收稿日期：2012-02-16基金项目：国家“973”重点基础研究发展计划(2011CB711203)作者简介：蔡飞龙（1987—），男，江苏省人，硕士研究生，主要研究方向为电动汽车热管理。
纯电动汽车用锂离子电池热管理综述蔡飞龙1,2，许思传1,2，常国峰1,2（1.同济大学汽车学院，上海201804；2.同济大学新能源汽车工程中心，上海201804）摘要：动力蓄电池热管理系统（BTMS ，Battery Thermal Management System ）对纯电动汽车在各种环境下的动力性有至关重要的影响。
通过文献研究分析了锂离子电池工作原理、高温及低温条件下的产热原理，总结目前纯电动汽车用锂离子电池的强化传热措施，并提出了空调制冷中分水冷电池包和风冷电池包的方案，并且说明了集两种热管理方式为一体的热管理系统是未来适合复杂工况的大功率锂离子动力电池热管理的重要研究方向。
关键词：纯电动汽车；锂离子电池；相变材料；热管理中图分类号：TM 912.9文献标识码：A 文章编号：1002-087X(2012)09-1410-04Thermal management techniques of lithium-ion batterypack for electric vehiclesCAI Fei-long 1,2,XU Si-chuan 1,2,CHANG Guo-feng 1,2（1.College of Automotive Engineering,Tongji University,Shanghai 201804,China ；2.New Energy Center of Automotive Engineering,Tongji University,Shanghai 201804,China ）Abstract:The power battery thermal management system (BTMS,battery thermal management system)of pure electric vehicles has a crucial impact on operating performance in various environments.The working principle oflithium-ion battery and the principle of heat-producing under high and low temperature was analyzed,the BTMSdesign principles were summarized,the current heat transfer enhancement measures of lithium-ion battery forelectric vehicles were summed up,and the liquid cooling and air cooling with air conditioning and refrigeration for battery themal management was proposed.Two kinds of thermal management in one system were described,which is the important research direction for the extreme conditions in the future.Key words:electric vehicles;lithium-ion batteries;phase change material;thermal management 动力蓄电池作为纯电动汽车(EV ，Electric Vehicle)的动力来源，是提高整车性能和降低成本的关键一环，其温度特性直接影响EV 的性能、寿命和耐久性。
锂离子电池因比能大、循环寿命长、自放电率低、允许工作温度范围宽、低温效应好等优点是EV 目前首选的动力蓄电池[1-2]。
锂离子电池包热管理的要求是根据锂离子电池发热机理，合理设计电池包结构，选择合适的热管理方式，合理设计热管理策略，保证电池包内各个单电池工作在合理温度范围内的同时尽量维持包内各个电池及电池模块间的温度均匀性[3]。
1锂离子电池热特性1.1锂离子电池产热机理电池在充放电过程中都会发生一系列的化学反应，从而产生反应热。
锂离子动力电池的主要产热反应包括：电解液分解、正极分解、负极与电解液的反应、负极与粘合剂的反应[4]和固体电解质界面膜的分解。
此外，由于电池内阻的存在，电流通过时，会产生部分热量。
低温时锂离子电池主要以电阻产生的焦耳热为主，这些放热反应是导致电池不安全的因素。
电解液的热安全性也直接影响着整个锂离子电池动力体系的安全性能。
实际运行环境中，动力系统需要锂离子电池具备大容量与大倍率放电等特点，但同时产生的高温增加了运行危险。
所以，降低锂离子电池工作温度，提升电池性能至关重要。
1.2电池产热量、产热速率计算电池的反应热用Q r 来表示；由电池极化引起的能量损失用Q p 来表示；电池内存在典型的电解液分解和自放电副反应，副反应引起的能量损失用Q s 表示；电池的电阻产生焦耳热为Q j 。
则，一个电池总热源可由以下公式来表示：Q a =Q r +Q p +Q s +Q j式中：V 为平均产热速率；Q 为电池工作时间内电池的总热量；t 为电池工作时间。
电池的平均产热速率(W)=产生的热量(J)/循环时间(s),则由以下公式表示：V =Q /t2BTMS 传热冷却方式BTMS 中按照能量提供的来源分为被动式冷却和主动式冷却，其中只利用周围环境冷却的方式为被动式冷却；组装在系统内部的、能够在低温情况下提供热源或在高温下提供冷源，主动元件包括蒸发器、加热芯、电加热器或燃料加热器等的方式为主动式冷却。
按照传质的不同可以分为空气强制对流、液体冷却、相变材料（PCM，Phase Change Material）、空调制冷、热管冷却、热电制冷和冷板冷却等。
根据不同的放电电流倍率、周围温度等应用要求选择不同的冷却方式。
2.1空气强制对流空气作为传热介质就是直接让空气穿过模块以达到冷却、加热的目的。
很明显空气自然冷却电池是无效的，强制空气冷却是通过运动产生的风将电池的热量经过排风风扇带走，需尽可能增加电池间的散热片、散热槽及距离，成本低，但电池的封装、安装位置及散热面积需要重点设计。
可以采用串联式和并联式通道，如图1所示。
Chen等[5]提出了精确的和简化的模型，仿真结果研究得出了电池的散热特性：1）在自然冷却下热辐射占整个散热的43%~63%；2）强化传热是降低最高温度的有效措施，但扩大强化传热的范围并不会无限地提高温度一致性。
KennethJ.Kelly等[6]利用空气强制冷却方法对丰田Prius 和本田Insight混合动力车用电池进行热管理，分别在0、25、40℃下以FTP-75和US06循环工况测试热电偶分布点的温升，并且控制风扇从低功率4W到中等功率14W，实验结果说明US06工况（包括更多的加速、减速和高速运行条件）下电池温升明显比FTP-75工况下高，但温升都在5℃之内。
此外，Mao-Sung Wu等[7]验证在极端条件下，尤其在高放电倍率、高的运行环境温度（>40℃）时，空气冷却不再适用，而且电池表面的不均匀性也成为必然。
Paul Nelson等[8]提出对于正常运行需要25kW的电堆，－30℃时冷启动只需要5 kW，但是电池不能通过自身的I2R来实现快速加热。
在这种情况下，他们提出了两种可能的加热方式：(1)电池包内固定电热丝；(2)以热传递的形式加热电池冷却液。
由于空气很难快速加热电池，我们可以考虑利用高传导率的液体来实现电池热管理。
2.2液体冷却在一般工况下，采用空气介质冷却即可满足要求，但在复杂工况下，液体冷却才可达到动力蓄电池的散热要求。
采用液体与外界空气进行热交换把电池组产生的热量送出，在模块间布置管线或围绕模块布置夹套，或者把模块沉浸在电介质的液体中。
若液体与模块间采用传热管、夹套等，传热介质可以采用水、乙二醇、油、甚至制冷剂等。
若电池模块沉浸在电介质传热液体中，必须采用绝缘措施防止短路。
传热介质和电池模块壁之间进行传热的速率主要取决于液体的热导率、粘度、密度和流动速率。
在相同流速下，空气的传热速率远低于直接接触式流体，这是因为液体边界层薄，导热率高。
Pesaran等[9]讨论了液体冷却与空气冷却、冷却及加热与仅有冷却系统的效果。
实验结果表明相对于液体冷却/加热，空气介质传热效果不是很明显，但是系统不太复杂。
对于并联型混合动力车，空气冷却是满足要求的，而纯电动汽车和串联型混合动力车，液体冷却效果更好。
David R.Pendergast等[10]利用松下(CGR18650E)单元电池包裹在三角形铝模块中，然后放在水中。
该系统理论数据和实验结果都说明电池棒内温度不会低于/高出工作温度范围（－20～60℃），该实验可被认为是简单的水冷却系统。
Paul Nelson等[8]分别用空气和聚硅酮电解流体作为电池热管理系统的冷却介质，验证了电解流体能显著降低电池过高的温度，还可以使电池模块有较好的温度一致性，此外，聚硅酮电解流体也因不溶于水而更加安全。
张国庆等[11]设计了一种液体冷却与相变材料冷却结合的装置，能够实现电动汽车电池在比较恶劣的热环境下电池装置整体有效地降温，又能满足各单体电池间温度分布的均衡，同时易循环利用，从而达到最佳运行条件，并降低成本，增强经济性。
目前制造商不愿意选择液体冷却是因为密封不好会导致液体泄漏，所以密封设计是极其重要的。
2.3相变材料冷却（PCM）一个理想的热管理系统应该能以低容积，减少质量及成本增量的情况下维持电池包在一个均匀温度。
就鼓风机、排风扇、泵、管道和其他附件而言，空气冷却和液体冷却热管理使得整个系统笨重、复杂、昂贵[12]。
相变材料由于其巨大的蓄热能力，开始被应用于动力电池包热管理系统[13]，相变冷却机理是靠相变材料的熔化（凝固）潜热来工作，利用PCM作为电池热管理系统时，把电池组浸在PCM中，PCM吸收电池放出的热量而使温度迅速降低，热量以相变热的形式储存在PCM 中，在充电或很冷的环境下工作时释放出来。
在相变材料电池热管理中，所需的PCM质量计算如下：式中：Q dis(J)是电池释放的热量；M PCM(kg)是相变材料质量；C p (J·kg－1·K－1)是相变材料的比热；T m(℃)是相变材料初始温度；H(J·kg－1)相变材料的相变潜热。