衆所周知的事情是锂電(diàn)池在高(gāo)溫下使用非常危險,這就是很(hěn)多(duō)人(rén)在手機發燙時(shí)趕緊關機,甚至是直接扔了手機的原因,因為(wèi)锂電(diàn)池在發熱情況下可(kě)能爆炸。作(zuò)為(wèi)锂電(diàn)池使用的大(dà)戶,電(diàn)動汽車(chē)動辄需要使用幾千節锂電(diàn)池,那(nà)麽它是怎麽對锂電(diàn)池散熱的呢,是怎麽保證锂電(diàn)池的安全性呢?其實很(hěn)少(shǎo)有(yǒu)人(rén)知道(dào),電(diàn)動轎車(chē)很(hěn)多(duō)都采用的水(shuǐ)冷方式,也就是通(tōng)過冷卻液的循環來(lái)給電(diàn)池散熱,而并非自然冷卻。
目前我國大(dà)多(duō)數(shù)電(diàn)動汽車(chē)都是以锂電(diàn)池作(zuò)為(wèi)動力電(diàn)池的主要原材料。包括三元锂、磷酸鐵(tiě)锂、錳酸锂和(hé)钴酸锂等。而最常用的還(hái)是三元锂和(hé)磷酸鐵(tiě)锂。三元锂電(diàn)池能量密度更大(dà)、體(tǐ)積小(xiǎo)、質量輕,但(dàn)安全性經常受到懷疑。磷酸鐵(tiě)锂電(diàn)池雖然能量密度小(xiǎo),卻被認為(wèi)更安全。
從下表可(kě)看出,兩種電(diàn)池材料各有(yǒu)優缺,也正因此才會(huì)根據具體(tǐ)的車(chē)型和(hé)需求采用不同的電(diàn)池材料。據了解,在乘用車(chē)領域三元锂電(diàn)池已成為(wèi)主角,而在客車(chē)領域磷酸鐵(tiě)锂電(diàn)池則更常用。
不過動力電(diàn)池工作(zuò)電(diàn)流大(dà),産熱量大(dà),同時(shí)電(diàn)池包處于一個(gè)相對封閉的環境,就會(huì)導緻電(diàn)池的溫度上(shàng)升。這是因為(wèi)锂電(diàn)池中的電(diàn)解質,電(diàn)解質在锂電(diàn)池內(nèi)部起電(diàn)荷 傳導作(zuò)用,沒有(yǒu)電(diàn)解質的電(diàn)池是無法充放電(diàn)的電(diàn)池。目前锂電(diàn)池大(dà)部分是易燃、易揮發的非水(shuǐ)溶液組成,這個(gè)組成體(tǐ)系相比水(shuǐ)溶液電(diàn)解質組成的電(diàn)池有(yǒu)更高(gāo)的比能量 和(hé)電(diàn)壓輸出,符合用戶更高(gāo)的能量需求。因為(wèi)非水(shuǐ)溶液電(diàn)解質本身易燃、易揮發,浸潤在電(diàn)池內(nèi)部,也形成了電(diàn)池的燃燒根源。因此上(shàng)述兩種電(diàn)池材料的工作(zuò)溫度都 不得(de)高(gāo)于60℃,但(dàn)現在室外溫度已接近40℃,同時(shí)電(diàn)池本身産熱量大(dà),将導緻電(diàn)池的工作(zuò)環境溫度上(shàng)升,而如果出現熱失控,情況将十分危險了。為(wèi)了避免變成 “燒烤”,給電(diàn)池散熱就尤為(wèi)重要了。
電(diàn)池包散熱有(yǒu)主動和(hé)被動兩種,兩者之間(jiān)在效率上(shàng)有(yǒu)很(hěn)大(dà)的差别。被動系統所要求的成本比較低(dī),采取的措施也較簡單。主動系統結構相對複雜一些(xiē),且需要更大(dà)的附加功率,但(dàn)它的熱管理(lǐ)更加有(yǒu)效。
不同傳熱介質的散熱效果不同,空(kōng)冷和(hé)液冷各有(yǒu)優劣。
采用氣體(tǐ)(空(kōng)氣)作(zuò)為(wèi)傳熱介質的主要優點有(yǒu):結構簡單,質量輕,有(yǒu)害氣體(tǐ)産生(shēng)時(shí)能有(yǒu)效通(tōng)風,成本較低(dī);不足之處在于:與電(diàn)池壁面之間(jiān)換熱系數(shù)低(dī),冷卻速度慢,效率低(dī)。目前應用較多(duō)。
采用液體(tǐ)作(zuò)為(wèi)傳熱介質的主要優點有(yǒu):與電(diàn)池壁面之間(jiān)換熱系數(shù)高(gāo),冷卻速度快;不足之處在于:密封性要求高(gāo),質量相對較大(dà),維修和(hé)保養複雜,需要水(shuǐ)套、換熱器(qì)等部件,結構相對複雜。
在實際的電(diàn)動大(dà)巴應用中,由于電(diàn)池組容量大(dà)、體(tǐ)積大(dà),相對來(lái)講功率密度比較低(dī),因此多(duō)采用風冷方案。而對于普通(tōng)乘用車(chē)的電(diàn)池組,其功率密度則要高(gāo)得(de)多(duō)。相應的,它對散熱的要求也會(huì)更高(gāo),所以水(shuǐ)冷的方案也更加普遍。
不同的電(diàn)池包結構傳感器(qì)會(huì)根據測溫點和(hé)需求來(lái)定。溫度傳感器(qì)會(huì)被放置在最具代表性、溫度變化幅度最大(dà)的位置,例如空(kōng)氣的進出口位置以及電(diàn)池包的中間(jiān)區(qū) 域。特别是最高(gāo)溫和(hé)最低(dī)溫處,以及電(diàn)池包中心熱量累積較厲害的區(qū)域。這樣有(yǒu)助于将電(diàn)池的溫度控制(zhì)在一個(gè)相對安全的環境,避免過熱和(hé)過冷對電(diàn)池造成危險。
另外,就是電(diàn)池隔膜的作(zuò)用,主要是在狹小(xiǎo)空(kōng)間(jiān)內(nèi)将電(diàn)池正負級闆分隔開(kāi)來(lái),防止兩極接觸造成短(duǎn)路,卻能保證電(diàn)解液中的離子在正負極之間(jiān)自由通(tōng)過。因此隔膜就成了保證锂離子電(diàn)池安全穩定工作(zuò)的核心材料。
電(diàn)解液是為(wèi)了隔絕燃燒來(lái)源,隔膜是為(wèi)了提高(gāo)耐熱溫度,而散熱充分則是降低(dī)電(diàn)池溫度,避免積熱過多(duō)引發電(diàn)池熱失控。如果說電(diàn)池溫度急劇(jù)升高(gāo)到300℃,即 使隔膜不融化收縮,電(diàn)解液自身、電(diàn)解液與正負極也會(huì)發生(shēng)強烈化學反應,釋放氣體(tǐ),形成內(nèi)部高(gāo)壓而爆炸,所以采用适合的散熱方式至關重要。
不過相比電(diàn)動大(dà)巴、電(diàn)動物流車(chē)等要在高(gāo)溫燒烤下馬不停蹄地工作(zuò),個(gè)人(rén)電(diàn)動汽車(chē)用戶還(hái)是幸運的。面對如此高(gāo)溫天氣,不論是電(diàn)動汽車(chē)還(hái)是傳統汽車(chē),出于安全考慮,用戶們還(hái)是應盡量減少(shǎo)戶外工作(zuò),不要讓愛(ài)車(chē)長時(shí)間(jiān)暴曬,對于電(diàn)動汽車(chē)還(hái)要避免過充過放,盡量選用慢充充電(diàn)方式。