蒋挺
东风小康汽车有限公司
摘 要：文章介绍了锂离子电池工作原理及其产热机理。对锂离子电池空气冷却、液体冷却、相变材料冷却和热管冷却4种散热方式进行详细阐述，并指出未来锂离子电池散热方式应该是多种方式相结合而形成的。
关键词：新能源汽车；锂离子电池；散热
引言：随着环境污染和能源短缺等社会问题的日益严峻，以纯电动车为首的新能源汽车得以快速发展。动力电池作为储能装置，为车辆行驶提供全部或者大部分动力，是新能源汽车的核心部件。锂离子电池具有高电压平台、比能量/功率密度大、高转换效率、无记忆效应和循环寿命高等优点，是目前新能源汽车的主流动力源。
1背景技术：
新能源汽车是指除汽油、柴油发动机之外所有其它能源汽车.包括燃料电池汽车、混合动力汽车、氢能源动力汽车和太阳能汽车等。其废气排放量比较低。据不完全统计，全世界现有超过400万辆液化石油气汽车，100多万辆天然气汽车。目前中国市场上在售的新能源汽车多是混合动力汽车和纯电动汽车。按照中华人民共和国国家发展与改革委员会公告定义，新能源汽车是指采用非常规的车用燃料作为动力来源（或使用常规的车用燃料、采用新型车载动力装置），综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术，形成的技术原理先进、具有新技术、新结构的汽车。
新能源汽车电池可以分为两大类，即蓄电池和燃料电池。蓄电池适用于纯新能源汽车，可以归类为铅酸蓄电池、镍基电池（镍一氢及镍一金属氢化物电池、镍一福及镍一锌电池）、钠?电池（钠一硫电池和钠一氯化镍电池）、二次锂电池、空气电池等类型。而燃料电池专用于燃料电池新能源汽车，可以分为碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC )、固体氧化物燃料电池(SOFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC )、直接甲醇燃料电池(DMFC )等类型。
在新能源汽车中，动力电池组作为动力源或者动力源之一。各种电化学变化和物 理变化将在动力电池的充放电过程发生。导致产生大量的热量。如果这些热量在车辆行驶的过程中得不到很好的散发和抑制，将使各单体电池间产生很大的温度差异，导致电池组的生热温度场分布不均，最终可能使电化学性能严重降低；同时各单体电池的温度差异也会导致各动力电池充放电容量出现差异，最终使电池组使用循环寿命减少，重复充电量大幅度降低，此外，温度过高容易烧坏电池或车载电器设备。
2动力电池的产热机理
锂离子电池作为储能装置，由正极、负极、电解液、隔膜和壳体等几部分组成。锂离子电池正极和负极材料同时浸润在电解液中，锂元素以离子状态，并以电解液为介质，在正负极之间来回运动，实现锂电池的充放电。锂离子电池在充放电过程中会发生一系列复杂的化学反应，同时伴随放热和吸热现象，锂离子电池温度的升高主要是由于电池工作过程中热量的产生和累积。相关研究表明，锂电池的总热量Qt主要来源是充放电过程中其内部发生的电化学反应热Qr、极化热Qp和焦耳热Qj等热量。锂电池产生的总热量可用以下公式表示：Qt=Qr+Qp+Qj（1）式中：Qr为锂电池在充/放电过程中所发生化学反应产生的热量。在锂电池放电过程中，Qr是正值；充电过程中，Qr是负值。锂电池充放电时，电池工作电压总是大于或小于开路电压，电极表面会发生极化反应，这种偏差现象为极化现象，该极化现象产生的热量为极化热Qp。极化热作为标量，在充放电过程中均为正值。焦耳热Qj是电流通过电池内部电阻产生的热量，该热量在充放电过程中均为正值。
3动力电池的散热方法
目前，锂离子电池的散热方法主要有空气冷却、液体冷却、相变材料冷却和热管冷却4种方法。
3.1空气冷却
空气冷却是动力电池系统常见的散热方法，该方法是以空气作为冷却介质，与锂离子电池表面进行对流换热的形式，通过快速的空气流动带走电池组产生的热量。空气冷却中包括自然对流与强制对流两种方式。通过实验与计算机仿真对自然对流和强制对流两种散热方式进行比较研究。研究结果表明，采用自然对流方式散热时，锂电池工作过程中的最高温度过高；利用强制对流方式散热时，锂电池工作过程时最高温度可以保证在合理的范围内。随着新能源汽车续航里程的提高，对电池容量功率要求增加，锂电池组尺寸逐渐增大，锂电池热负荷也越来越大，利用常规的空气冷却已无法满足锂电池散热要求。
3.2液体冷却
液体冷却是指利用水、乙二醇或矿物油等液态材料为散热介质，直接或间接接触单体电池来对其进行冷却散热，从而降低整个电池组的温度的一种方法。特斯拉MODELS车型就是采用液体冷却方式对电池组进行散热，它的冷却介质由50%的水和50%的乙二醇作组成，该方法可以保证电池组的散热性能。液体冷却的优点是散热快，保证电池组温度均匀性，适用于产热量大的电池组；缺点是成本较高、封装要求严格、有液体泄露的风险和结果复杂。
3.3相变材料冷却
相变材料冷却是指使用相变材料（PCM）作为冷却介质对电池冷却的一种方法。相变材料是指物质状态可以随着温度的变化而发生改变（相变），同时在材料相变过程中可以吸收或者释放大量热量。S.AKhateeb等首次将电动踏板车9个18650锂离子电池置于熔点在41～44℃的PCM中，研究结果表明，相变材料使锂离子电池工作温度更加稳定和均匀，结果证实了利用PCM对锂离子电池进行冷却散热是合适的。相比于液体冷却和空气冷却，该冷却方法具有能耗少、结构简单等优点；缺点是PCM相变过程会出现体积变化，有泄露的风险，成本也较高。
3.4热管冷却
热管（HP）是一种高效导热装置，它利用密封在管内工作介质的蒸发和凝结在传导热量。热管由管壳、吸液芯和端盖等组成，分为蒸发端（靠近电池）、绝热段和冷凝端3段，其中工作介质/液体被封闭在管中。工作介质在蒸发端吸收锂电池的热量由液态变为气态；在冷凝端进行散热，工作介质由气态变回液态；然后变回液态的工作介质继续回到热管的蒸发端，周而复始地对锂离子电池进行散热。目前常见的热管主要有传统热管、片状热管、回路热管、振荡热管、热虹吸管和微小型热管等。热管冷却尚处于实验室研究阶段，还未有实车使用。
结束语：
近年来，随着新能源汽车续航里程的大幅度提升，动力电池的容量、功率也随之提高。动力电池尺寸也随着增大，对其散热要求也越来越高。传统的散热方式单一，无法满足大功率、大尺寸的动力电池组散热要求，可以采用2种或多种方式相结合的散热方式。
参考文献：
[1]刘霏霏.微热管在电动汽车电池热管理系统中应用关键技术研究[D].广州:华南理工大学,2017.