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本文将讨论上一篇文章中提到的电池热管理系统。锂离子电池喜欢与人类非常相似的温度范围，约为23℃。电池组中的电池热管理系统通过冷却或加热电池将电池调节到合适的温度。一个简单的电池热控制系统是在电池中安装一个热交换器，使电池保持在恒定的温度范围内。有很多方法可以做到这一点，但常见的方法是通过某种介质将热量从电池传递到电池外部。

 

 

为什么电池热管理系统很重要

对于电池，最合适的温度是23℃左右。在电池组中，电池组中的电池之间也存在温差。通常，电池热管理系统需要将电池串中电池之间的温差保持在两到三度之间，在最坏的情况下，温差应控制在6~8℃之间。

热管理非常重要，因为高温是加速电池老化的敏感条件。当电池组内部电池的温差太大时，每个电池的老化速度也会有很大的差异。热电池通常比冷电池老化更快，电池组的寿命取决于性能最差的电池，因此温度不平衡意味着电池组的预期寿命缩短。

 

 

电池热管理系统的注意事项

三个因素：电池类型、工作环境、电池状况

复杂的电池热管理系统将高度依赖于三个因素。第一个因素是工作的电池类型。高功率电池会产生大量热量，而低功率电池会产生更少的热量。第二个因素是使用电池的环境。如果电池在较高温度下使用，则意味着电池开始工作时已经很热。第三个因素是电池本身的状况。不同材料系统的电池具有不同的温度。因此，在设计电池热管理系统时需要考虑这三个因素。

 

三种类型的热交换：传导、对流和辐射

同时，在电池和电池热管理系统的设计中需要考虑三种类型的热交换：传导、对流和辐射。传导是两个接触物体之间的直接传热；对流是通过流动介质向吸热装置传递热量。辐射是指能量以电磁波或粒子的形式向外扩散，通常通过气体或真空。在系统设计中必须考虑这三种传热模式，但热传导和热对流是电池热管理系统设计中需要考虑的主要因素。

 

 

软包锂离子电池安装在右侧的冷却单元和左侧的相邻搁板上。热量从电池到冷却板，再到冷却通道，通过热传导的方式实现。冷却板通道中的流动介质通过热对流去除热量。电池的热量通过传导传递到总线。电池左侧用于机械支撑的框架与电池没有直接接触，电池中的热量通过热辐射传递。

当电池放电时，它产生热量，热量通过热传导传递到总线和连接到电池的其他部件。电池热管理系统使用液体通过对流加热或冷却它们。同样，电池可以通过使用冷气体的对流来冷却。辐射热的影响不容忽视。虽然加热单元没有直接连接到其他单元或部件，但它可以通过辐射加热。类似地，如果电池热管理系统设计得不好，加热电子部件也会通过辐射影响电池。

 

设置电池热管理系统的温度

锂离子电池在10-35℃的温度范围内工作良好，这意味着电池热管理系统的温度维持应设置在该温度范围内。这也是大多数情况下电池组需要保持的温度。在此温度范围内，电池不会发生额外的氧化还原副反应。

大多数锂离子电池不能在-20℃以下或45℃以上工作。低于-40℃时，电解液会凝固或沉淀锂盐，此时电池的阻抗显著增加，离子迁移率较差，电池的容量和功率性能显著降低。当电池的温度超过60℃时，处于充电状态的阳极和阴极材料变得不稳定。

 

 

热量是电池热管理系统设计中使用的一个重要概念和参数。热是能量的一种表达。电池组中的每个质量物体都可以吸收热量，包括电池单元和电池组中所有的部件。每个物体吸收的热量与其质量和比热容（材料特性）直接相关。

例如，相同质量的铜母线可以比塑料吸收更多的热量。如果物体吸收的热量超过相变或反应的阈值，则材料开始发生变化。塑料熔化或燃烧，金属熔化或氧化。除了一些与热源直接接触的电子部件外，热通常不是主要的设计考虑因素。

然而，在被动冷却电池组或没有冷却装置的情况下，必须估计热量的影响。如果应用于温度较高的地区，可能会有所帮助。在这种环境下，电池组从周围环境中吸收热量，迫使电池热管理系统努力工作以保持温度。例如，在亚利桑那州，夏季的环境温度为38-44℃或更高，电池从环境中吸收热量。因此，需要主动冷却以将电池的初始高温降低到23℃，从而提高电池系统的性能和寿命。

 

热失控的演变

如果电池的温度高于90℃，聚合物基隔板开始熔化并被破坏，在90～130℃之间隔板将继续被破坏，直到阴极和阳极之间的内部短路，那么电池将出现热控制。在实践中，热失控意味着电池达到足以产生自身热量的温度，随后发生燃烧或爆炸（通常称为“快速拆卸”）。一旦堆芯超过阈值，就没有办法防止自发热并导致热失控。不同锂离子电池的热失控温度阈值不同。一些电池可能在低温（如120℃）下引发热失控，而另一些电池可能超过140℃。

 

 

热失控的演变始于细胞内化学物质的分解，随后是一系列的析氧副反应，这些副反应加速了细胞的持续燃烧。如果电池密封良好，足以防止空气中的氧气接触电池中的可燃材料，那么当电池内的氧气用完时，燃烧将无法持续。

研究表明，当热量失控时，最高温度可能超过600~800℃。具体温度取决于电池的大小和失控的电池数量。几乎没有有效的方法来防止锂离子电池因热失控而失效。设计者试图通过设计电池热管理系统来尽可能地提高电池组的安全性，方法是隔离故障电池或排出故障电池产生的气体。在任何情况下，管理单元故障都需要系统的整体方法。但到目前为止，还没有有效的方法来防止细胞的失效。

 

与电池热管理系统相关的术语

我们还需要简要讨论与电池热管理系统的设计和测试相关的一些术语，首先对它们进行一些描述，以更好地理解这些概念。

 

 

绝热

第一个术语是绝热。绝热与热力学第一定律有关。在这种情况下，绝热意味着外界和电池之间没有热交换。在锂离子电池领域，通常在绝热条件下测试锂离子电池的热特性。该方法是将电池放在一个改变温度的热室中，使其在测试时保持与电池相同的温度。这使得有可能精确计算电池在给定操作环境中产生的热量。

 

放热反应和吸热反应

另一个术语是“放热反应”和“吸热反应”，放热反应是指将能量释放到环境中，使其升温。吸热反应是从周围环境吸收热量并降低环境温度的反应。绝大多数锂离子电池在放热反应中放电（释放能量），这需要电池热管理系统来处理产生的热量。