一、鋰離子電池具有溫度敏感性

電動汽車依賴鋰離子電池的動力，因?yàn)榫腕w積和質(zhì)量而言，這種電池的儲電量是鉛酸電池的三倍。這對電動汽車來說是一個(gè)重要參數(shù)，因?yàn)殡姵伢w積越小、重量越輕，車輛的預(yù)期續(xù)航里程和性能就越高。但鋰離子電池內(nèi)部的化學(xué)組分——鋰、鎳或鈷，以及石墨、銅和鋁——對溫度非常敏感。

鋰離子電池的最佳性能發(fā)揮溫度范圍在10°C至25°C之間。電池儲存溫度越高，其自放電速度就越快。在大多數(shù)情況下，冰點(diǎn)以下的溫度不會顯著損壞鋰離子電池（因其不含水分），但低溫同樣會降低電池性能。

二、熱管理系統(tǒng)的必要性與核心目標(biāo)

由于牽引電池（即動力電池包）由數(shù)百個(gè)電芯組成，其內(nèi)部的溫度分布并不均勻。因此，熱管理的必要性毋庸置疑，但如何建立一套系統(tǒng)，始終將所有電芯維持在相同溫度，則是制造商們借助智能、全面的數(shù)據(jù)采集解決方案，在研發(fā)過程中不斷探索的問題。

當(dāng)今最先進(jìn)的電動汽車牽引電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，通常會在電池系統(tǒng)中集成熱交換器，以保持所有電芯溫度近乎恒定。集成熱交換器非常重要，因?yàn)殡娦局g過大的溫差會導(dǎo)致其老化速率不同。否則，部分電芯會比其它電芯更熱，從而老化得更快。如果出現(xiàn)較大溫差，整個(gè)電池包的使用壽命很可能會縮短。

因此，熱管理系統(tǒng)的開發(fā)人員致力于維持電芯間的溫差，目標(biāo)溫差是控制在2–3°C。在最壞情況下，可接受的溫差可達(dá)6–8°C，但這種溫差通常出現(xiàn)在較大的電池包中。

三、影響熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的三大因素

對于熱管理系統(tǒng)的開發(fā)，一個(gè)至關(guān)重要的問題是：電池包可能充電和放電的頻率、速度如何。由于生熱取決于對電力可用性的基本需求，因此了解所謂的“工作循環(huán)”非常重要。用于高功率應(yīng)用的電池包，其生熱量自然會高于用于可再生能源存儲的應(yīng)用。

另一個(gè)重要方面是裝載有牽引電池的車輛使用地域。在環(huán)境溫度極高的地理區(qū)域，電池將在已經(jīng)較高的溫度水平下開始其工作循環(huán)，從而老化得更快。這一事實(shí)必須在熱管理系統(tǒng)開發(fā)過程中予以考慮。

影響電動汽車電池?zé)峁芾砑夹g(shù)的第三個(gè)因素是電芯本身的化學(xué)成分。根據(jù)鋰離子電芯化學(xué)成分的不同，其在高負(fù)荷和高溫運(yùn)行下的性能表現(xiàn)各異。

工作循環(huán)、地理?xiàng)l件和電芯化學(xué)特性共同構(gòu)成了決策的基礎(chǔ)，決定了在牽引電池?zé)峁芾碇袘?yīng)選擇何種材料和策略。其他影響參數(shù)則由傳熱物理特性決定，這與電池包在車輛內(nèi)的布局密切相關(guān)。必須考慮的三種不同類型的熱傳遞是熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射，它們的發(fā)生取決于熱源及其通過周圍材料分布的不同方式。

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四、主動式熱管理：風(fēng)冷和液冷

熱傳導(dǎo)指熱量在兩個(gè)直接接觸的物體間的直接傳遞；熱對流是熱量通過液態(tài)介質(zhì)傳遞至散熱裝置的過程；而熱輻射則是物質(zhì)中帶電的電磁熱粒子從一個(gè)熱源向另一個(gè)熱源的輻射傳熱，該過程通常以空氣為介質(zhì)。三種傳熱方式均需在電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)中考慮，但熱傳導(dǎo)和熱對流對熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響最大。

對于主動式熱管理而言，關(guān)鍵是通過空氣、液體或制冷劑等介質(zhì)來阻止熱量積聚或?qū)崿F(xiàn)散熱。這些介質(zhì)會在電池包內(nèi)流通并流經(jīng)電池單體，從而降低其溫度。

主動式熱管理最常用的兩種方案是風(fēng)冷和液冷。

風(fēng)冷系統(tǒng)的優(yōu)勢在于能快速響應(yīng)溫度變化，且重量低于液冷系統(tǒng)；同時(shí)，冷卻氣流可直接流經(jīng)電池單體，實(shí)現(xiàn)熱量消散。但風(fēng)冷的缺點(diǎn)也很明顯：散熱效率不及液冷，且受氣流設(shè)計(jì)影響，可能出現(xiàn)散熱不均的問題。處于氣流前端的電池單體冷卻效果較好，而氣流在流經(jīng)過程中會逐漸升溫，對后端單體的冷卻效果會大打折扣。這種冷卻不均會導(dǎo)致電池單體老化速率差異，進(jìn)而縮短電池包壽命。

相比之下，液冷系統(tǒng)的優(yōu)勢是散熱效率高，能快速將電池單體的熱量導(dǎo)出；且系統(tǒng)中若配備加熱元件，還可在低溫環(huán)境下為電池單體保溫。但液冷系統(tǒng)也存在兩大弊端：因介質(zhì)質(zhì)量較大而整體重量偏高，且存在電池包內(nèi)冷卻液泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，這些都是研發(fā)人員需應(yīng)對的挑戰(zhàn)。

五、被動式熱管理：材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

被動式熱管理則無需向電池包內(nèi)通入空氣、液體等冷卻介質(zhì)，即可降低電池單體的溫升。其實(shí)現(xiàn)方式是通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選型，抑制電池單體內(nèi)部及單體間的熱量擴(kuò)散。例如，采用鋁制或金屬外殼，可將電池單體的熱量傳遞至殼體并分散，再通過殼體向外界輻射散熱。另一種依托電池包外殼設(shè)計(jì)的被動冷卻方案，是在殼體表面增設(shè)散熱鰭片。車輛行駛時(shí)，鰭片可強(qiáng)制氣流流經(jīng)電池包，從而實(shí)現(xiàn)散熱。

被動冷卻的另一類材料選擇是相變材料（PCM）。相變材料的特性是會隨環(huán)境溫度變化呈現(xiàn)不同的聚集狀態(tài)，受熱時(shí)通常會經(jīng)歷從固態(tài)到液態(tài)的相變過程。在被動熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，相變材料一般為固態(tài)塊體（多以石蠟和石墨為基底），經(jīng)加工或模塑后填充在電池單體之間。當(dāng)電池單體升溫時(shí)，相變材料會吸收熱量并通過軟化或熔化實(shí)現(xiàn)熱量分散。由于相變過程需消耗大量能量，因此相變材料是一種高效的被動冷卻方案。

六、總結(jié)

隨著電動汽車結(jié)構(gòu)和電池包電氣性能的持續(xù)發(fā)展，熱管理系統(tǒng)也在不斷演進(jìn)。因此，在熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)和電池?zé)峁芾頊y試階段，精準(zhǔn)的溫度測量必不可少。對于后續(xù)的研究、分析和研發(fā)工作而言，一套安全、精準(zhǔn)且易用的溫度測量系統(tǒng)，是為電動汽車牽引電池選擇合適的主動 / 被動熱管理材料與設(shè)計(jì)方案的關(guān)鍵工具。