第十章：为什么冷?

如上所述，为了最大限度地发挥锂离子电池的潜力，在其大部分使用周期中，它们需要保持在大约23-25°C（73-77°F）。然而，在运行过程中，电池会经历放热反应——由于电池内部发生化学反应的速度和相关的电池电阻增加，它们开始产生热量。这种反应与高环境（外部）温度相结合，意味着您的电池设计必须能够冷却电池并将其保持在最佳工作范围内，以确保整个电池系统的性能和寿命。

此外，高放电率会使电池内部的放热温度升高。当这些放电频繁发生时，这意味着电池没有时间在这些脉冲之间冷却下来，这又会导致更高的温度。除此之外，热管理系统参与并降低电池温度的时间也更少。你可以把这想象成一个阶梯效应：当你踩油门时，电池会迅速放电；由于频繁的停止和加速事件，电池热管理系统将没有时间从最后一次放电开始冷却电池，导致电池逐渐但稳定地升高温度。这方面的一个例子是传统的HEV，它将不断放电，然后在驾驶循环期间定期对电池进行再生充电。在这种类型的使用周期中，电池可能没有时间冷却电池，然后才开始另一个充放电循环。这将导致电池组内的温度缓慢而稳定地上升。让烟包闲置一段时间通常会让系统将温度降低到正常的工作范围。下面的图3提供了一个例子，说明了这种类型的温度升高可能是什么样子的。虽然这不是实际的性能数据，但它与在这种类型的应用中可以预期看到的产热类型是一致的。

如前所述，在环境空气温度已经在30-35°C或更高范围的高温环境中，能够降低就变得更加重要温度降到环境温度以下，以确保使用寿命、性能，并防止灾难性故障。在高温下持续操作会缩短电池寿命，加速老化过程。2012年，亚利桑那州的一群日产Leaf车主向日产抱怨，他们的汽车在很短的一段时间内续航里程低，电池容量减少(Gordon-Bloomfield,2012；王,2013)。虽然最初并没有很多这样的投诉，但这足以给日产和整个行业带来不必要的全国媒体关注。最后，日产在MyNissanLEAF.com论坛上发表了一封公开信，回应了这些批评，称：

根据充电的方法和频率、操作环境、日常使用中消耗的电量以及车辆的行驶里程和车龄，报告的电池容量损失水平可能被认为是正常的。

(卡特,2012;Bailo,2012)

他们接着说：

目前从日产leaf收集的电池数据显示，在美国，只有不到0.3%的日产leaf（包括2010年12月开始服役的车辆）出现了电池容量损失。总的来说，这些车辆只占美国道路上超过13,000辆日产leaf的一小部分。此外，从全球其他LEAF车辆收到的数据显示，这种情况通常发生在高里程汽车或特殊操作情况下。

(Bailo,2012;卡特,2012)

从本质上讲，日产对这些车辆及其使用方式的评估发现，经历这种容量下降的用户的行驶里程往往是美国平均年行驶里程的150%左右，其中一些人还经常使用快速充电。

因此，即使电池的性能符合其设计规格，持续的高温和更极端的使用也会导致电池容量的减少，从而减少了续航里程。尽管日产的用户手册（日产，2011年）试图清楚地确定将减少电池寿命的主要领域，他们遭受了很多不应有的负面关注（图4）。

最后，日产最终改变了2012年和2013年车型之间的保修，以解决这些类型的问题。在2013款车型之前，保修特别排除了逐渐丧失充电/容量的问题。他们在原有的8年/10万英里覆盖缺陷和瑕疵的保修基础上，增加了5年/6万英里覆盖容量的保修。如果Leaf在最初的5年或6万英里内损失超过其原始容量的30%，日产将对其进行维修或更换。

此外，日产开始致力于发布旨在解决这些问题的新电池组设计。为了解决这些问题，日产开始寻找在世界高温地区表现更好的替代电池化学物质（Gordon Bloomfield,2013）。此外，在2014年中期，日产宣布他们将以5499美元的价格为早期车型提供更换电池组（O'Dell,2014）。这是最有趣的，因为这计算出的价格约为229美元每千瓦时（229美元/千瓦时），这远远低于目前的市场价格。日产很可能会在这些替代包上亏损，以帮助激励当前和未来的客户，但这将是有代价的。

为了将这一点与电池的热管理系统联系起来，读者应该认识到日产Leaf电池组（将在下一章中更详细地讨论）实际上根本没有主动热管理系统。取而代之的是Leaf电池由AESC设计的封装使用模块和封装的金属外壳作为散热片将热量散发出去。但在炎热气候或频繁快速放电的情况下，没有办法提高冷却速度，以便更快地应对不断升高的温度。虽然这提供了一个低成本和快速上市的解决方案，但正如我们所看到的，它也造成了一些其他问题，他们仍在努力解决这些问题。

最后，当我们谈论热管理时，我们应该谈谈高压电子设备和平衡系统。在许多系统中，高压电子器件可能是电池组产生热量的主要部分，特别是在较小的电池组中。此外，电池平衡的作用是将电能转化为热能。从本质上讲，当你平衡电池组时，你也在加热它。在使用3级充电的情况下，大多数电池系统被设计为在这些充电事件期间打开热管理系统，因为否则会产生快速的热量。在快速充电过程中，如果冷却系统不工作，电池可能会产生足够的热量来减少它能够保持的能量，并可能产生足够的热量来实际导致电池系统关闭，直到它冷却。你可以把这想象成试图用消防软管大小的喷嘴来给你的油箱加油；油箱将根本无法一次承受那么多的燃料。在电池系统中，导致问题和给锂离子电池造成压力的不是速度，而是产生的热量。

在电池系统内的电子设备及其产生热量的情况下，通常很容易在电子设备上运行冷却空气来帮助它们冷却。然而，在这些情况下，设计师需要确保空气在流向电子设备之前或平行流向锂离子电池。大多数电子设备的工作温度范围比电池宽得多，所以先冷却电池，然后冷却电子设备会更有效。在液冷电池组中，除非在电池组中设计冷却板，否则要确保电子设备的冷却就有些困难了。但在这两种情况下，电子器件的位置和放置都需要储能系统设计师特别注意。所有这些都需要一定程度的热管理，或者至少要有一个不会对电池性能产生负面影响的系统设计。

图3 HEV温度示例。

图4 2012年日产LEAF用户手册电池警告（第EV-2页）。©2012-2013日产北美公司日产、日产车型名称和日产标志均已注册日产的商标。