近年来,随着经济社会的发展和人民生活水平的提高,小型汽车已逐步走进千家万户,成为人们出行的必备之物。电动汽车凭借其零排放、噪声小、结构简单、能源利用效率高等诸多优点,已成为新能源汽车的首选。然而,动力电池一直是制约新能源汽车发展的技术瓶颈,存在着成本较高、能量密度较低、寿命短、间接污染严重、输电配电设施不健全等诸多问题。锂离子电池因为具有诸多优点,已成为电动汽车的主要电源。但是,锂离子电池在使用时会产生大量的热量,若不采取有效的热管理措施,将导致电池组温度过高、单体电池间温度分布不均衡等问题,严重影响电池组的使用寿命和动力性能,甚至会因高温而产生安全问题。因此,开发利用合理的电池组热管理系统,优化电池组的散热结构显得尤为重要。本文以磷酸铁锂动力电池为研究对象,介绍了锂离子电池的产热机理和温度特性,设计和组装了实验系统,并进行了各种工况条件下的充放电实验,实验条件主要是改变电池组的冷却方式和放电倍率。冷却方式包括无间隙自然冷却、等间隙自然冷却、加装纯铝翅片自然冷却、加装纯铜翅片自然冷却等,采用的放电倍率主要有0.5C、1C、1.5C、2C、2.5C、3C。通过对不同工况下最高、最低温度点位置以及最大温升、最大温差等参数的分析,研究了电池间距、放电倍率、放电深度、翅片厚度、翅片高度、翅片材料等因素对电池组温度分布及其变化特性的影响。研究结果表明:电池组的最大温升和最大温差均随着放电深度的增加而升高;电池放电初期和末期温升较快,放电中期温升较慢;电池组的最高温度分布在中央电池电极下方,最低温度分布在电池组外侧电池的外表面下方,且整个放电过程中电池组的最高、最低温度点位置较为稳定;恒流放电倍率增大,同一结构下电池组的最大温升和最大温差均随之增大,即热管理难度增加;在电池单体间留有一定间隙并不能有效改善电池组的温度分布,且在一定程度上加剧了电池组温度分布的不均匀性;电池间加装金属翅片可显著改善电池组的温度分布,且存在一个最佳翅片高度;在翅片高度一定的情况下,翅片越厚,热管理效果越好,但电池系统的质量也随之增加;同时,采用导热系数较大的翅片材料,可显著改善电池组的温度分布。当今时代,经济社会快速发展,人民生活水平逐渐提高,小型汽车逐渐走进千家万户,已经成为我们日常生产生活中不可或缺的一部分[1]。汽车工业的迅猛发展极大地便利了人们的生活,也带动了相关产业的繁荣和发展[2]。然而汽车数量的陡然增加,增加了日益枯竭的化石燃料的消耗,大量产生CO2等温室气体引发了全球范围内的气候变暖,同时产生的PM2.5等有毒物质还造成了严重的雾霾天气,给人们的出行和健康带来了许多不便和伤害,开发利用低污染、高性能的新能源汽车已成当务之急。长期以来,党和国家十分重视发展新能源汽车,并给予了大量的政策扶持[3]。通过国家新能源技术重点项目的研究攻关,我国在动力电池、电机、控制器、充电桩等领域获得了重大突破,掌握了多项具有自主知识产权的关键技术。通过政府政策的倾斜,不仅加大了对充电站、充电桩等基础设施的投入,还对购买电动汽车的民众进行相应优惠补贴[4]。同时,我国大多数汽车企业为了争取在新能源汽车领域占据一定的市场,不断加大新电动汽车的专项研发费用。电动汽车有节能环保的特点,可以满足人们长距离行驶的要求,以电动汽车为代表的新能源汽车已逐步为市场所接受,销量也开始有了可喜的突破,未来有望取代传统汽车,成为千家万户的必备工具。根据新能源汽车驱动方式的不同,可将其分为纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车[5]。纯电动汽车:只依靠电能驱动的车辆,通过充电设备对其进行充电,不需要其他能量。主要优点是结构简单、噪声较小、保养便宜、补贴较高、起动和加速性能良好。缺点为续航里程短、充电时间长、电池价格贵、寿命衰减快、电桩数量少[6]。代表车型如比亚迪腾势、特斯拉Model S、华晨宝马之诺、北汽E150ev、江淮和悦iEV等。混合动力汽车:在普通汽车的发动机处加入电动机,以改善发动机在起动、低速以及加速阶段的油耗和排放,让发动机一直在最高效区域工作,减轻油耗、排放的压力。通常能够在纯电动、纯油、油电混合三种模式下运行。根据是否需要外加充电设备以及发动机是否直接驱动行驶可以分为普通混合动力汽车、插电式混合动力汽车以及增程式混合动力汽车[7］。其优点是可自由选择驱动模式、动力性能好、无需热车、节约油耗、高续航、充电时间短等,缺点为结构复杂、价格昂贵、补贴较少、高速巡航能力差、车型较少等。代表车型如雷克萨斯CT200h、丰田PRIUS、比亚迪秦、宝马i3、本田飞度Hybrid等。燃料电池汽车:以氢气和氧气的化学作用产生的电能作为驱动力的车辆。其主要优点为结构简单、原料来源广、加氢便捷、没有任何污染等。缺点为氢气生产成本高、存储困难,建设加氢站成本高,高压氢气安全性能较差。代表车型如丰田FCV MIRAI、奔驰GLC F-Cell等。氢燃料电池汽车具有排放清洁、续航里程高、补充燃料快等优点,是新能源汽车未来发展的方向。但而,由于燃料电池价格昂贵、氢燃料获取困难、储氢容器安全性能差等诸多缺点,目前仅停留在科学研究阶段,尚未进行产业化生产。纯电动车，混合动力以及燃料电池汽车的主要区别如表1-1所示：现阶段，国家大力发展新能源汽车行业，二传电动汽车凭借其结构简单、价格便宜、政府补贴额度高等诸多优点，称谓发展最快、普及最广的新能源汽车，称谓汽车行业的主流。电池是电动汽车的动力来源，它既是电动汽车发展水平的重要标志，也是制约电动汽车发展的瓶颈，其性能的优劣对电动汽车有着巨大的影响，直接关系到整车续航里程的长短和安全性能的高低。因此，选择一款动力足、性能强、寿命长的动力电池至关重要。电池的主要性能参数包括额定容量，额定电压，充放电截止电压、充放电速率、荷电状态、阻抗、寿命等。额定容量，处于满电荷状态的电池在某一设计的放电条件下放电至设定的截至电压应该能够放出的电池容量。单位为Ah，随着电池使用次数的增加，电池的实际容量会逐渐降低，因此往往会低于理论容量。电池的额定容量直接表明了电池蓄电能力的大小。额定电压，电池电压在正常工作状态下的标称值。电池的实际工作电压随不同使用条件而异。它只与电极，此电压即为该电池的放电截止电压。如磷酸铁锂动力电池,其充电截止电压一般为3.65V,放电截止电压一般为2V。充放电倍率:电池在规定的时间内(1h)放出其额定容量时所需要的电流值,它在数据值上等于充放电电流(A)除以电池的额定容量(Ah)所得的数值,单位用字母C表示。充放电倍率的大小表征了蓄电池所能承受的充放电电流的大小,对电池的性能有着较大影响。荷电状态:也叫剩余电量,指电池的实际剩余容量与额定容量之比,常用百分数表示。其取值范围为0～100%,SOC=0表示完全放电,SOC=100%时表示完全充满。阻抗:电池内电极与电解质有很大的界面面积,研究时可将电池等效为一个电容、电阻、电感的串联回路,此回路中电容较大,而电阻、电感相对较小。蓄电池阻抗是由欧姆内阻RΩ、电化学反应电阻Re、浓差极化内阻Rc三部分组成的。循环寿命:蓄电池在规定条件下的最大充放电循环次数,一般以正常使用条件下实际容量低于额定容量的80%时的循环次数作为电池的循环寿命。该参数是评价电池性能优劣的指标之一。能量密度:分为重量能量密度和体积能量密度,分别指单位质量(1kg)和单位体积(1L)电池在一定放电条件下所能够放出来的电功(Wh),单位分别为(Wh/kg)和(Wh/L)。该参数是评价电池性能优劣的指标之一。电动汽车动力电池可分为化学电池、物理电池和生物电池三大类,其中化学电池是目前电动汽车领域应用最为广泛的电池种类[10]。铅酸电池由于质量重、寿命短、安全性差、金属铅污染环境,已淘汰使用。镍镉电池的技术成熟,曾被广泛使用。但其能量效率低、有记忆效应、金属镉污染环境,已淘汰使用。空气电池虽具有较大的储能能力,但是能量保存能力极差,且功率不足,因此不适宜作为电动汽车的动力电池。钠硫电池由于使用条件苛刻、占用空间大、安全性能低等局限性,不适宜作为电动汽车的动力电池。镍氢电池各项性能指标均较好,广泛应用于混合动力汽车[11]。锂离子电池具有电压平台高、能量密度高、质量轻体积小、使用寿命较长、自放电率低、绿色环保等诸多优点,是目前最适合用于电动汽车的动力电池[12]。国内电动汽车电池主要的次奥聊为磷酸铁锂和三元锂电池。磷酸铁锂电池热稳定性是目前车用锂电池中最好的，具有安全性能高，使用寿命长，充放电电流大等优点,因此赢得了众多国内厂商的青睐,比如江淮的iEV4、比亚迪E6/秦、华晨宝马芝诺、东风日产启辰晨风、比亚迪的腾势,均选择了磷酸铁锂电池。磷酸铁锂电池已成为目前电动汽车电池的重要门类之一。锂离子电池是上世纪九十年代初被广泛应用的新型电池,经过近二十年的发展,目前已在各种消费电子产品中出现,并且被应用于电动汽车、飞机、潜艇、小型船只和航天器等高科技领域。锂在金属元素中摩尔质量最小,单位质量的比能量最大,氧化还原反应电位最低,是作为电池的一种理想材料[13]。自诞生以来,锂离子电池技术便得到迅猛的发展,相关技术也取得了长足的进步,被认为是电动汽车理想的动力来源。锂离子电池的比能量大,因此作为电动汽车动力来源时,可减小电池组的体积和电池单体的个数,降低电池组单体不一致性的概率,有效提高电池组的安全性能和使用寿命[12]。锂电池根据其是否可以多次充放电使用分为锂一次电池和锂二次电池两类[14]。锂二次电池的研究最早开始于1660年至1670年,当时锂电池的制造主要以金属锂作为电池负极材料,但是由于锂的化学特性很活泼,这种电池有比较严重的安全隐患。之后的一系列研究并没有得到很好地解决锂电池的安全问题,最终锂离子电池取代了锂电池。Armand[15]首先提出了用嵌锂化合物替代金属锂作为负极材料的构想。随后,Scrosati[16]等人以TiS2、W03、NbS2或V205作为正极,LiW02或Li6Fe03作为负极,制造出一种锂离子电池,并于1986年完成了电池整体的初步设计。索尼公司1990年率先推出了可以投入实用的锂离子电池。锂离子电池的安全性要远远高于性质不稳定的锂电池,能够正常使用的时间更长,成本也更加低廉。由于以上优点,锂离子电池一经推出就受到了广泛好评,相关技术也被大量应用到工业生产和日常生活中。如今锂离子电池技术仍在不断发展。Goodenough和Pashi[17]发现了具有橄榄石结构的磷酸铁锂材料更耐高温、耐过充,因此磷酸铁锂(LiFeP04)电池已成为目前发展最为迅速,应用前景最为广阔的新型锂离子电池之一,在动力电池和未来能源领域具有广阔的发展空间。但是磷酸铁锂电池也有不足。主要缺点就是充放电时电压平台比低,比能量也较低。但随着目前科研界的不断努力,磷酸铁锂电池的各个缺点已经被逐渐克服。综上所述,随着科技水平的进步,锂离子电池凭借自身优势,必将在未来电动汽车动力电源中占有一席之地,而大容量高功率的磷酸铁锂电池也将迎来更为广阔的应用前景。常见的电动汽车用动力电池本质上是将化学能直接转变为电能的蓄电池,电池内部化学反应是否能够顺利进行直接影响着电池的性能。众所周知,温度对化学反应的进行有很大的影响,因此电池性能在很大程度上受到温度因素的影响。化学反应主要集中在电极和电解液的接触界面上,如果温度较低,如锂电池温度低于0℃,其内部的有机电解液会变得更加粘稠甚至凝结,阻碍电解液内导电介质的活动,严重时甚至会形成锂枝晶,影响电池的使用寿命,甚至产生安全问题[18]。同时,低温会引起电池内部化学反应速率的下降,造成电池充电缓慢而又困难,放电电压平台、放电电流和输出功率显著下降,进一步恶化电池的性能。低温还会降低电池内部化学反应的深度,直接降低电池的容量[19]。随着温度的逐渐升高,上述不良情况将有所改善,电池内部的化学反应速率随之加快,电解液传递能力增强,化学反应更加彻底,直接导致输出功率和电池容量的上升,延长电池的使用寿命并提高了电池的最高输出电流和放电电压平台。然而,若温度过高,如锂电池温度远远高于45℃,则会造成电池内部电解液的分解变质,破坏化学平衡,导致一系列不良副反应的发生,缩短电池的使用寿命,并造成很大的安全隐患[20]。近年来,电动汽车因为电池温度过高而产生自燃的现象屡见不鲜,因此,使电池始终处于一个适宜的温度区间,对电池的性能和寿命有着至关重要的影响。电池在作为动力电源使用时往往需要串并联成为电池组,电池在充放电过程中常常伴有大量热量的产生,串并联成组后又产生了新的问题。例如,在锂离子电池组中不同电池单体的固有物性参数存在一定差异,主要体现在内阻、电压、容量等方面。由于电动汽车的车载电机在行驶过程中所需的电压需要达到300V以上,而锂离子电池的单体电压一般都在3.3-3.6V之间[21],因此为了满足电动汽车的使用要求,所需的电池单体数目巨大,甚至可能会达到上百块。锂离子电池单体在使用时并无过高要求,也不涉及电池间的均一性等问题,对其进行简单的状态监控即可正常使用。而在锂离子电池组涉及到许多个单体电池的协同工作,要求的使用条件则变得很苛刻。究其原因主要是同一品牌同一规格的电池组内,各单体的电压、内阻、容量和温度等性能参数有差异。例如有的电池单体内阻较大,有的较小,有的电池在放电过程中电压下降较快,有的下降则较慢。在充放电的过程中,各单体电池的运行电压会有较大波动,从而导致整个电池组的工作电压不断波动,影响电池组整体电压的稳定性[22]。在这种状态下工作的锂离子电池组内电池的使用寿命会进一步缩短,并且会影响电动汽车的整体性能,运行工况较复杂时,部分电池可能会超出合理的温度范围而导致电池着火、爆炸等一系列危险事故[23]。由于车辆空间有限,电池模块排列紧密,很容易引起电池组内热量的堆积,造成其温度超出最佳工作温度区间,严重影响电池的性能甚至会直接导致电池的报废。此外,处于不同位置的电池单体对散热条件的要求不尽相同,若不能采取合理的散热结构对其进行热管理,则会导致电池组不同单体之间的温度有所差异,若差异过大,则高温处的电池相比低温处老化得快,长时间运行时会导致电池组内部各单体性能差异逐步加大,一致性受到较大破坏,最终会因高温区域电池寿命的缩短而导致电池组整体性能的下降以及使用寿命的缩短[24]。因此,为了保证电池组的使用寿命和安全性要求,必须将电池组内各个电池单体的温度和各单体间的温度差异控制在一个合理的温度范围之内,而这一目的实现离不开设计良好、行之有效的电池组热管理系统。在国外,对电动汽车及其相关技术的研究比较早,从1980年开始,电动汽车动力电池的研究对象依次经历了从铅酸电池、镍氢电池到锂离子电池的转变,科研人员对电动汽车动力电池的电化学建模和热效应模型有一定的研究进展。在动力电池的热模型建立方面依次经历了从动力电池生热模型的建立到动力电池三维散热模型的研究,再到动力电池的内部电化学特性分析等方面的过渡,均取得了研究进展[25]。美国再生能源实验室对锂离子动力电池组的电化学性能和使用性能进行了研究,分别开展了仿真模拟和实验研究,对动力电池的电化学模型进行了必要的简化,已经开发出电池热效应的仿真模型,在电池箱的整体结构研究方面也取得了实用性的进展[26],目前正在利用有限元热分析仿真软件来推进电池组热管理系统(Battery Thermal Management System,BTMS)的研发和温控电池箱的合理设计[27]。目前国外对于电池组热管理系统的研究在新型冷却方法上进行了尝试,如采用新兴的相变化材料冷却方法。Rami Sabbah[28]比较了近年来新兴的相变材料(PCM)冷却方法与传统的空冷方法的效果,发现采用相变材料具有明显的优势。国外已经开始对新的传热介质进行研究,比如日本本田公司的Insight和丰田公司的混合动力汽车Prius采用强制空冷式对电池组进行散热管理[29],而特斯拉则采用液体冷却。处于合理的工作温度是电池组保持良好性能和正常工作的必要条件。因此,采取合理的电池组热管理方案对于提高锂离子电池组的整体性能具有重要的意义。电池热管理包括散热管理和加热管理两个方面,在保证电池组处于合理工作温度范围之内的同时,也需要均衡电池箱内各点的温度,保持各单体电池的温度一致,防止因温度差异过大而造成电池组整体性能的下降。散热管理最直接的目的是防止电池组的温度过高,即抑制电池组的最大温升;而加热管理主要是为防止电池组在充电过程中因为温度过低而产生的充电缓慢、容量大幅衰减等负面影响,而低温对电池放电阶段则影响不大[30]。通过对大量电池工况数据进行分析,发现电池组在放电过程中常常会因散热不及时而造成高温的情况。国内外许多学者根据研究电池种类和形状的不同提出各种各样的设计方案,究其原理,主要为风冷、液冷、相变冷却和热管冷却四种方式。其中,空冷是最便宜的方法;液体冷却除了需要盛放冷却介质的空间,还需额外的循环系统,相变材料冷却和热管冷却的方法则较为昂贵[31]。①风冷空气广泛存在,极易获得且价格便宜,无化学腐蚀作用,不会影响电池内部的各种电化学反应。电动汽车在行驶过程中与空气相对运动会产生风,以流动的空气作为换热介质是目前最易实现的技术手段,因此风冷成为目前车载电池热管理系统中最受关注、研究最多的冷却方式。风冷分为自然冷却和强制风冷两种类型。随着电动汽车的逐步发展,车速逐渐提升、加速耗时更短、负载逐渐加重、工况愈加复杂,车用锂离子电池的热负荷也随之增大,电池组逐渐朝着电池数量多、质量大、能量高这一方向发展,这必然导致有限的空间内电池排列更加紧密,热传导的弛豫时间较长,仅使用自然冷却不能满足要求[32,33]。实验表明,锂离子电池组靠自然对流进行降温的效果并不理想,强制风冷可以在一定程度上缓和电池组整体温度的急剧升高,但会增大锂离子电池单体间的温差。强制风冷需要增加诸如风机、风扇之类的辅助设备,且需要动力设备为之提供额外的能量。同时需要设计并加装风道,这势必造成车载电池的散热结构过于复杂且庞大。许多学者对强制风冷系统进行了研究,主要研究了电池组的排列方式、电池间距、风道数量以及空气流速等因素对电池组散热能力的影响[34]。早期研究结果表明,采用并行通风结构,使空气依次流过各个电池模块,能够取得更好的冷却效果;在合适的位置加装挡风板改善流场分布,可改善电池热管理的效果;在风道的合适部位开孔可有效降低风道压降、加快空气流速,从而可以使散热更充分,且电池组各个位置的温度分布更均匀;在电池间添加导热系数较高的材料更便于电池组散热,可满足电池组在大倍率充放电时的温度要求[35]。Wang T[36]和吴宏[37]分别通过改变电池组的排布方式和电池箱的结构研究了电池组的热特性,模拟结果显示在所给条件下可使电池组处于合适的工作温度范围。②液冷由于空气的换热系数很低,有时并不能对电池组进行有效的冷却,采用导热系数更高的液态流体代替空气作为冷却介质显得尤为重要。液冷方式相对于传统风冷具有冷却/加热速度快、与电池壁面之间换热系数高等优势[38]。液体冷却按照冷却介质与被冷却装置是否接触可分为非直接/直接接触两种冷却方式。非直接接触式液冷常用水、防冻液作为冷却工质,必须搭配水冷套等辅助换热配件,冷却装置也需要设计成方便与电池组进行整合的结构,这样会使液冷装置的换热能力变差,提高系统的整体维护成本。直接接触式液冷可改善上述缺点,但要求换热流体具有较高的换热系数高且不导电,常用的换热流体有矿物油、乙二醇等[39]。但是液冷方式也有其缺点和不足。主要缺点有:采用液冷冷却之后电池组系统的总体质量较大,电池组的结构相对更加复杂,使用中存在漏液的可能,整体装置的维修和保养程序复杂。而电动汽车的锂电池组模块具有成本高、个数多、质量体积都较大等特点,这就要求附加的冷却系统在不损耗电池本身能量的基础上尽可能地降低冷却装置的质量,减少冷却装置的额外耗能,实现汽车结构简洁化的要求。同时也必须考虑对锂电池及相关通电线路的保护,才能避免在行驶过程中出现漏电漏液等危险情况,降低电子电路故障的概率,同时提高电池的效率、延长使用寿命。③相变冷却使用相变材料(Phase Change Material,PCM)冷却锂离子电池的热管理方法可使车载电池冷却系统变得更轻便,并且无需增加额外的设备。最近几年相变材料冷却法得到了科研领域和社会各界的更多关注。Selman等[28]首先提出将相变材料用于电池组热管理系统这一想法。在锂离子电池热管理系统中采用相变材料冷却技术,不仅能有效缩减电池组本身的体积,也能取得比对流更为显著的散热效果。靳鹏超[40]通过模拟的方法验证了采用相变材料可有效改善电池组的温度热性。与此同时,Siddique[41]通过在热管理系统上耦合散热翅片或者复合相变材料(石蜡/泡沫铝)的方式,可以使动力电池适应更为复杂的工况,有效减少电池在实际运行中因热失控等情况所引发的各类安全事故[42-45]。由于相变材料的传热系数较低,导热能力较差,在温度还未达到相变条件或是刚刚达到相变条件时并不能对电池组进行充分的冷却,容易导致电池组在运行的过程中热量大量积聚,在大电流大功率或极端天气工况下不仅热管理效率明显降低,甚至还有安全隐患。另外,采用相变材料也增加了汽车的体积、质量和负载,在一定程度上阻碍了电动车向更轻、更高能这一方向的发展。④热管冷却热管具有许多显著优点,如导热性能高、等温性能好、热流方向可逆、热流密度适应区域宽等,目前在对动力电池组热管理技术的研究探索中,也有应用到热管技术的,但是大多仍旧处于实验研究阶段,尚未得到广泛推广应用。热管是一种通过相变来达到热目的的传热元件，其内容结构如图1-4所示，热管由管壳，管芯和管内工质三个部分构成，热管内部填充工质的总量根据热管需要传递的热量负荷而定。当工况较为特殊时，则需按照具体工况对热管进行相应的设计和改进。在科研领域比较常用的热管主要由以下几种：脉动热管、平板环路热管、烧结热管和回路型重力热管等。科研人员将装有铝制肋片的热管应用到电池组进行热管理实验，显著降低了电池组的最高温度，同时大大缩小了电池表面的温差。王颖盈等分别对采用平板微热管阵列和散热翅片的电池组进行了模拟，发现两种结构也可有效改善电池组的温度特性。本文针对锂离子动力电池在大电流连续放电时温度过高、单体间温差过大这一问题，研究了自然对流条件下不同结构的电池组的热特性，主要内容如下：1.分析了锂离子动力电池的内部结构、工作原理和产热机器，介绍锂电池的主要性能指标和常用的散热方案。2.设计并搭建试验台，将6节电池单体串联成电池组，并分别通过实验测定了自然对流条件下采用无间隙紧挨和留有等间隙时电池组的热特性，研究了电池间距对电池组热特性的影响。3.在电池单体之间分别加装长宽相等但厚度不同的纯铜和纯铝翅片，在自然对流的情况下分辨测量电池组的热特性，研究了放电深度，放电倍率、翅片厚度、翅片高度、翅片材料等参数对电池组热特性。