（新编）锂离子电池包热管理系统的研发.doc

电池管理系统于所有种类的电池来说，其性能都是温度的函数磷酸铁锂电池的最佳工作温度范围为 20～30 °C低温时电池容量较低，影响其使用性能高温时电池循环寿命大大缩短，温度过高时还会产生安全问题再者，锂离子电池在低于 0°C 充电时也存在着安全隐患对动力电池系统来说，电芯及电池模组的一致性是至关重要的而电池在使用过程中不可避免的要产生热量从而导致电池温度升高由于电芯或电池模组的位置不同，散热情况不同，从而导致其温度不同温度的不同又反过来导致电芯及模组的性能不一致由此可见，对电池包进行热管理，使其尽量能在最佳工作范围工作，提高其一致性，延长其使用寿命，避免安全问题等等，都是非常必要的一、 锂离子动力电池的产热行为锂离子动力电池在充放电过程中的产热根源主要来源于以下 4 个方面：1、 电池反应热：磷酸铁锂电池的电化学反应如下：充电：正极： LiFePO4 – xLi+ -xe xFePO4 + (1-x)LiFePO4负极： x6C + xLi+ xe xLiC6放电：正极： FePO4 + xe +xLi+ xLiFePO4 + (1-x)FePO4负极：xLiC6 -xe xLi + x6C 由下式可计算反应所产生的热量：ΔG=ΔH-TΔS =ΔH-T（δΔG/δT）= -nFEe详细计算这些热量需要相关的热力学数据（有些可能还没有） 。

2、 电池反应存在极化产生的热：Q=I²*(R 总阻抗 – R 内阻 )3、 电池副反应所产生的热：如电解液的分解等要根据具体情况计算4、 电阻产生的焦耳热：Q = I ²* R 内阻有人用试验的方法测出 6Ah 锂离子电池在 0°C 条件下 1C 放电时的产热速率为 0.6W，在 22～25 °C 时的产热速率为 0.04W不知是否准确但在没有更准确计算以及试验数据的情况下只能暂作参考二、 电池热管理1、 运行过程中的电池包降温：（1）利用相变材料（ PCM）进行降温：一些材料在一定的温度下会发生相变（融化或凝固） ，伴随着吸热或放热若找到适宜温度的相变材料，相变潜热有比较大，则是一种电池热管理材料的适宜选择下图是给电池包穿上降温“衣服”的示意图下表为一些PCM 材料的性能参数 相变材料产品规格书 型号 熔点 （°C） 潜热（kj/kg) 密度(1.0×10^3kg／m^3) 热传导系数(W/m.K) 体积变化率% 过冷度（°C）PH-28 28 221 1.38 0.56 10≤4PH-30 30 226 1.39 0.55 9≤4PH-32 32 232 1.41 0.55 12≤4PH-40 40 203 1.32 0.52 12≤5PH-47 47 215 1.52 0.56 14≤4PH-55 55 220 1.47 0.53 15≤6说明: 1.相变次数大于 5000 次; 2.通过 MSDS 和 8 项重金属测试，安全无毒；3.对金属铜、铝、PVC 塑料等的腐蚀速率≤0.1mm/a,即抗腐蚀； 4.熔点有±2（°C）的误差；熔点可根据用户要求配制。

若选熔点 35°C 的材料，则当电池温度高于 35°C 时 PCM 材料融化吸热，使电池温度维持在 35°C 以下（ PCM 量足够的话） ，而当夜间温度降到 35°C 以下时，PCM 材料又凝固回来这样便可以利用昼夜温度的变化来进行电池的热管理按照以上计算，安凯电动大巴 1 号箱约需 PCM 材料 21～32 公斤考虑到放电倍率约0.2C，则约需 15KG 左右（可做试验确定） (2) 利用半导体制冷对电池降温，冬天用电阻丝加热对电池升温：半导体制冷片（TE）也叫热电制冷片，是一种热泵，它的优点是没有滑动部件，应用在一些空间受到限制，可靠性要求高，无制冷剂污染的场合半导体制冷片的工作运转是用直流电流，它既可制冷又可加热，通过改变直流电流的极性来决定在同一制冷片上实现制冷或加热，这个效果的产生就是通过热电的 原理，以下的图就是一个单片的制冷片，它由两片陶瓷片组成，其中间有 N 型和 P 型的半导体材料（碲化铋），这个半导体元件在电路上是用串联形式连结组成半导体制冷片的工作原理是：当一块 N 型半导体材料和一块 P型半导体材料联结成电偶对时，在这个电路中接通直流电流后，就能产生能量的转移，电流由 N 型元件流向 P 型元件的接头吸收热量，成为冷端由 P 型元件流向 N 型元件的接头释放热量，成为热端。

吸热和放热的大小是通过电流的大小以及半导体材料 N、P 的元件对数来决定3) 采用太阳能制冷对整车及电池包降温太阳能驱动制冷的主要方式：　　根据不同的能量转换方式，太阳能驱动制冷主要有以下两种方式，一是先实现光─电转换，再以电力制冷；二是进行光─热转换，再以热能制冷利用太阳能进行光─电转换实现制冷的研究它是利用光伏转换装置将太阳能转化成电能后，再用于驱动半导体制冷系统或常规压缩式制冷系统实现制冷的方法，即光电半导体制冷和光电压缩式制冷这种制 冷方式的前提是将太阳能转换为电能，其关键是光电转换技术，必须采用光电转换接受器，即光电池，它的工作原理是光伏效应对于电动大巴，可考虑利用太阳能对电池包充电以补充其电量，然后用电池包带动压缩式车用空调对整车及电池包制冷 太阳能半导体制冷太阳能半导体制冷是利用太阳能电池产生的电能来供给半导体制冷装置，实现 热能传递的特殊制冷方式半导体制冷的理论基础是固体的热电效应，即当直流电通过两种不同导电材料构成的回路时，结点上将产生吸热或放热现象如何改进材 料的性能，寻找更为理想的材料，成为了太阳能半导体制冷的重要问题太阳能半导体制冷在国防、科研、医疗卫生等领域广泛地用作电子器件、仪表的冷却器，或 用在低温测仪、器械中，或制作小型恒温器等。

目前太阳能半导体制冷装置的效率还比较低，COP 一般约 0.2～0.3，远低于压缩式制冷 　　光电压缩式制冷光电压缩式制冷过程首先利用光伏转换装置将太阳能转化成电能，制冷的过程是常规压缩式制冷光电压缩式制冷的优点是可采用技术成熟且效率高的压缩式制冷技术便可以方便地获取冷量光电压缩式制冷系统在日照好又缺少电力设施的一些国家和地区已得到应用，如非洲国家用于生活和药品冷藏但其成本比常规制冷循环高约 3～4 倍随着光伏转换装置效率的提高和成本的降低，光电式太阳能制冷产品将有广阔的发展前景利用太阳能进行光─热转换实现制冷的研究太阳能光热转换制冷，首先是将太阳能转换成热能，再利用热能作为外界补偿来实现制冷目的光─热转换实现制冷主要从以下几个方向进行，即太阳能吸收式制 冷、太阳能吸附式制冷、太阳能除湿制冷、太阳能蒸汽压缩式制冷和太阳能蒸汽喷射式制冷其中太阳能吸收式制冷已经进入了应用阶段，而太阳能吸附式制冷还处在试验研究阶段 太阳能吸收式制冷的研究太阳能吸收式制冷的研究最接近于实用化，其最常规的配置是：采用集热器来收集太阳能，用来驱动单效、双效或双级吸收式制冷机，工质对主要采用溴化锂-水，当太阳能不足时可采用燃油或燃气来进行辅助加热。

系统主要构成与普通的吸收式制冷系统基本相同，唯一的区别就是在发生器处的热源是太阳能而不是通常的锅炉加热产生的高温蒸汽、热水或高温废气等热源 　　太阳能吸附式制冷太阳能吸附式制冷系统的制冷原理是利用吸附床中的固体吸附剂对制冷剂的周期性吸附、解吸附过程实现制冷循环太阳能吸附式制冷系统主要由太阳能吸附集热器、冷凝器、储液器、蒸发器、阀门等组成常用的吸附剂对制冷剂工质对有活性炭-甲醇、活性炭- 氨、氯化钙- 氨、硅胶- 水、金属氢化物- 氢等太阳能吸附式制冷具有系统结构简单、无运动部件、噪声小、无须考虑腐蚀等优点，而且它的造价和运行费用都比较低。