1 溫度對鋰電池的影響

溫度對鋰電池的影響，從溫度過高和過低兩個方面考慮。

溫度過高

短期，溫度過高，鋰電池存在損壞以及熱失控的風(fēng)險。鋰電池負(fù)極SEI膜的溶解起始溫度在90℃左右（不同型號電芯有差別），一旦保護(hù)膜開始溶解，工作以外的自生熱過程就此開啟，電池進(jìn)入了熱失控預(yù)備階段。在這個短暫的時間窗口內(nèi)，不能有效降低電池溫度，熱失控就會發(fā)生。

長期，長時間工作在較高溫度狀態(tài)，即使沒有沖破隔膜溶解溫度，電池的老化過程也會被加劇。電化學(xué)反應(yīng)過程中，物質(zhì)活性隨著溫度的升高而變強(qiáng)。電池充放電的反應(yīng)過程更加活躍，表現(xiàn)為內(nèi)阻變小。同時，副反應(yīng)也跟著增強(qiáng)，正負(fù)極材料的溶解、電解液自身分解過程都會加劇。

鋰電池長期在過高溫度下運行，壽命將受到嚴(yán)重影響。下圖是一組實驗數(shù)據(jù)，不同溫度下以相同的條件進(jìn)行循環(huán)實驗，得到電池容量衰減情形對比數(shù)據(jù)。可以觀察到，過高的溫度明顯的帶來容量的加速衰減。

溫度過低

鋰電池內(nèi)阻隨著溫度的降低而增大，放電能力降低，一般0℃的放電能力不會高于常溫能力的70%。低溫充電，如果不對充電電流做出對應(yīng)低溫的調(diào)整，極容易出現(xiàn)負(fù)極析鋰問題。低溫造成鋰離子和負(fù)極材料的活性同時下降，離子嵌入材料的效率降低，同樣的充電電流，低溫下，鋰離子來不及嵌入材料內(nèi)部而在材料表面形成單質(zhì)結(jié)晶。鋰單質(zhì)堆積，枝晶生長，是隔膜破損，出現(xiàn)內(nèi)短路的重要原因。熱失控發(fā)生概率陡增。

2 熱管理系統(tǒng)類型

熱管理系統(tǒng)，通過對電池組系統(tǒng)施加加熱或者散熱的手段，調(diào)節(jié)鋰電池的工作溫度，盡量使得溫度環(huán)境處在鋰電池最適宜的范圍，以最大化發(fā)揮電池組的能力，延緩電池老化。

熱管理系統(tǒng)主要有三種形式?？諝饨橘|(zhì)熱管理系統(tǒng)，液體介質(zhì)熱管理系統(tǒng)，相變材料熱管理系統(tǒng)。

空氣介質(zhì)熱管理系統(tǒng)

空氣介質(zhì)熱管理系統(tǒng)，是應(yīng)用最早，形式相對簡單的一種形式。系統(tǒng)利用空氣的自然流動或者強(qiáng)制流動，將電池生熱帶走或者將外部加熱器的熱量傳遞給電池，并保持系統(tǒng)內(nèi)溫度盡量均勻，溫差不要過大。

常見的空氣介質(zhì)熱管理系統(tǒng)包括自然冷卻系統(tǒng)、風(fēng)冷系統(tǒng)和器件加熱系統(tǒng)。

自然冷卻系統(tǒng)，不單獨設(shè)置冷卻裝置，依靠足夠的空間和電池包殼體的散熱能力，把電池產(chǎn)生的多余熱量從電芯本身帶走。這種方法自身不具備調(diào)節(jié)能力，適用范圍較窄。

風(fēng)冷，是目前應(yīng)用較多的空氣介質(zhì)熱管理系統(tǒng)。電池包設(shè)置吸風(fēng)口和出風(fēng)口，設(shè)計空氣在電池包內(nèi)流通的通道和散熱器形式。系統(tǒng)可調(diào)節(jié)散熱效果的參數(shù)包括風(fēng)量，散熱器形狀和數(shù)量，通道形式及風(fēng)口位置和數(shù)量。風(fēng)冷系統(tǒng)，電池包內(nèi)外大氣相通，密封等級無法做到較高級別。

加熱系統(tǒng)，應(yīng)用在寒冷地區(qū)的電動汽車，電池包往往需要加熱裝置。鋰電池自身特性決定，在溫度低于0℃以后，電池性能發(fā)揮就會受到影響，同時還伴有對電池壽命的損害。加熱器種類包括純電阻加熱，電熱膜加熱等。純電阻加熱器，發(fā)熱效率不高，同時占據(jù)的空間較大。優(yōu)點在于工作穩(wěn)定，技術(shù)成熟。加熱膜，自身材質(zhì)種類較多，各家名稱叫法并不統(tǒng)一。加熱膜以薄片的形式存在，宣稱的熱功率密度比較高，發(fā)熱效率高，理論上是比較理想的加熱形式。但其行業(yè)發(fā)展還不成熟，在汽車上應(yīng)用的時間比較短，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)只搜集到建筑行業(yè)的行標(biāo)，穩(wěn)定可靠性還有待測試和觀察。

液體介質(zhì)熱管理系統(tǒng)

液體介質(zhì)熱管理系統(tǒng)，是當(dāng)前熱管理的研究熱點。溫度哦過高，利用熱容量大的液體，在電池包內(nèi)部循環(huán)，將電芯多余熱量帶走。溫度過低，可以在電池包外部將液體加熱，通過液體循環(huán)，將熱量帶進(jìn)電池包內(nèi)。熱量的傳遞路徑，需要有水冷散熱器接觸電芯，將電芯的熱量通過散熱器傳遞給冷卻液，再由冷卻液運輸?shù)诫姵匕獠俊Ｒ豪湎到y(tǒng)冷卻效果均勻，可控范圍寬，理論上比較理想。但液冷也有其自身的缺陷。液冷系統(tǒng)占用空間比較大，設(shè)計不理想就可能降低電池包的能量密度。液冷系統(tǒng)在電池包外部需要冷卻液循環(huán)系統(tǒng)和處理冷卻液升溫降溫的壓縮機(jī)系統(tǒng)，系統(tǒng)復(fù)雜度較高。

相變材料熱管理系統(tǒng)

在續(xù)航里程方面，氫燃料電池汽車一次加氣可連續(xù)行駛700公里，能量轉(zhuǎn)化率為60—80%，且排放僅為無污染的水，加氫時間短、行駛噪音小、整備質(zhì)量較輕等，都是氫燃料電池汽車的優(yōu)勢。

首先從技術(shù)上來看，相比固體電池，氫燃料電池提升空間大，且沒有鋰電池使用壽命方面的顧慮，但由于鋰電池?zé)o論是量產(chǎn)還是產(chǎn)業(yè)鏈方面都已經(jīng)非常成熟，成本優(yōu)勢明顯且技術(shù)難度較小。而氫燃料電池催化劑、質(zhì)子交換膜、雙極板等關(guān)鍵材料在國內(nèi)幾乎是空白，因此，成本也相應(yīng)的有所提高。

關(guān)于有些人認(rèn)為氫燃料電池成本之所以高，在于質(zhì)子交換膜和鉑催化劑的昂貴售價，我們都知道，鉑是貴重金屬，1g白金的交易價格在304元人民幣左右，而催化劑使用量在0.4mg/cm2左右，100kW的燃料電池系統(tǒng)中使用的鉑含量為41.67g。按照500元/g計算，成本約為20833元。這對于一輛售價在50萬左右的燃料電池汽車來說，催化劑以及質(zhì)子交換膜等材料顯然并不是決定性的因素。

其實，主要原因還在于氫燃料電池汽車的工藝以及材料并不太成熟，隨著逐漸量產(chǎn)，成本必然有非常大幅度下降。

其次阻礙其發(fā)展的因素還在于氫的儲存以及運輸方面，氫氣并不像有些人所想的那么稀缺，在石油、煤、乙烯等原料進(jìn)行處理時會以副產(chǎn)品的形式獲得，且成本比較便宜。目前，中石化氫氣年產(chǎn)量在200～300萬噸，成為為20元～30元/噸，這個產(chǎn)量以及價格完全可滿足國內(nèi)燃料電池汽車對于氫氣的需求。

雖然成本以及產(chǎn)量都比較理想，但產(chǎn)氫地往往與用氫地相隔遙遠(yuǎn)，運輸成本很高，再加上加氫站的投入，成本便進(jìn)一步飆升，如果采用電解制氫成本將大大提升，因此，氫氣的儲存運輸成為了一個大問題。

相變材料熱管理系統(tǒng)，是利用相變材料發(fā)生相變的過程中，吸收熱量且溫度不變的特性，調(diào)節(jié)電池包內(nèi)部的溫度。相變材料的相變溫度必須與鋰電池適合的工作溫度范圍相匹配，當(dāng)前主要應(yīng)用的相變材料是石蠟與膨脹石墨復(fù)合材料。

如上面的示意圖所示，相變材料需要填充到電池包內(nèi)部空間，最好貼合在電池表面。溫度過高時，材料利用相變潛熱吸收熱量。

相變材料的缺陷也很明顯，它只能調(diào)節(jié)高溫，低溫還需要單獨配備加熱器。另外，相變材料填充整個電池包內(nèi)部空間，這給后續(xù)的局部替換電芯帶來了不便。

3 一種鋰電池?zé)崮Ｐ团e例

介紹一個方形鋰電池建模案例。作者周慶輝，在其論文《基于Fluent的鋰離子動力電池的熱分析》中表述了詳細(xì)的建模過程。

熱量來源

該模型認(rèn)為，鋰電池的熱量來源主要是反應(yīng)熱、歐姆內(nèi)阻熱，極化熱和副反應(yīng)熱四個部分。其中，副反應(yīng)熱比例較小，可以忽略不計。三部分發(fā)熱最終可以整合成兩種熱量，不可逆熱（內(nèi)阻發(fā)熱）和可逆熱（反應(yīng)發(fā)熱）。

模型簡化

建立模型的對象是鋰電池單體。對于鋰電池的發(fā)熱過程，模型需要確定的參數(shù)有生熱率和熱物性參數(shù)。由于電芯的內(nèi)部實質(zhì)上由多種材料組成，而電化學(xué)反應(yīng)的過程也極其復(fù)雜，因此，需要對電池物理模型進(jìn)行必要的簡化，才能得到復(fù)雜程度和準(zhǔn)確程度適當(dāng)?shù)纳鲜鰞深惸Ｐ蛥?shù)。

簡化熱傳遞過程。在電芯內(nèi)部，熱傳導(dǎo)是熱量流動的主要方式，而輻射熱占比極小，忽略不計；認(rèn)為電池各項參數(shù)不跟隨電池溫度變化；在電池核心選擇一個發(fā)熱區(qū)域，認(rèn)為這個區(qū)域是一個均勻的發(fā)熱體。

根據(jù)熱量的組成和簡化條件建立鋰電池模型函數(shù)：

公式前面3項是各方向上的導(dǎo)熱系數(shù)與溫度在這個方向上的二階偏導(dǎo)數(shù)的乘積。第四項，是生熱速率，等號右側(cè)是電池密度、電池比熱容與電池溫度對時間的偏導(dǎo)數(shù)的乘積。其中生熱率是需要確定的參數(shù)。

生熱速率采納的公式如下：

生熱速率，與電池體積成反比，括號內(nèi)部，前面一項是不可逆熱，后面一項是可逆熱。從公式可以看到，生熱速率與眾多電池參數(shù)以及環(huán)境溫度有關(guān)，不是一個常數(shù)。但是，為了簡化計算，在溫度不變條件下，設(shè)定它只與電流值有關(guān)，電流值越大，生熱速率越大。

材料的熱特性參數(shù)，用查表方式取得。各個方向尺寸差異較大的電芯，每個方向上選取的導(dǎo)熱系數(shù)也不相同。

最后，建立三維模型。電池本身是由正負(fù)極材料、鋁質(zhì)銅質(zhì)集流體、鎳帶極耳等多種材料混雜在一起發(fā)揮作用，模型暫時不考慮這方面的影響，認(rèn)為電芯內(nèi)部材料是均勻一致的。發(fā)熱的位置在電池的幾何中心，熱量以熱傳導(dǎo)的方式同等效的向四周擴(kuò)散。模型的熱分布狀態(tài)是中心溫度最高，距離中心越遠(yuǎn)，溫度越低。方形電池的四個角溫度最低。