崔岩　马宏珺　郭耀斌

摘 要：车载动力电池的安全、性能、寿命等均与电池的温度密切相关。电池热管理是新能源汽车车载储能装置安全的重要技术分支，受到新能源整车企业、电池厂商以及公众的广泛关注。该文针对动力电池热管理技术，通过动力电池热管理的技术发展路线、撰写了动力电池热管理技术综述。

关键词：动力电池 储能装置 热管理 技术路线

中图分类号：G306 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）01（c）-0046-03

1 车载动力电池热管理技术

动力电池作为新能源汽车的心脏，即动力来源，因此其安全性对于新能源汽车的安全性而言是至关重要的。电池热管理技术，是根据温度对电池性能的影响，结合电池的电化学特性与产热原理，基于具有电池的最佳充放电温度区间，通过合理的设计，建立在材料学、电化学、传热学、分子动力学等多学科多领域基础之上，为解决在温度过高或过低情况下工作而引起热散逸或热失控问题，以提升电池安全性能的技术。

2 车载动力电池技术发展路线

车载动力电池热管理技术的发展主要涉及流道布置、空气、液体和相变材料4条主线，四者作为一个统一的整体，共同影响着新能源汽车电池的安全性能。从技术发展路线来看，流道布置的发展注重和整车流道系统的结合，而空气、液体和相变材料3个热管理介质的发展路线，注重取长补短，采取两两配合的方式一起使用在电池的热管理技术中。对于电池热管理技术发展路线的研究，有助于行业和企业理解热管理技术的发展历史、现状以及未来发展方向，从而引导行业和企业准确把握技术发展方向，合理布局研发重点。

2.1 流道布置注重和整车流道系统的结合

首先，流道的布置决定了传热介质流经电池组不同位置的先后順序，从而影响不同位置的局部散热速率。其次，流道的布置决定了传热介质在不同位置的流速，而流速将影响局部对流换热系数。再次，流道的布置决定了流道的局部形状，该形状也将影响到局部对流换热系数的取值，因此流道布置的合理性对电池热管理效果的影响十分显著。结合在新能源汽车领域，流道的布置和整车的流道系统的完美结合更是对电池的热管理起着至关重要的作用，因此从流道布置的技术发展路线来看，其注重和整车流道系统的结合。

参见图1，早期的流道布置还停留在电池组的流道本身的改进，并没有涉及和新能源汽车整车的流道系统的整合。例如多组电池的空气冷却通道布置，参见布朗勃法瑞在1982年申请的专利“高温储能电池”（DE3247969A1）。由于该专利仅是局限于电池组内部的冷却流道方式，对于整车的流道系统并没有涉及，而本田显然更注重电池组的流道系统和整车的流道系统的整合，例如本田于1991年申请的专利“用于电动车电池冷却装置”（JPH05169981A）。这一时期的专利，虽然能够将电池流道和整车流道系统进行整合，但是只是停留在电池机械布置在车架中的简单结构布置，并没有和车辆其他系统的集成，整车系统的流道部件最重要的空调系统和发动机系统等并没有与电池的流道进行结合布置，导致其系统集成度不够，布置不够便捷，并且该专利“用于电动车电池冷却装置”（JPH05169981A）只是考虑了电池的冷却问题，并没有注意到电池的加热问题。针对现有流道系统的问题，流道系统向更集成的方向发展，并且出现了与车辆发动机系统的结合，例如三菱与通用于1999年申请的专利“车辆电池的温度控制器”（EP1065354A2），采用发动机的余热来控制电池的温度，其系统集成度更高，并且节省了热源等其他部件，降低成本，并且给布置带来了空间的便利。随着新能源汽车在2005年之后的大幅度增长，降低成本，节省空间等问题变得更为迫切，各个厂家分别提出更集成的流道布置方案，比如电装于2007年申请的专利“用于车载电池组的温度控制装置”（US2009078400A1），该专利申请集成了发动机系统和空调系统的流道，在节省成本和节省空间上优势更为明显。通用于2011年申请的专利“用于基于空气的混合动力蓄电池热调节系统的分开的双进口壳体”（US2013327581A1），涉及一种基于空气的混合动力蓄电池热调节系统的分开的双进口壳体，其也是采用电池流道和整车流道的结合布置的。

综上所述，流道布置从电池组内部的流道设计，发展到与整车其他系统的结合的集成系统，其经历了从单一到集成从而使整车系统集成度提高的过程。纯电动汽车以后将不会采用发动机，但是整车系统的集成一直是新能源汽车领域的发展方向，因此系统集成化的道路还可能会有更新的发展，比如电池的流道布置与电动机和/或发电机冷却流道以及空调系统的集成和结合将会是纯电动新能源汽车的未来集成方向。

2.2 流道布置根据电池的类型和车辆空间进行演进

参见图1，随着丰田公司于1997年推出了世界上首台量产的新能源汽车普锐斯，日本的新能源汽车的发展开始大幅度领先于世界，无论整车企业还是电池配套企业在这一时期申请了大量的专利。这一期间的新能源汽车主要是以镍氢电池为主，流道布置也是根据镍氢电池的特点进行布置的，比如松下于1995年申请的专利“具有通风系统的电池”（US5800942A）。相对于镍氢电池，锂离子电池的体积小、质量轻、循环寿命长，自放电率低，无记忆效应且污染相对较小。在2000年之后随着锂离子电池技术的快速发展，锂离子电池逐渐取代了镍氢电池应用在新能源汽车上作为动力电池使用。这一时期，叠层锂离子由于体积上的优势，被广泛地应用于新能源汽车，其流道的布置的专利申请的随之增多，比如日产于2004年申请的专利“蓄电池”（EP1583170A2），该电池组，其包括：堆叠于彼此之上的单元电池层，该技术方案在保证电池组小型化、轻型化的同时通过流道的设计，使该电池组散热性能良好。叠层电池组具有每个电池单体排列紧凑的特点，但是随之而来的问题就是不能对每个电池单体就行充分的冷却，每个电池单体之间的温度不均匀，针对这一问题，LG于2011年申请了专利“具有新型气冷结构的电池组”（WO2012177000A2），其采用新的单体电池布置方案，通过该技术方案保证了每个电池单体可以充分的冷却，防止电池组温度不均匀的现象发生。

由于在新能源汽车中，其空间是十分有限的，既要考虑整车的乘坐舒适性，又要保证各个系统可以紧凑的布置在车架的有限空间内，因此，电池流道的布置要根据车型和车型的空间进行调整。比如丰田为申请人于2000年申请的专利“一种能将冷却空气能够从车辆地板的开口引入电池壳体中车辆储能装置”（EP1153803A2），其将电池流道的入口与车辆的地板上的开口相连通，不需要单独设置一个开口部件，节省了流道布置的空间。随着新能源汽车技术的发展，各种车型不断推出，除了节省空间的需求外，还对冷却流道的布置提出了新的要求，比如在最大化地利用空间的同时，避免与车辆的其他部件之间发生物理和传热的干涉，保证电池能够良好地运行。丰田公司又于2005提出了专利申请“用于二次电池的冷却结构”（EP1864845A1），冷却流道结构在驾驶员座椅与副驾驶座椅之间的地板上布置第一中心排出管以及第二中心排出管，该构造使得冷却结构能够不会受到来自布置在地板表面下方的排气管的影响。并且随着纯电动汽车的出现，需要电池能够提供足够大的驱动力，对电池容量需求的提高，在电池的类型不发生变化的情况，只能通过增加电池的数量来解决，这样不可避免地带来电池体积的增大，如何在整车的有限空间内布置体积越来越大的电池成为了迫切需要解决的问题，本田公司于2011年提出了专利申请“电动车的电池包结构”（WO2013084935A1），其通过使电池在车架的前后方向上布置，作为车辆的地板结构，最大化地利用车辆的前后方向的长度，以减小电池包的高度，同时随着电池在车架前后方向上的加长，保证了上流冷却流道和下流冷却流道的长度，增加了整个电池组的冷却能力。

综上所述，新能源车的构形不断地出现，从混动到纯电动，电池的技术总是在不断地向前发展，从镍金属电池到锂离子电池，未来可能会出现新车型和电池类型，为了适应车型和电池类型的不断出现，流道的设计和布置必须适应车型和电池类型的发展历程，只有这样才能让电池运行在一个适宜的温度范围内。

2.3 热交换介质从单独使用向互相結合使用演进

电池的热交换介质，主要分为3类：空气，液体，相变材料。三者各自具有优缺点，空气的系统成本和系统复杂性都较低，传热效果较低，液体却相对于空气，其系统成本和复杂性都较高，传热效果也较高，而相变材料系统复杂性较低，但是其系统成本较高，传热效果也较高。

参见图1，以空气作为传热介质出现的相对较早，如前文提到的布朗勃法瑞于1988年申请的专利“高温储能电池”（DE3247969A1），就是采用的空气作为冷却介质的。上述冷却对电池之间的流道没有导向作用，可能导致冷却的不均匀性，针对该问题，松下和丰田作为申请人于1997年提交了专利申请“用于电池电源装置的端板及电池电源的冷却装置”（EP0892450A2），其采用强制风冷，这样就使电池的冷却更加均匀。由于空气的传热效率较低，随着电池的容量越来越大，那么就需要采用传热效率更好的介质与其进行热交换，以使电池在合适的温度下工作。丰田作为申请人于2007年提交了专利申请“电源系统”（US2009233158A1），其将电池设置在热交换液体中，从而，电池组件的温度能够被迅速调整到合适的温度。随着相变材料的出现，为了使空气作为传热介质能够结合相变材料热交换效率高的特征，丰田作为申请人于2011年提交了专利申请“电池壳体和车辆”（WO2013061132A2），在其电池的壳体外部设置有相变材料，并且采用强制风冷的方式进行热交换，采用了相变材料和空气两种传热介质，能够结合两者的优点，实现快速热交换。

参见图1，以液体作为传热介质出现的也是相对较早，比如株式会社明电舍作为申请人于1985年提出的专利申请“用于电动车的电池的冷却方法”（JPS622471A），将冷却剂送入到电池的冷却剂槽中以冷却电池，其采用非接触式。但是其并不涉及在多个电池组之间的传热管路布置，可能会造出传热不均匀的情况。丰田作为申请人于1992年提出的专利申请“用于电动车的升温装置”（US5624003A），其是在电池组之间布置管路，以将传热介质液体引入管路中，使电池组和液体之间热交换均匀，并且其采用水作为传热介质，也为非接触式。由于非接触的传热效率相对于接触式来说，是相对较低的，因此为了提高传热效率，戴姆勒作为申请人于1994年提交了专利申请“浸入冷却液中的电池组”（GB2295264A），其把电池组浸入到冷却液中以对电池进行直接冷却，采用接触式的方式进行冷却，冷却液采用邻苯二甲酸二丁酯。采用接触式传热，能够大大地提高传热效率。为了进一步提高传热液体在电池之间的循环能力，丰田作为申请人于2007年提交了专利申请“用于车辆的电源装置”（JP2008251304A）以及专利申请“电源装置”（JP2008192378A），都是把电池组浸入到冷却液中以对电池组进行直接冷却，采用接触式的方式进行冷却，冷却液采用氟系惰性液体、自动传动液或者硅油，为了提高传热效率，采用外部动力对冷却液进行搅拌。随着相变材料的出现，为了使液体作为传热介质能够结合到相变材料的优点，通用作为申请人于2011年提交了专利申请“用于汽车蓄电池的具有微囊封装的相变材料的液体冷却剂”（专利公开号：US2013004806A1），其公开了与冷却流体结合使用的微囊封装的相变材料，微囊封装的相变材料构造为在较低的温度和较高的温度下具有增强的潜热传递性质，以致使用这种汽车电池组组件的车辆更能抵抗冰冻和过热的环境，采用了相变材料和液体两种传热介质，形成了复合冷却流体，能够结合两者的优点，实现快速热交换。

参见图1，相变材料作为传热介质，其相对于空气和液体来说，出现的相对较晚，比如宝马作为申请人于1992年提出的专利申请“特别是用于驱动车辆的电池”（EP0588004A1）。随着锂离子电池的出现，对电池的散热性能提出了更高的要求，单纯在电池壳体外部设置有相变材料已经不能满足电池热交换的需求。日产作为申请人于2002年提出的专利申请“叠层电池”（专利公开号：EP1414084A2），其在制造极片时，在材料中混入了相变材料以提高热交换性能。只是将材料混入了相变材料，相变材料较少，其热交换能力具有一定的局限性。进一步的，LG在其叠层电池中也采用了相类似的散热技术，比如LG作为申请于2009年提出的专利申请“具有改进的安全性的电池模块”（EP2416438A2）。

综上所述，通过传热介质的演进来看，在初期各传热介质单独的发展，随着电池热交换需求的逐渐提高，开始在电池上出现不同传热介质的结合使用，这将是未来的发展方向，同时随着新材料的不断涌现，未来可能会出现新的传热介质形式。

参考文献

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