电动汽车锂离子动力电池热特性与散热优化研究.pdf

汽车论坛1432023.71 电动汽车锂离子动力电池结构形式与特点电动汽车的锂离子动力电池是一种关键的能源储存装置。锂离子动力电池通常由正极材料、负极材料、电解质和隔膜组成。正极材料通常是锂离子的储存和释放中心，常见的材料有钴酸锂、锰酸锂和磷酸铁锂等；负极材料一般采用石墨制成，能够吸附和释放锂离子；电解质是正负极之间的介质，能够传递离子，并阻止正负极之间的直接接触；而隔膜起到隔离正负极的作用，防止短路。另外，锂离子动力电池具有高能量密度和较长的循环寿命，相比其他类型的电池，能够以较高的能量密度储存更多的电能，从而实现更长的续航里程。此外，锂离子动力电池具有较高的充电效率和较快的充电速度，相对于其他电池类型，充电效率较高，能够将输入的电能有效转化为电池内部的储能，使得电动汽车的充电时间得以缩短，提高用户的使用便利性1。2 电动汽车锂离子动力电池生热和传热原理电动汽车的锂离子动力电池在使用过程中会产生热量，因此需要有效的传热机制来保持电池的温度在合理范围内。第一，电动汽车锂离子动力电池生热的主要原因是充放电过程中的电化学反应。当电池进行充放电时，正负极材料之间的离子交换会引发电化学反应，这个过程会伴随电池内部能量的转化和释放，从而产生热量。尤其在高功率充放电时，电池内部的电化学反应速率加快，产生的热量也相应增加。第二，电动汽车锂离子动力电池的传热主要包括 3 种，即热传导、对流传热和辐射传热。首先，热传导是指电动汽车锂离子动力电池内部的热量通过正负极材料和电解质的导热性质传导到电池的外部，热传导的效率受到材料的热导率和接触界面的热阻等因素的影响。其次，对流传热是通过电动汽车锂离子动力电池外部的冷却系统将热量带走，如散热器或液冷系统，通过流体的对流效应提高热量的传递速率。最后，辐射传热是指电动汽车锂离子动力电池在高温下会通过热辐射的方式向外界散发热量，能够在没有直接接触的情况下传递热量。此外，为了有效控制锂离子动力电池的温度，电动汽车还采用了一系列热管理措施2。电动汽车锂离子动力电池生热的原因主要是电化学反应，而传热机制主要包括热传导、对流传热和辐射传热。采用导热材料、冷却系统和温度控制等方式，可以有效地控制电池的温度，确保电池在合适的工作温度范围内运行。这对提升电动汽车的性能、安全性具有重要意义。3 电动汽车锂离子动力电池热特性进行电动汽车锂离子动力电池热特性分析可以识别电池的热敏感区和热积聚部位，评估不同充放电动汽车锂离子动力电池热特性与散热优化研究钟颖强 张光磊（江西交通职业技术学院 江西 南昌 330013）摘要：电动汽车的快速发展对锂离子电池安全性、稳定性提出了更高的要求。电池在充放电过程中会发生反应而产生热量，温度过高会导致热失控，甚至燃烧，而电池的这种热特性又对其安全性和使用寿命有重要影响。该文对电动汽车锂离子动力电池的结构形式与特点及生热和传热原理进行分析，探讨电动汽车锂离子动力电池热特性，提出电动汽车锂离子动力电池散热优化策略，以促进电动汽车锂离子动力电池技术的发展。关键词：电动汽车；锂离子电池；热特性注：本文系江西省教育厅科学技术研究项目“电动汽车动力电池组热特性研究及散热优化”（GJJ214610）研究成果。作者简介：钟颖强，江西交通职业技术学院讲师，研究方向为新能源汽车技术；张光磊，江西交通职业技术学院副教授，研究方向为新能源汽车技术。汽车论坛144汽车测试报告电条件下的温度分布、温升速率、热失控风险等，快速找出影响电池热特性的关键因素。3.1温度分布开展电动汽车锂离子动力电池热特性分析可以获得在不同充放电条件下电池温度曲线和温度场分布，监测电池表面多个点的温度，尤其是最易发热积聚的电池芯部位。温度曲线能够反映电池整体温升情况和热积聚速率，可以判断其热滞后性。通过温度场分布可以观察电动汽车锂离子动力电池在平面和厚度方向的热点区域，找出热传导的薄弱环节。一般来说，电动汽车锂离子动力电池温度分布越不均匀，内部结构导热性能越差，热积聚风险就越大。均匀的温度分布有利于电动汽车锂离子动力电池的安全稳定操作。因此，对电动汽车锂离子动力电池热特性进行分析，研究不同充电条件下电池的温度分布规律，对优化电池内部结构，提升其导热性和温度一致性具有重要意义。3.2温升速率温升速率是电动汽车锂离子动力电池热特性分析中的一个重要指标，表示电池温度在单位时间内的变化速度，对于评估电动汽车锂离子动力电池的热管理能力和安全性至关重要。第一，温升速率可以反映电动汽车锂离子动力电池的散热效果和热管理性能。电动汽车锂离子动力电池处于充电或放电状态时，内部会产生热量，如果散热不足或热管理不当，温升速率会增加，导致电池温度过高。因此，分析温升速率，可以评估电动汽车锂离子动力电池的热管理能力，判断是否需要采取措施改善散热效果，确保和延长电动汽车锂离子动力电池的正常运行和使用寿命。第二，温升速率与电动汽车锂离子动力电池的安全性密切相关。电动汽车锂离子动力电池温度升高会增加电池内部化学反应的速率，进而引发热失控、热失效等安全问题。分析温升速率，可以了解电动汽车锂离子动力电池在不同工况下的温度变化情况，判断是否存在温度上升过快的情况，从而及时采取措施避免热失控事件的发生，保障电池的安全性。第三，温升速率可在一定程度上反映电池的热稳定性和循环性能。在电池使用过程中，温升速率的高低直接影响电池的稳定性和使用寿命。较低的温升速率表示电池具有较好的热稳定性，能够在长时间使用中保持相对稳定的温度。3.3热失控热失控是电动汽车锂离子动力电池使用过程中需要重点防范的问题。在使用过程中，电动汽车锂离子动力电池的热积聚速度超过散热速度时，就容易出现热失控。这往往是由于电动汽车锂离子动力电池内部某些区域温度明显偏高，远超出电池正常工作温度范围，并向周围区域快速蔓延。常见的诱发热失控的因素有短路、过充过放、机械损伤等。电动汽车锂离子动力电池出现热失控，其温度会在短时间内急剧上升，严重时会造成电动汽车锂离子动力电池被损坏甚至安全事故。为防止出现热失控，需要在设计电动汽车锂离子动力电池时提高其热稳定性，并通过电动汽车锂离子动力电池管理系统监控电池状态，避免出现可能引发热失控的极端操作。在测试电动汽车锂离子动力电池热特性时，需要先评估电池的热失控风险，避免出现安全事故，通过研究不同条件下可能导致热失控的机理，指导电池的优化设计和安全使用3。4 电动汽车锂离子动力电池散热优化策略电动汽车锂离子动力电池的散热优化对提高和延长其安全性和使用寿命非常重要。对此，可从内部结构设计、液冷热管理系统、对流热传递和冷却系统 4 个方面进行电动汽车锂离子动力电池散热优化。4.1优化电动汽车锂离子动力电池内部结构设计电动汽车锂离子动力电池内部结构设计直接影响热量的传递和分布情况，从而影响电动汽车锂离子动力电池的热管理性能和散热效果，因此必须优化电动汽车锂离子动力电池内部结构设计。其一，电池内部结构包括电池芯、导电板、隔离膜等组件。合理设计这些组件的排列和连接方式，可以提高热量传递效率及热量的传导速度，有助于降低电动汽车锂离子动力电池内部的温度梯度，减缓热点的形成，提高散热效果。其二，优化导热材料的选择和排布，提高导热性能。通过增加和提高导热材料的接触面积和导热路径的连通性，可以增强热量在电动汽车锂离子动力电池内部的扩散能力，促进热量的均匀分布。其三，合理设计散热通道的布局和尺寸，提高散热效果。通过增加散热通道的数量和表面积，可以增强传热能力，提高热量的排出速度，提高散热效率，降低电动汽车锂离子动力电池的温度。同时，优化和减少散热通道的空气流动路径和阻力，可以减少热量在通道中的积聚，进一步提高电动汽车锂离子动力电池散热效果。汽车论坛1452023.74.2优化液冷热管理系统液冷热管理系统是电池散热的重要手段之一，对其进行有针对性的优化，可以显著提高电池的散热效果。第一，可以根据电池的热积聚规律，合理设置管路，使其覆盖电池热点区域。例如，可以设置集中的独立小管道，用于针对电芯部位的强化冷却。第二，可以利用数值仿真手段，优化冷却液在管道内的流动方向、速度分布与流道截面形状，以提高对电池的冷却效率。第三，选择导热性能好的管路材料，并适当增加管路与电池组的接触面积，增强热交换效果。此外，还可以调节冷却液的流量及进出口温差，改善其在系统中的热负载匹配情况4。通过对关键部位管路的精心设计和全局流场的优化调节，可以大幅提升液冷散热系统的效果，并将电动汽车锂离子动力电池温度控制在更佳的范围内。4.3加强对流热传递对流热传递是通过流体介质（如空气）的运动来传递热量的过程。其一，加强对流热传递可以提高热量的排出效率。增加流体介质与电池表面的接触面积，可以增加换热的表面积，促进热量的传递和散发。同时，提高和优化流体的流速和流动方式，可以提高热量与流体之间的热交换速度，提高热量的排出效率。这有助于降低电池的温度，减缓热点的形成，提高散热效果。其二，改善热量的分布均匀性。对流热传递可以有效地将热量从热源处传递到周围环境中，实现热量的均匀分布，而通过优化流体的流动方式和路径，可以在电池内部更好地分散热量，降低温度梯度，避免热点的集中产生。其三，增加热量的换热面积。合理设计电动汽车锂离子动力电池的散热结构和通道，可以增加与流体介质接触的表面积，提高换热效率。例如，可以增加和提高散热片或散热管的数量和密度，增加电池表面的凹凸结构，以增加热量与流体之间的接触面积，增强换热效果，提高散热效率，降低电动汽车锂离子动力电池的温升速率。4.4对冷却系统各个部分进行协调优化电动汽车锂离子动力电池在使用过程中产生的热量需要通过散热机制有效地散发出去，以保持电池在安全温度范围内运行，在此过程中需要对冷却系统各个部分进行协调优化。第一，优化散热系统的设计和布局。电动汽车的电池通常由多个模块或单体组成，每个模块或单体都需要进行散热。在设计电池组件和车辆总体结构时，应考虑电池模块的布局和散热系统的位置，以确保散热系统能够充分覆盖电池组件，并实现良好的散热效果。第二，协调电动汽车锂离子动力电池和车辆冷却系统的工作。电动汽车的冷却系统一般包括空气冷却和液体冷却两种方式。在实际应用中，可以根据电动汽车锂离子动力电池的工作状态和温度需求，动态调整冷却系统的工作方式。例如，在高温环境下或高功率充放电时，可以优先采用液体冷却系统进行散热，以实现更高的冷却效率。而在低温环境下或低功率使用时，可以采用空气冷却系统，以降低能耗和复杂性。协调不同冷却方式的切换和调控，可以实现电池和车辆总体冷却系统的性能最优化。第三，采用先进的冷却技术和材料。随着科技的进步，新型冷却技术和材料不断涌现，可以采用热管技术来提高热量传递效率，或使用高导热性的材料来改善热传导性能。此外，可以引入相变材料或相变冷却技术，通过材料的相变过程吸收和释放热量，实现更高效的冷却效果。这些先进的冷却技术和材料的应用，有助于提升电池和车辆总体冷却系统的效率和性能，协调优化车辆冷却系统的各个部分，进一步优化散热机制。5 结束语分析电动汽车锂离子动力电池的热特性，并对其散热进行优化，以确保电池的安全稳定运行。开展电动汽车锂离子动力电池热特性与散热优化研究，不仅能够推动电动汽车锂离子动力电池本身的发展，还能促进汽车、电池等多领域技术的创新，对实现汽车行业的可持续发展具有积极意义。参考文献：1 王鹏,吕晨涛,李晓光.动力电池组散热性能分析 J .汽车测试报告,2 0 2 2(1 9):1 5 2-1 5 4.2 闫云敬.汽车动力电池组热特性及散热结构优化研究 J .内燃机与配件,2 0 2 2(6):1 9 7-1 9 9.3 车翠翠,唐玉峰.纯电动汽车用动力电池组热特性研究 J .时代汽车,2 0 2 3(1):1 1 5-1 1 7.4 朱科宾,杨广柱.新能源汽车动力电池散热优化途径 J .汽车测试报告,2 0 2 2(1 4):6 7-6 9.