电动汽车电池热管理系统研究进展

国外对电动汽车及其关键技术研究比国内早很多，从上世纪80年代开始，相关研究人员分别研讨了铅酸电池、氢镍电池和锂离子电池，同时致力于建立合理的动力电池电化学模型和电池发热模型。在20世纪末，美国在能源部的支持下，逐步增加关于电动汽车研究的投资，而美国的两大巨头车企通用和福特也在不断加大电动汽车的研发投入。美国政府为了大力发展电动汽车而在1993年制定了PNGV计划，其中纯电动汽车是研究重点。而我国在“八五”和“九五”期间才把电动汽车正式列入国家攻关项目，开始对电动汽车增加投入总体来说研发进度晚于国外。但是新能源汽车特别是纯电动汽车的迅速发展却让中国的汽车人看到了机遇，“十五”和“十一五”期间确立了把纯电动汽车列入12个“863”重大专项之一，对电动汽车的投入显著增加，这被认为中国在未来全球电动汽车市场上的提前布局「16]。国内诸如比亚迪、江淮、北汽新能源、奇瑞等公司均己经在纯电动汽车领域规划多年，己经高度产业化，特别是比亚迪汽车公司的纯电动汽车车型众多，工艺技术趋于成熟，能够满足大部分交通需求。

纯电动汽车传统电池热管理的主要形式有空气换热、液体流动换热和材料相变换热，同时热电换热等新型的换热形式也在逐步被深入研究和开发。

1.3.1空气换热

空气换热是应用最早的、最简单的、最经济的同时也是应用最广的电池热管理方式。空气换热分为自然对流换热和强制对流换热。自然对流换热就是在电池包内不加入空气动力源，靠电池包内自然的空气流动与动力电池进行热交换。强制对流换热即在电池包内加入风扇等动力源，靠风机带动空气流经动力电池表面进行热交换。

采用强制空气对流换热，针对丰田Prius和本田Insight两款混合动力汽车的电池组，通过控制风机的功率，分别测试了FTP-75和US06循环工况三种环境温度时的电池的温升情况，实验结果显示，在汽车经常变工况及高速的工况下，电池温度会升高的更快。对两种电池包采用强制空气冷却后，电池箱温度分布均匀，不同工况下的电池组的温度范围均处于电池正常工作温度范围内。

研究了几种典型的电动汽车电池箱空气换热构造，进行了仿真分析，选出了较为合理的构造。研究结果表明，正面通风，且加装风挡板的空气换热结构最为合理，此结构不仅使电池处于合适的工作温度范围内，且电池包内电池之间的温度分布差异小，且不同电池的相同位置的温差控制在3K以内，满足实际使用要求。

由于空气对流换热沿程温差过大，Mahamud R提出可以利用翻板阀控制空气流向的散热结构，而江淮汽车在IEV5纯电动车中己经通过BMS实现控制了风机的正反转，直接改变空气流向，减小因空气对流造成的沿程温差现象的影响。

最初工程师设计串行通风结构实现强制空气冷却，冷却空气依次流经各单体电池，结构设计较为简单，但在沿空气流动方向，空气和电池表面间的温差逐渐减小，换热效果也逐步减弱。对于并行通风结构而言，冷却空气从入口进入后近似同时流过各个电池模组，各电池模组和冷却空气的对流换热系数相近，换热效果相对理想。PesaranA.A在研究中比较了并行通风和串行通风两种形式，其结构流场图如图1.2所示，结果表明串行通风入口处动力电池冷却情况明显好过出口处，电池温度沿风流动方向依次升高，入口温度为2~5 ℃时，其电池之间的最大温差高达18 ℃，而相同工况下的并行通风的温差仅为9 ℃。然而Rami Sabbah}22]等的论文结果表明，动力电池在恶劣环境条件下高倍率放电时，空气对流换热无法有效地将电池温度控制在合适范围。

1.3.2液体流动换热

随着动力电池比能量的越来越高，在电池组大倍率放电的情况下，电池组冷却需要的空气流速也越大，产生巨大噪音的同时风扇的功率要求也大大增加，逐步开始不满足电动汽车的需求，同时高温环境下空气冷却的效果并不理想，所以空气对流换热技术己逐步不满足需求。当流体流经固体表面时，在固体表面附近，越接近固体表面流体的流动速度越低，当与固体接触的距离非常小时，流体处于停滞状态，可以看成是流体与固体之间只有热传导的存在。以水为例，己知常温下水的导热系数是空气的几十倍，而且水的比热容是空气的4倍，所以研究者通常认为液体流动换热比空气换热有更好的效果，更能满足动力电池的温控需求。

液体流动换热是使用导热系数比较高的液体直接或间接接触电池以带走热量的热管理形式。在结构设计方案中，既可以将电池直接放置于绝缘且导热系数高的液体中，也可以通过冷板等与电池接触，先将热量从电池组传入水冷板，再通过冷板与液体间的换热将热量带出电池包。前者多采用硅基油、矿物油等有机油类，往往粘度很大，流动性弱，后者选用的介质为水、乙二醇、乙二醇与水的混合物等，流动性强，换热系数高，但是因为其不绝缘，必须做好管道密封，防止泄露造成短路。

通用雪佛兰Vo It电动车采用液体对流换热方式，将水和乙二醇各_50%的混合物作为流体介质，散热片布置在单体电池之间，在金属散热片内循环实现与电池的热交换，如图1.3所示。与此同时，当电池组温度过低时，使用加热线圈加热液体工质，从而实现对电池的加热功能。

对蛇形的板式液冷通道进行了优化，比较了g种方案涉及不同流道位置和宽度，通过计算流体力学软件的仿真，通过比较平均压降、平均温度、温度方差三个参数对其进行优化设计。

1.3.3材料相变换热

采用相变材料换热是将动力电池放入相变材料模块中，材料相变时温度始终不变，通过相变材料的相变潜热(熔化或者凝固)来进行电池组热管理，其中石蜡、水合盐、脂肪酸等是被普遍采用的相变材料。固一液相变材料(PMC)的相变潜热远大于电池热管理所需热量，如果能够合理控制相变速率并提高相变潜热的利用效率，动力电池的热管理效果将得到很大提升。

在其硕士论文中对HEV电池的生热进行了研究，在总结了前人研究的基础上提出相变材料PCM是未来电池热管理的趋势。在试验中将电池模组至于PCM中，实验结果表明添加PCM材料能使电池模组温度场更加均匀，但因为其热导率低，冷却速度过慢。很多研究人员针对PCM材料热导率低的问题进行了研究，通过添加热管翅片、高热导率的泡沫铝材、微胶囊封装法。