第十章：热管理

在本章中，我们将讨论可以冷却电池组的不同方式，并在必要时加热以使电池保持在最佳工作温度。说到锂离子电池的温度，最重要的是要记住，锂离子电池喜欢保持在与人们舒适的温度范围大致相同的温度范围，大约是23°C（73°F）。

电池的热管理，用最简单的形式来说，就是将某种形式的热交换装置集成到电池系统中，以使电池单元保持在接近恒定的温度。有许多潜在的方法可以用来实现这一点，但它通常涉及通过某种介质将热量从电池中移出电池组。热管理系统的复杂性将高度依赖于三个因素。首先是电池组运行的占空比。如果它打算用作大功率应用，电池单元将比用作能源应用产生更多的热量。第二个因素是它将被使用的区域。如果该电池组打算在世界上经常有非常高的环境温度的地区使用，这意味着电池将在已经升高的温度水平下开始循环。最后，第三个因素是电池本身。不同的化学物质在高负荷和高温操作下表现不同。因此，在开始设计电池的热管理系统时，考虑所有这些因素是很重要的。

热管理系统应该能够保持从最冷的电池到最热的电池之间约2-3°C的温差。在最坏的情况下，通常对于较大的电池组，差异可以高达6-8°C。这一点很重要的原因是，电池之间的大温度梯度会导致电池以不同的速度老化。因此，温度较高的电池会比温度较低的电池老化得更快，如果存在较大的梯度，这可能意味着电池的日历寿命将过早缩短。

在电池设计中，需要考虑三种不同类型的传热：传导、对流和辐射。传导是指两个直接接触的物体之间热能的直接传递。当热量通过液体介质传导到散热装置时，就会发生对流。辐射传热是指通过电磁热电带电粒子从一个源辐射到另一个源，通常通过空气产生的热能。这三种传热方式在电池系统设计中都必须考虑，但传导和对流对热系统设计的影响最大。

例如，当电池放电时，它们会产生热量，这些热量将通过传导传递给母线和与电池直接接触的任何其他组件。对流加热和冷却最典型的方式是使用液体冷却板；然而，冷却空气的运动也可以提供对流冷却。这是电池系统中大部分冷却将发生的地方。最后，必须在几个重要的领域考虑辐射加热。首先，从电池到与电池没有直接接触的其他组件的辐射热可能会影响相邻的电池。其次，电子元件等组件产生的热量如果管理不当，会影响电池。

电池系统内部产生热量的来源来自电池内部的化学反应（产生热量的主要区域），因为锂离子在运行过程中来回移动；电池的平衡（通常是在停车时）；电池组内的电子设备；以及热管理系统。虽然锂离子电池是电池组内产生热量的主要来源，但电子设备的影响也不容忽视，因为它可能是产生热量的重要来源，必须在热管理系统设计中加以考虑。如果不考虑适当的屏蔽和考虑这些电子设备的放置，那么电子设备产生的热量实际上可能对电池寿命产生负面影响。

下面的图1给出了这三种传热方法的一些简单例子。在这个例子中，展示了一个袋式锂离子电池，右边有一个冷却板和相邻的安装架在左边。从电池到冷却板的传热使用传导，既可以将热量从电池直接传导到冷却板，也可以直接传导到液体冷却通道。然后，这些通道利用对流通过液体介质将热量从电池中带走。在电池的顶部，一个简单的铜母线被显示连接到电池的标签。这展示了热量通过直接传导从电池到母线的传递。最后，电池左侧的框架片可用于模块的机械结构；然而，即使它不直接与电池接触，它也会受到电池的辐射加热。

锂离子化学物质往往在大约10到35°C之间运行最佳；这被称为最佳温度范围。这是你希望电池大部分时间处于的温度范围。然而，大多数锂离子化学物质仍将在低至约-20°C和高达约45°C的情况下工作；这就是所谓的工作范围。在这个温度范围内，在正常操作期间不会出现电池寿命缩短的情况。在-20至-40°C之间，电解质可能开始冻结，低温会增加电池内部的阻抗，从而阻止离子流动，降低容量和性能，而在60°C以上，许多锂离子电池的化学成分开始变得更加不稳定；这就是所谓的存活温度范围（图2）。

这给我们带来了另一个概念，我们应该考虑，至少简要地说，在我们的热系统设计-热质量。热质量本质上是包内每个有质量的物体（全部！）所能吸收的热量。就像电池只能储存一定量的能量一样，电池组中的所有组件都能吸收一定量的热量，这与它们的质量和特定材料的特定热性能直接相关。例如，铜母线将能够比塑料外壳吸收更多的热量。超过其最大吸热能力，材料将开始分解，塑料将熔化和/或燃烧，金属将开始熔化。除了一些直接与产热区域接触的部件外，热质量通常不会成为主要设计考虑因素。然而，在被动的冷却电池组或非冷却电池组，必须对这个概念进行检查，以评估其影响。如果应用程序在高环境温度地区使用，热容量也可能生效。这是因为在这些区域，电池组可能会吸收一些环境热量，这将导致热系统不得不更加努力地工作，以消除这些热量。这方面的一个例子可以在美国的亚利桑那州等地区看到。在这里，夏季环境温度可能在38-44°C（100-110°F）或更高的范围内，电池组将吸收这些热量，因此必须努力将电池组从这些初始高温冷却回23°C，以保持电池系统的寿命和性能。

在高于约90°C的温度下，聚合物基分离器可能开始熔化并击穿，在90至130°C之间，分离器将继续击穿，直到阳极和阴极之间经历一系列内部短路；此时，电池将开始向所谓的“热失控”方向发展。实际上，热失控意味着电池变得足够热，可以产生自我维持的热量，并且以电池排气和/或爆炸（通常称为“快速解体”）的形式即将失效。一旦超过阈值，就没有办法阻止电池发生热失控。

对于不同的化学物质，电池达到热失控阈值的确切温度是不同的。有些可能低至120°C，而另一些可能在达到这一事件之前能够超过140°C。在热失控期间发生的另一个因素是，当电池内的化学物质开始分解时，副反应开始迅速发生，产生氧气。这种氧气的产生可能会继续为电池的燃烧提供燃料。在这种情况下，密封的电池组设计可能会带来一些好处，因为没有新的氧气被允许进入电池组。因此，一旦包装内的氧气被消耗，就可能没有足够的氧气来维持火焰。关于热失控的最后一个评论是，在这些事件中可以经历的温度可能会超过600-800°C，这取决于电池的大小和有多少电池失效。在当前化学物质发生热失控的情况下，很少有解决方案可以防止级联失效。然而，系统设计应尽可能地考虑这些安全因素，并尝试对失效电池进行热隔离和/或管理电池的排气。在任何情况下，管理级联电池故障都需要被视为一个完整的系统解决方案。没有任何“银弹”可以单独防止级联电池故障。

关于热管理系统的设计和测试，我们应该简要讨论几个其他术语，因为它们需要一点解释才能清楚地理解。第一个术语是绝热的。绝热过程与热力学第一定律有关，热力学第一定律基本上意味着没有热量从电池传递到外界环境。就锂离子电池而言，这可能会用于锂离子电池的热特性测试。例如，当电池被测试时，测试是在具有在不同温度下工作能力的热室中进行的。所以,当在测试电池时，热室在整个测试过程中都保持与电池完全相同的温度。这样就可以精确定义一个电池在一个特定的操作周期内产生了多少热量。

我要解释的另外两个术语是放热反应和吸热反应。放热反应是当能量被释放，热量被释放到环境中从而引起加热时发生的反应。当能量被吸收，热量从环境中被吸收，从而引起冷却时，就发生吸热反应。在锂离子电池中，当电池放电（释放能量）时发生放热反应，从而产生热量，必须通过电池的热管理系统进行管理。

图1锂离子电池的来源。

图2锂离子电池温度范围。