)冷却的电池热管理系统宸现出良好前景。利用 PCM 进行电池冷却原理是：当电池进行大电流放电时，PCM吸收电池放出的热量，自身发生相变，而使电池温度迅速阵低。

（典型风冷叠加相变散热系统结构）

此过程是系统把热量以相变热的形式储存在 PCM中。在电池进行充电的时候，特别是在比较冷的天气环境下（亦即大气温度远低于相变温度PCT ) PCM 把热量排放到环境中去。

相变材料用于电池热管理系统中具有不需要运动部件、不需要耗费电池额外能量等优势。具有高的相变潜热和导热率的相变材料，用于电池组的热管理系统中可以有效吸收充放电过程中放出热量，降低电池温升，保证电池在正常温度下工作。可以使大电流循环前后电池性能保持稳定。通过在石蜡中添加热导热率高的物质制成复合PCM，有助于提高材料的综合性能。

（相变热管理系统温度变化对比）

从以上三类热管理形式上看，相变蓄热式热管理具有得天独厚的优势，值得进一步研究衵产业化开发应用。

另外，从电池设计和热管理系统开发两个环节来看，应从战略高度将两者有机结合起来，进行同步开发， 使电池更好地适应整车应用和开发，这祥既能节约整车成本，又能降低应用难度和开发成本，形成平台化应用，从而缩短新能源汽车的开发周期，加快不同新能源车型的市场化进度。

审核编辑 ：李倩