01 電動汽車(chē)電池系統熱管理背景
随着制造業的快速發展，中(zhōng)國汽車(chē)工(gōng)業面臨着産業轉型、降低排放(fàng)、能源危機和低碳發展的挑戰，發展新能源汽車(chē)已經成爲降低汽車(chē)工(gōng)業石油依賴和排氣污染的唯一(yī)途徑，中(zhōng)國政府爲了推進新能源汽車(chē)工(gōng)業，發布了一(yī)系列發展規劃、财政補貼和稅務鼓勵計劃，促進新能源汽車(chē)行業的發展。
電池組是電動汽車(chē)的主要儲能部件，由锂電池組成，直接影響到電動車(chē)的性能。由于車(chē)輛上裝載電池的空間有限，正常運行所需的電池數目也較大(dà)，電池會以不同倍率放(fàng)電，并以不同生(shēng)熱速率産生(shēng)大(dà)量熱量，再加上時間累積以及空間影響将會聚集大(dà)量熱量，從而導緻電池組運行環境溫度情況複雜(zá)多變。電池包内溫度上升嚴重影響電池組的電化學系統的運行、循環壽命、充電可接受性、電池包功率和能量、安全性和可靠性等。如果電動汽車(chē)電池組不能及時散熱，将導緻電池組系統的溫度過高或分(fēn)布不均勻，其結果将降低電池充放(fàng)電循環效率，影響電池的功率和能量發揮，嚴重時還将導緻熱失控，影響系統安全性與可靠性；另外(wài)，由于發熱電池體(tǐ)的密集擺放(fàng)，中(zhōng)間區域必然熱量聚集較多，邊緣區域較少則增加了電池包中(zhōng)各單元之間的溫度不均衡，這将造成各電池模塊、單體(tǐ)性能的不均衡，最終影響電池性能的一(yī)緻性及電池荷電狀态（SOC）估計的準确性，影響到電動汽車(chē)的系統控制。
锂離(lí)子電池工(gōng)作原理本質上是内部正負極與電解液之間的氧化還原反應，在低溫下(xià)電極表面活性物(wù)質嵌锂反應速率減慢(màn)、活性物(wù)質内部锂離(lí)子濃度降低，這将引起電池平衡電勢降低、内阻增大(dà)、放(fàng)電容量減少，極端低溫情況甚至會出現電解液凍結、電池無法放(fàng)電等現象，極大(dà)的影響電池系統低溫性能，造成電動汽車(chē)動力輸出性能衰減和續駛裏程減少。此外(wài)，在低溫環境下(xià)充電容易在負極表面形成锂沉積，金屬锂在負極表面積累會刺穿電池隔膜造成電池正負極短路，威脅電池使用安全，電動汽車(chē)電池系統低溫充電安全問題極大(dà)的制約了電動汽車(chē)在寒冷地區的推廣。
因此爲了提高整車(chē)性能，使電池組發揮最佳的性能和壽命，就需要優化電池包的結構，設計能夠适應高溫和低溫的電動汽車(chē)電池包熱管理系統BTMS。
02 電動汽車(chē)電池系統熱管理技術現狀
動力電池散熱研究可分(fēn)爲空氣散熱、液冷散熱、固體(tǐ)相變材料散熱和熱管散熱等方式，現有主要散熱技術以前三種爲主。
空冷式散熱系統
空冷式散熱系統也叫風冷式散熱系統。空冷式的散熱方式最爲簡單，隻需要讓空氣流經電池表面帶走動力電池所産生(shēng)的熱量，達到對動力電池組散熱的目的。根據通風措施的不同，空冷式又(yòu)有自然對流散熱和強制通風散熱兩種方式。自然對流散熱不依靠外(wài)部附加的強制通風措施（如加風機等），隻是通過電池包内部流體(tǐ)自身因溫度變化而産生(shēng)的氣流進行冷卻散熱的系統。強制對流冷卻散熱系統是在自然對流散熱系統的基礎上加上了相應的強制通風技術的散熱系統。當前動力電池空冷式散熱主要有串聯式和并聯式兩種系統。但該種方式效果較差，且很難達到較高的電池均溫性。
2.液冷式散熱系統
動力電池的液冷式散熱系統是指制冷劑直接或間接地接觸動力電池，然後通過液态流體(tǐ)的循環流動把電池包内産生(shēng)的熱量帶走達到散熱效果的一(yī)種散熱系統。其制冷劑可以是水、水和乙二醇的混合物(wù)、礦物(wù)質油和R134a等，這些制冷劑擁有較高的導熱率，可以達到較好的散熱效果。當前動力電池的液冷技術也擁有了相當成熟的技術，在電動汽車(chē)的散熱系統中(zhōng)也有了相對廣泛的應用，比如特斯拉電池包就是采用水和乙二醇的混合物(wù)的液冷方式散熱，寶馬i3采用R134a進行散熱。液冷式系統往往要求更複雜(zá)的更加嚴苛的結構設計以防止液态制冷劑的洩漏以及保證電池包内電池單體(tǐ)之間的均勻性，而液冷系統的複雜(zá)結構也使得整套散熱系統變得十分(fēn)笨重，不僅增加整車(chē)的重量，使得整車(chē)的負擔大(dà)大(dà)增加，而且同時由于其結構的複雜(zá)性及高密封性使得液冷系統的維護和保養相對困難，維護成本也相應增加。
3.相變材料式散熱系統
相變材料式散熱系統是以相變材料作爲傳熱介質，利用相變材料在發生(shēng)相變時可以儲能與放(fàng)能的特性達到對動力電池低溫加熱與高溫散熱的效果。但相變材料的熱導率比較低，爲了改變材料的固有缺陷，人們向相變材料中(zhōng)填充一(yī)些金屬材料，例如有些研究中(zhōng)将很薄的鋁闆填充到相變材料中(zhōng)從而達到提高熱導率的目的。爲了提高相變材料的熱導率，還有人提出了向相變材料中(zhōng)填充碳纖維、碳納米管等。
4.熱管式散熱系統
熱管作爲一(yī)種高效的導熱原件，能夠快速高效地把熱能從一(yī)個地方輸送到另一(yī)個地方，也就是能夠把熱量快速有效地在兩個物(wù)體(tǐ)間進行傳輸。在電動汽車(chē)的熱管理系統中(zhōng)，國内外(wài)很多學者也把熱管這一(yī)導熱原件應用到動力電池的散熱中(zhōng)。與傳統的強制對流散熱系統相比，在引入熱管的散熱系統中(zhōng)，動力電池不僅能維持在正常工(gōng)作的溫度範圍内，而且各電池單體(tǐ)之間也能夠保持溫度的均勻性，這是強制冷卻散熱系統所不能達到的效果。但其質量和體(tǐ)積過大(dà)，存在換熱極限。
5.電動車(chē)電池加熱系統
以上介紹了四種給電池散熱的方法，下(xià)面再介紹一(yī)下(xià)爲了使電池适應低溫環境的加熱方式，加熱系統主要由加熱元件和電路組成，其中(zhōng)加熱元件是最重要的部分(fēn)。常見的加熱元件有可變電阻加熱元件和恒定電阻加熱元件，前者通常稱爲PTC（positive temperature coefficient），後者則是通常由金屬加熱絲組成的加熱膜，譬如矽膠加熱膜、撓性電加熱膜等。
PTC由于使用安全、熱轉換效率高、升溫迅速、無明火(huǒ)、自動恒溫等特點而被廣泛使用。其成本較低，對于目前價格較高的動力電池來說，是一(yī)個有利的因素。但是PTC的加熱件體(tǐ)積較大(dà)，會占據電池系統内部較大(dà)的空間。絕緣撓性電加熱膜是另一(yī)種加熱器，它可以根據工(gōng)件的任意形狀彎曲，确保與工(gōng)件緊密接觸，保證最大(dà)的熱能傳遞。矽膠加熱膜是具有柔軟性的薄形面發熱體(tǐ)，但其需與被加熱物(wù)體(tǐ)完全密切接觸，其安全性要比PTC差些。
中(zhōng)國科學院工(gōng)程熱物(wù)理研究所胡學功研究員(yuán)領導的科研團隊利用微槽群複合相變技術成功研制了超過120 Wh/kg高能量密度的電動汽車(chē)電池包熱管理系統(BTMS)樣機，微槽群複合相變技術是利用微細尺度槽群結構複合相變強化傳熱機理實現高強度傳熱，是目前國際上一(yī)種先進的被動式微細尺度相變強化傳熱技術。該成果解決了電動汽車(chē)行業存在的高能量密度電池成組單體(tǐ)之間難以保持均溫性的技術難題，其技術指标優于特斯拉（電池單體(tǐ)間的溫差≤±2℃），且成本優勢巨大(dà)，處于電動汽車(chē)行業内領先水平。
03 電動汽車(chē)電池系統熱管理技術發展方向
從國家對電動汽車(chē)扶持方向來看，電動汽車(chē)電池包熱管理系統必然朝着輕量化，高比能和高均溫性方面發展。科技部“十三五”規劃中(zhōng)也提出開(kāi)展基于整車(chē)一(yī)體(tǐ)化的電池系統的機-電-熱設計，開(kāi)發先進可靠的電池管理系統和緊湊、高效的熱管理系統，到2020年，應使單體(tǐ)電池之間的最大(dà)溫差≤2℃，電池系統的比能量≥210Wh/kg。
另一(yī)方面，十三五末，我(wǒ)國電動汽車(chē)保有量将達500萬輛，随之産生(shēng)大(dà)量廢舊(jiù)動力電池，這爲動力電池的拆解回收帶來大(dà)量工(gōng)作。因此，在設計電動汽車(chē)電池包熱管理系統時，就應當考慮到電池包易拆解，無附加污染，實現電池包熱管理系統的綠色設計。