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電動(dòng)汽車(chē)大功率充電過(guò)程動(dòng)力電池充電策略與熱管理技術(shù)綜述

2021-11-20 13:51:44·  來(lái)源：電動(dòng)學(xué)堂  作者：吳曉剛等  
　
文章來(lái)源：1哈爾濱理工大學(xué)汽車(chē)電子驅(qū)動(dòng)控制與系統(tǒng)集成教育部工程研究中心2清華大學(xué)汽車(chē)安全與節(jié)能?chē)?guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室國(guó)內(nèi)外對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)快速充電的標(biāo)準(zhǔn)至今還尚未統(tǒng)
文章來(lái)源：1哈爾濱理工大學(xué)汽車(chē)電子驅(qū)動(dòng)控制與系統(tǒng)集成教育部工程研究中心2清華大學(xué)汽車(chē)安全與節(jié)能?chē)?guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
國(guó)內(nèi)外對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)快速充電的標(biāo)準(zhǔn)至今還尚未統(tǒng)一，美國(guó)能源部在2011年提出的報(bào)告中將電動(dòng)汽車(chē)快速充電目標(biāo)定為每分鐘充入電量可行駛20英里。根據(jù)中國(guó)電動(dòng)汽車(chē)大功率充電技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)預(yù)研工作組研究，電動(dòng)汽車(chē)傳導(dǎo)直流大功率充電指充電功率在350kW或以上，充電80%～90%耗時(shí)10～15min。表1為各國(guó)傳導(dǎo)直流充電裝置標(biāo)準(zhǔn)?？梢钥吹剑钚轮贫ǖ腃haoJi充電裝置標(biāo)準(zhǔn)的最大允許功率為900kW，遠(yuǎn)超之前大功率充電350kW的定義。說(shuō)明電動(dòng)汽車(chē)充電速度仍有一定的發(fā)展空間。
如圖1為2015年及2020年幾款車(chē)型的電池包容量、充電功率及電池的每分鐘充入電量行駛里程的比較?？梢钥闯觯捎陔妱?dòng)汽車(chē)電池包容量在不斷增加，在提升續(xù)航里程的同時(shí)也增加了充電功率。汽車(chē)生產(chǎn)企業(yè)將大功率充電作為電動(dòng)汽車(chē)?yán)锍探箲]的解決方案之一，不斷推進(jìn)充電功率等級(jí)的提升。

然而，除了對(duì)于充電槍端電力電子變換器件功率等級(jí)和散熱系統(tǒng)的要求外，電池包本身的一致性、耐久性及安全性成為了制約充電功率等級(jí)提升的重要限制條件。隨著動(dòng)力電池比能量的提升，在電動(dòng)汽車(chē)有限的裝配空間和容許附加質(zhì)量限制下可裝載的動(dòng)力電池包的能量不斷提升。但由于電池內(nèi)部的離子擴(kuò)散速度受限，在大倍率充電電流的情況下，加快了由于鋰沉積的線性損失引起的電池老化速度，電池的壽命衰減更為嚴(yán)重。更為重要的是，在大倍率充電條件下，電池的內(nèi)阻大量產(chǎn)熱，導(dǎo)致大功率充電過(guò)程電池溫度急劇上升，進(jìn)而對(duì)電池的安全性提出挑戰(zhàn)。
大功率充電過(guò)程中電池的容量衰減由于副反應(yīng)導(dǎo)致。優(yōu)化充電策略在提升充電速率的同時(shí)可以在一定程度上減小電池的容量衰減。而大功率充電速度較高，電池溫度上升較明顯，能夠控制大功率充電過(guò)程電池溫度，保證大功率充電過(guò)程的安全。
綜上，在大功率充電過(guò)程中，充電策略和熱管理系統(tǒng)的優(yōu)化是電池管理系統(tǒng)需要面對(duì)的兩個(gè)重要問(wèn)題。本文大功率充電通過(guò)對(duì)比已報(bào)道充電策略和熱管理系統(tǒng)的研究，歸納出現(xiàn)有方法的優(yōu)點(diǎn)及局限性。在此基礎(chǔ)上，對(duì)大功率充電技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中需面對(duì)的挑戰(zhàn)進(jìn)行分析。
1大功率充電策略研究現(xiàn)狀
面向大功率快速充電需求時(shí)，充電策略的選擇能夠通過(guò)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)電池壽命，充電速度和電池溫升的最優(yōu)解。目前針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)大功率充電策略可分為多階段恒流充電策略(multi-stageconstantcurrentcharging，MSCC)，脈沖充電策略(pulsecharging，PC)，正弦電流充電策略(sinusoidal-ripple-current，SRC)充電策略，Boost-charging策略，基于優(yōu)化算法的策略，基于電池模型的策略等，其分類如圖2所示。

1.1基本充電策略
1.1.1多階段恒流充電策略
多階段恒流充電策略如圖3所示。其充電協(xié)議中，每一個(gè)臺(tái)階都持續(xù)一定的充電時(shí)間，直到電池電壓/容量達(dá)到過(guò)渡點(diǎn)，然后跳躍到下一個(gè)充電臺(tái)階，充電過(guò)程轉(zhuǎn)入下一個(gè)預(yù)置電流。由鋰電池的極化約束條件可知，在鋰電池充電初期即低荷電狀態(tài)(stateofcharge，SOC)區(qū)間一般使用高電流，在充電末期即高SOC區(qū)間，一般使用低電流。因此，MSCC(階梯式充電)電流水平是逐級(jí)降低的。

MSCC策略(階梯式充電策略)的特點(diǎn)是簡(jiǎn)單，易于控制和實(shí)現(xiàn)，因此該策略在目前的電動(dòng)車(chē)充電策略中得到了廣泛應(yīng)用。
目前采用這種充電策略的有雪佛蘭BoltEV、現(xiàn)代Kona和IONIQ、起亞Kiae-Niro、北汽EU7、蔚來(lái)ES6等車(chē)型。其中雪佛蘭BoltEV、現(xiàn)代Kona和起亞Kiae-Niro采用五階梯式充電模式，北汽EU7采用四階梯式充電模式，而現(xiàn)代IONIQ則采用兩階梯式，蔚來(lái)ES6主體采用階梯式充電策略，但在后期高SOC區(qū)間呈現(xiàn)出斜坡模式。
然而，階梯式充電模式的問(wèn)題在于缺乏選擇最佳電池充電電流的理論基礎(chǔ)，若選取電流倍率過(guò)大容易使電池在某一階段溫升超過(guò)額定值，從而對(duì)電池壽命產(chǎn)生影響。
1.1.2脈沖充電策略
脈沖充電被認(rèn)為是一種快速、高效的鋰離子電池充電策略，它可以理解為一個(gè)不連續(xù)的恒流(constantcurrent，CC)或恒壓(constantvoltage，CV)充電，即充電電流被周期性地靜置或放電脈沖中斷，如圖4所示。
其最先應(yīng)用于鉛酸電池快速充電，然后探索用于鋰離子電池的快速充電。脈沖充電的主要特點(diǎn)是通過(guò)靜置或者加一段放電區(qū)間(類似于交流充電方式)來(lái)消除或降低極化電壓，使下一周期的可接受電流高于其他充電方式。這將使脈沖充電的平均充電電流高于其他充電方式，從而縮短充電時(shí)間。

脈沖充電策略的關(guān)鍵是通過(guò)理論或者實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)出最合適的脈沖參數(shù)(幅值、頻率、占空比等)。雖然脈沖充電策略具有更短的充電時(shí)間和更高的充電效率，但在高荷電狀態(tài)下進(jìn)行脈沖充電是一種不合理的技術(shù)，容易造成鋰離子電池的過(guò)電壓失控，在實(shí)際應(yīng)用中也應(yīng)考慮其溫度和對(duì)循環(huán)壽命的影響。在實(shí)際應(yīng)用中一般很少有車(chē)企直接采用脈沖充電作為大功率充電模式，但少部分車(chē)型采用了脈沖快充的方式，采用脈沖的充電模式可以減小鋰電池極化從而充進(jìn)更多電量。
采用脈沖充電模式的車(chē)型有梅賽德斯奔馳Mercedes-BenzB-Class、雷諾RenaultZOE、比亞迪BYDE6等。其中，雷諾RenaultZOE充電25～30min其行車(chē)?yán)锍炭蛇_(dá)100km左右，優(yōu)于一般的充電模式。
1.1.3SRC充電策略
SRC充電策略采用正弦電流和直流電流疊加作為充電電流，如圖5所示，該策略通過(guò)最小化鋰離子電池阻抗頻率從而降低鋰離子電池的產(chǎn)熱。

許多研究人員通過(guò)電化學(xué)阻抗譜(electrochemicalimpedancespectroscopy，EIS)分析得到鋰離子電池SRC充電的最佳頻率。
目前，對(duì)于SRC-CV充電方式能否改善鋰離子電池的充電性能還沒(méi)有定論，但已有研究表明SRC充電策略具有更短的充電時(shí)間，更高的充電效率和更好的溫升控制效果。
然而，SRC充電策略對(duì)硬件水平要求較高，成本較高，還需要進(jìn)一步的理論分析和實(shí)驗(yàn)工作了解SRC充電在工業(yè)上的應(yīng)用。
1.1.4Boost-charging策略
Boost-charging特點(diǎn)是啟動(dòng)充電階段設(shè)置更高的電流或最高電壓，然后是較為平緩的CC-CV部分，如圖6所示。

Boost-charging最早是由Notten等提出，并在圓柱型(US18500，Sony)和方形型(LP423048，Philips)鋰離子電池上進(jìn)行了Boost-charging實(shí)驗(yàn)。與1CCC-CV方案相比，圓柱型電池的充電時(shí)間減少了約30%～40%，容量衰減沒(méi)有明顯的加速，對(duì)于棱柱形電池，充電時(shí)間減少較少，容量衰減率略高。
Boost-charging作為一種新型快速充電策略可以明顯縮短充電時(shí)間，提高充電效率，并且對(duì)循環(huán)壽命沒(méi)有明顯的影響。然而，Boost-charging沒(méi)有考慮充電電流的優(yōu)化和溫度的控制，因此在大功率充電條件下，電池模組產(chǎn)熱情況嚴(yán)重，如果不配以合適的熱管理系統(tǒng)，可能會(huì)引起熱失控。
1.2充電策略的優(yōu)化
基于大功率充電的需求，電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池的充電倍率要盡量提高。然而由于熱管理系統(tǒng)和電池的耐久性，安全性所限，從電池管理系統(tǒng)的角度而言，電池的充電倍率應(yīng)受到充電溫升、電池壽命等一系列約束條件的限制。
這些限制和大功率充電的最終目標(biāo)，即加快充電速率，減小充電時(shí)間矛盾，所以在現(xiàn)有的充電策略適用過(guò)程中，常通過(guò)對(duì)充電策略進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，解決大功率充電過(guò)程中存在的問(wèn)題。目前的優(yōu)化策略主要有兩種，一種是基于電池的耐久性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，優(yōu)化充電策略。另一種是基于電池模型，建立起電池外特性和內(nèi)部機(jī)理之間的聯(lián)系，從而通過(guò)控制充電過(guò)程中的極化實(shí)現(xiàn)充電策略的控制。
1.2.1基于優(yōu)化算法的策略
在大功率充電模式下，雖然縮短了充電時(shí)間，提高了充電效率，但充電倍率較高會(huì)導(dǎo)致鋰離子電池極化電壓較大、溫升較高、老化加速等一系列問(wèn)題?；趦?yōu)化算法的充電策略可實(shí)現(xiàn)任意多目標(biāo)的優(yōu)化與平衡，從而解決大功率充電過(guò)程中存在的問(wèn)題。
1.2.2基于電池模型的策略
基于電池模型的充電策略主要通過(guò)采用等效電路模型(圖7)或電化學(xué)模型(圖8)來(lái)預(yù)測(cè)最佳充電電流。他們將外部的電行為與內(nèi)部的反應(yīng)機(jī)制結(jié)合起來(lái)，通過(guò)控制極化電壓達(dá)到優(yōu)化充電的目的。

等效電路模型以其計(jì)算速度快的優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛關(guān)注。Ouyang等基于Rint電池模型提出了一種兩層遞階充電控制策略。頂層控制通過(guò)多目標(biāo)優(yōu)化來(lái)調(diào)度最優(yōu)充電電流，該優(yōu)化考慮了用戶需求、電池均衡、溫度和運(yùn)行約束，利用無(wú)源性理論開(kāi)發(fā)了底層控制，使充電器能夠很好地跟蹤預(yù)定的充電電流，經(jīng)證明該策略在控制溫升、縮短充電時(shí)間等方面具有很好的效果。Hu等基于一階阻容模型提出了一種考慮充電時(shí)間和充電損耗沖突的雙目標(biāo)最優(yōu)充電策略，該策略采用偽譜技術(shù)和自適應(yīng)網(wǎng)格細(xì)分算法很好地實(shí)現(xiàn)了充電時(shí)間和充電損耗二者之間的平衡。Perez等[基于二階等效電路模型和電池?zé)崮Ｐ徒⒘艘粋€(gè)非線性電-熱-老化耦合模型，提出了一種健康的快速安全充電策略。該策略采用自適應(yīng)多網(wǎng)格區(qū)間配置的勒讓德-高斯-拉多偽譜法求解高非線性六狀態(tài)最優(yōu)控制問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了充電時(shí)間和電池健康狀況的最佳平衡。
基于等效電路模型策略的優(yōu)點(diǎn)是容易捕獲電池的外部特性，來(lái)設(shè)計(jì)最優(yōu)充電協(xié)議，但缺點(diǎn)是不能提供電池內(nèi)部狀態(tài)信息特別是充電引起的副作用，如SEI生長(zhǎng)、鋰沉積等。基于電化學(xué)模型的優(yōu)化策略可以預(yù)測(cè)充電過(guò)程中的副反應(yīng)，因?yàn)樗鼈兡軌蚬烙?jì)內(nèi)部狀態(tài)，如固體和電解質(zhì)電位、離子濃度和反應(yīng)通量。因此，電化學(xué)模型越來(lái)越多的應(yīng)用在充電策略的制定中。
基于電化學(xué)電池模型策略能夠準(zhǔn)確表征電池內(nèi)部的材料特性和反應(yīng)機(jī)理，許多車(chē)企實(shí)際應(yīng)用的斜坡式充電模式就是基于電化學(xué)模型得來(lái)的。所謂斜坡式充電策略就是在大功率充電持續(xù)一定時(shí)間后，就變成了像一個(gè)緩緩下降的山坡。斜坡式充電一般基于P2D等電化學(xué)模型，利用三電極電池對(duì)SEI電位進(jìn)行監(jiān)視預(yù)測(cè)，防止析鋰，從而優(yōu)化充電策略。
斜坡式充電策略對(duì)充電過(guò)程中大量變化的點(diǎn)進(jìn)行析鋰窗口的判定，主要是電流值的判斷，不同溫度下、不同SOC都要去判定，超過(guò)這個(gè)電流限值，負(fù)極表面就會(huì)達(dá)到析鋰電位。
目前采用該種充電策略的有TeslaModel3、寶馬BMWi3、保時(shí)捷Taycan、捷豹I-PACE、大眾e-Golf、奧迪Audie-trone、NissanLeaf等車(chē)型。其中保時(shí)捷Taycan從5%SOC開(kāi)始充電，充電電壓最大可達(dá)800V，峰值功率可達(dá)270kW。
然而，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)用鋰電池進(jìn)行大功率充電，不能一味地追求功率的提高，由于倍率的提升導(dǎo)致熱失控所造成的安全性問(wèn)題不容忽視。比如2019年4月份特斯拉連續(xù)的自燃事件，特斯拉此后對(duì)ModelS85kW·h的充電功率進(jìn)行了降低。
1.3不同充電策略及優(yōu)化方法的評(píng)價(jià)與比較
本文從所研究的電池類型、特點(diǎn)、需要優(yōu)化的參數(shù)以及該充電策略的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)不同的充電策略及優(yōu)化方法等方面進(jìn)行了比較，見(jiàn)表2。

對(duì)于MSCC和PC策略，從充電時(shí)間、產(chǎn)熱、衰減、成本和高頻信號(hào)等五個(gè)角度對(duì)二者進(jìn)行了比較，如圖9所示。MSCC和PC都可以解決充電時(shí)間焦慮問(wèn)題，在縮短充電時(shí)間提高充電效率上不相上下。MSCC一般采用逐級(jí)遞減的充電策略，而PC策略由于加入了靜置或放電階段，其平均充電電流水平較高，因此PC策略產(chǎn)熱較多，溫度升高幅度較大，溫升較大會(huì)影響電池循環(huán)使用壽命。
此外，如果PC充電方式選擇不當(dāng)也會(huì)造成鋰電池較高的容量衰減。MSCC最大的特點(diǎn)在于易于控制和實(shí)現(xiàn)，成本較低。但PC對(duì)高頻信號(hào)和脈沖發(fā)生裝置要求較高。從機(jī)理角度而言，有部分研究已經(jīng)提及到使用脈沖充電方式能夠達(dá)到去極化的作用，抑制電池壽命的衰減，但該策略應(yīng)用實(shí)例較少。

對(duì)于SRC-CV充電方式能否改善鋰離子電池的充電性能還沒(méi)有定論，主要是因?yàn)槿绻紤]DC分量，SRC策略相比于其他策略沒(méi)有顯著的性能提升。此外，SRC對(duì)硬件水平要求較高，成本較高。Boost-charging策略最大的特色是可以在5min內(nèi)將完全放電的電池充滿其額定容量的1/3而對(duì)循環(huán)壽命沒(méi)有明顯的影響。然而，Boost-charging策略的缺點(diǎn)是溫度難以控制，充電電壓電流沒(méi)有優(yōu)化。
基于優(yōu)化算法的快充策略其最大的優(yōu)點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)任意需求目標(biāo)的優(yōu)化與控制，為在線實(shí)現(xiàn)大功率充電策略提供了理論和實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)。然而，其缺點(diǎn)是某些目標(biāo)函數(shù)過(guò)于復(fù)雜或者不易描述，容易陷入局部最優(yōu)解，或者收斂速度太慢甚至不收斂，目標(biāo)函數(shù)求解困難且制定充電策略前需要大量的耐久性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為支持。近年來(lái)，一些研究人員嘗試使用基于等效電路模型(equivalentcircuitmodel，ECM)來(lái)設(shè)計(jì)最優(yōu)充電協(xié)議?；贓CM策略的優(yōu)點(diǎn)是容易捕獲電池的外部特性，來(lái)設(shè)計(jì)最優(yōu)充電協(xié)議，其缺點(diǎn)是不能提供電池內(nèi)部狀態(tài)信息特別是充電引起的副作用，如SEI生長(zhǎng)、鋰沉積等。為此，基于算法和模型的充電策略受到廣泛關(guān)注，尤其是基于電化學(xué)模型的大功率充電策略，不僅能改善鋰電池充電性能，更能反映鋰電池內(nèi)部副反應(yīng)。
在電動(dòng)汽車(chē)空間有限的情況下，考慮到電池包能量密度的需求，電池的熱管理系統(tǒng)功率受到了限制，在熱管理技術(shù)沒(méi)有飛躍式進(jìn)步的前提下，充電過(guò)程的最高溫度仍然是充電功率的主要限制條件，在對(duì)各種充電策略進(jìn)行優(yōu)化時(shí)都應(yīng)確保電池溫升在安全閾值的范圍內(nèi)。而對(duì)于充電過(guò)程中電池的壽命衰減，除通過(guò)耐久性實(shí)驗(yàn)標(biāo)定以外，目前的充電策略優(yōu)化考慮通過(guò)大量變化的點(diǎn)進(jìn)行析鋰窗口的判定，通過(guò)三電極電池監(jiān)測(cè)析鋰電位或者通過(guò)電化學(xué)模型預(yù)測(cè)SEI電位，避免充電電流超過(guò)電流限值，負(fù)極表面達(dá)到析鋰電位，發(fā)生析鋰，造成嚴(yán)重的壽命衰減。該解決方法能夠很大程度上緩解大功率充電的電池壽命問(wèn)題，但在不同溫度下、不同工況、不同類型電池、不同SOC下均需要進(jìn)行判定，這需要車(chē)企或電芯企業(yè)海量的數(shù)據(jù)支持。
2電池組熱管理研究現(xiàn)狀
溫度對(duì)鋰離子電池的性能、安全性和循環(huán)壽命有顯著影響。主要體現(xiàn)在，低溫條件下鋰離子電池的電解質(zhì)黏度增加，離子電導(dǎo)率降低，化學(xué)離子定向遷移阻抗增大，使得低溫下電荷轉(zhuǎn)移電阻增加，影響電池的動(dòng)力學(xué)性能。另一種典型的低溫效應(yīng)是鍍鋰，鋰鍍層以枝晶的形式存在，電池長(zhǎng)期在低溫下運(yùn)行時(shí)，鋰枝晶將會(huì)增長(zhǎng)，造成電池容量的不可逆損失，當(dāng)增長(zhǎng)到一定程度時(shí)枝晶可能會(huì)穿透隔膜，引發(fā)電池內(nèi)部短路，增加電池的安全風(fēng)險(xiǎn)。而當(dāng)電池溫度過(guò)高時(shí)將導(dǎo)致電池性能發(fā)生退化，溫度升至45℃時(shí)電池極化內(nèi)阻將增加。
當(dāng)電池在超過(guò)50℃的溫度環(huán)境中運(yùn)行時(shí)，電池內(nèi)部的降解反應(yīng)加劇，電池的容量明顯下降。當(dāng)電池溫度超過(guò)90℃后負(fù)極表面的SEI膜開(kāi)始溶解，電池開(kāi)始自產(chǎn)熱，此時(shí)如果不能有效地降低電池溫度，任由電池溫度上升，將會(huì)引起電池發(fā)生熱失控。
電池在25～40℃區(qū)間運(yùn)行時(shí)可實(shí)現(xiàn)最佳的功率輸出和輸入、最大的可用能量，以及最長(zhǎng)的循環(huán)壽命。因此，需要通過(guò)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)(batterythermalmanagementsystem,BTMS)，將電池組的工作溫度控制在安全范圍內(nèi)。然而在大功率充電過(guò)程中，電池會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，單體電池局部的溫度可能會(huì)急劇增加，從而導(dǎo)致某個(gè)模塊或整個(gè)電池組溫度過(guò)高。當(dāng)電池溫度過(guò)高時(shí)，整個(gè)電池組的溫度均勻性會(huì)變差，每個(gè)電池的充放電容量會(huì)有所不同，從而導(dǎo)致電池間的性能以及SOC差異。如果電動(dòng)汽車(chē)的電池組長(zhǎng)期在較高的溫度下運(yùn)行，電池組的一致性會(huì)降低，嚴(yán)重影響電池組的循環(huán)壽命，導(dǎo)致行駛里程的大幅減少。
為此，合理的熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)，成為了大功率充電技術(shù)中面臨的重要挑戰(zhàn)。在高溫冷卻方面，主要存在內(nèi)部冷卻和外部冷卻兩種形式。工程應(yīng)用較多的仍然是外部冷卻方式，主要分為空氣冷卻、液體冷卻、相變材料以及熱管冷卻，如圖10所示。

2.1空氣冷卻
空氣冷卻可以分為自然風(fēng)冷和強(qiáng)制對(duì)流兩種，管道類型和電池組布局如圖11所示，包括電池組的水平和縱向布局以及常用的U型管道和Z型管道。

由于大功率充電過(guò)程溫升較大，空氣冷卻可能無(wú)法使系統(tǒng)溫度降低到安全上限溫度，而且進(jìn)出口位置可能會(huì)有很高的溫度差?？諝獠皇蔷S持鋰離子電池組溫度均勻性以及控制表面溫度的最佳傳熱介質(zhì)，如何改進(jìn)空氣冷卻方法使之滿足大功率充電的需求仍值得進(jìn)一步研究。
2.2液體冷卻
與空氣冷卻方式相比，液體具有更高的熱導(dǎo)率和比熱容。液體冷卻按照按冷卻介質(zhì)可以分為制冷劑和冷卻劑，如圖11所示。冷卻方式可以分為直接冷卻和間接冷卻，間接液體冷卻方式的典型散熱方法如圖12所示。

為了更好地提升液體冷卻熱管理系統(tǒng)的冷卻效率，節(jié)約成本，Jarrett等對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的電池散熱板進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用參數(shù)化方法建立了如圖13所示的蛇型通道冷卻板的數(shù)學(xué)模型，利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)對(duì)其特性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，定義了壓降、平均溫度和溫度均勻性的目標(biāo)函數(shù)并通過(guò)改變通道寬度和位置進(jìn)行數(shù)值優(yōu)化。

在液冷系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中，奔馳S400BlueHybrid汽車(chē)采用了制冷劑的直接冷卻方式；Tesla電動(dòng)汽車(chē)中的采用了直接液體冷卻/加熱方式。TeslaRoadster中的電池冷卻系統(tǒng)使用1∶1比例的乙二醇/水混合物作為冷卻劑。散熱接口緊貼在冷卻管上，形成電池組下方的底座(圖14)來(lái)用作散熱器，通過(guò)與冷卻液的熱交換來(lái)提供有效的冷卻。

2.3相變材料冷卻
空氣冷卻和液體冷卻在廣泛應(yīng)用的同時(shí)，也仍存在著缺點(diǎn)，其冷卻系統(tǒng)在電動(dòng)汽車(chē)(即風(fēng)扇和泵)中占用了額外的空間，因此會(huì)增大設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度。為了克服傳統(tǒng)熱管理系統(tǒng)的缺點(diǎn)，相變材料(phasechangematerial，PCM)被應(yīng)用在了電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中。相變材料冷卻是指溫度不變的情況下改變物質(zhì)狀態(tài)并且提供潛熱物質(zhì)，轉(zhuǎn)變物理性質(zhì)的過(guò)程，這個(gè)過(guò)程會(huì)吸收或釋放大量潛熱，使電池降溫，如圖15所示。根據(jù)應(yīng)用，相變材料初始狀態(tài)為：液-氣、固-氣、固-固和固-液。目前，固-液相變材料在電池?zé)峁芾響?yīng)用中備受青睞。

研究表明，相變材料的熱物理性質(zhì)決定了電池組的最高溫升和溫度均勻性，而強(qiáng)制空氣對(duì)流對(duì)相變材料的蓄熱能力的恢復(fù)起著關(guān)鍵作用。Rao等設(shè)計(jì)了一種相變材料/微通道耦合動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)以及三維電池?zé)崮Ｐ?，如圖16所示，采用數(shù)值方法研究了入水口質(zhì)量流量、相變溫度以及相變材料的熱導(dǎo)率等的影響，結(jié)果表明，相變材料的熱導(dǎo)率和相變溫度對(duì)相變材料的液相體積比影響很大，通道數(shù)的增加導(dǎo)致電池組的最高溫度和最大溫差的降低。此外，相變材料/微通道耦合電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的熱性能更加有效，為相變材料/液體耦合電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了參考。

潛熱能力、熱導(dǎo)率和熔點(diǎn)都是相變材料是否合適的重要因素。如表3所示，針對(duì)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，文獻(xiàn)已經(jīng)對(duì)相變材料的熱性能進(jìn)行了分析，并列出了可用于電池?zé)峁芾淼睦硐胂嘧儾牧稀?/span>

2.4熱管冷卻
熱管可以將電池模塊內(nèi)部熱量轉(zhuǎn)移到周?chē)h(huán)境中，從而使電池在不同工作條件下能夠保持所需的正常溫度，并顯著降低電池模塊內(nèi)部和模塊間的溫差。作為一種典型的無(wú)吸液芯熱管，脈動(dòng)熱管(oscillatingheatpipe，OHP)能夠較好地克服傳統(tǒng)吸液芯熱管易受攜帶和沸騰極限制約的缺陷，具有傳熱性能優(yōu)異和環(huán)境適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在電動(dòng)汽車(chē)熱管理方面具有很好的應(yīng)用前景。
Ye等將熱管應(yīng)用到方殼或軟包電池的熱管理系統(tǒng)中，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)和靈敏度研究提高系統(tǒng)的冷卻能力并改善系統(tǒng)的溫度均勻性，在單體電池和電池模組上對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的方殼電池?zé)嵝阅苓M(jìn)行了評(píng)估，結(jié)果表明，優(yōu)化的熱管系統(tǒng)對(duì)能夠很好地處理電池8C充電時(shí)最大產(chǎn)熱量的2倍熱量。Zhao等針對(duì)鋰離子電池在高速運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的熱沖擊問(wèn)題提出了一種體積小、重量輕、能有效控制電池放電溫度的熱管濕冷式電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，如圖17所示。濕冷式熱管理系統(tǒng)只用4個(gè)噴涂水的裝置就可以保持8A·h電池組的溫度低于30℃。與空氣冷卻和液體冷卻不同，熱管冷卻仍處于初步開(kāi)發(fā)階段。但是熱管BTMS還沒(méi)有得到充分的認(rèn)識(shí)。

2.5不同冷卻方式評(píng)價(jià)
為了評(píng)價(jià)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)在大功率充電條件下的冷卻效果，從所研究的電池類型、充電倍率、冷卻效果等方面，對(duì)各種外部冷卻方法進(jìn)行了比較，見(jiàn)表4。

在空氣、液體、PCM和熱管四種冷卻方式中，空氣冷卻和液體冷卻被認(rèn)為是應(yīng)用較為廣泛的冷卻方式，而PCM和熱管冷卻仍需進(jìn)一步去研究。
空氣冷卻適用范圍廣，成本低，易于獲取冷卻材料。近年來(lái)，空冷技術(shù)主要圍繞著幾何布局和運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化去發(fā)展。但在大功率充電條件下，溫度上升劇烈，可能無(wú)法將模組溫度控制在安全范圍內(nèi)，并且會(huì)導(dǎo)致入口和出口位置產(chǎn)生較大的溫差。
大功率充電狀態(tài)下液體冷卻的研究集中在冷卻板的幾何結(jié)構(gòu)、冷卻液流速和冷卻介質(zhì)等方面。受限于目前電池的封裝技術(shù)，這兩者需要風(fēng)機(jī)、泵、箱體、冷卻管道等其他附件，導(dǎo)致空氣冷卻和液冷的成本較大，風(fēng)機(jī)/泵、冷卻管道會(huì)加大冷卻系統(tǒng)的重量和空間利用率。同時(shí)，它們會(huì)消耗電動(dòng)汽車(chē)電池能量，降低電池的功率和能量密度。
PCM冷卻可以將大功率充電狀態(tài)下的模組溫度控制在安全范圍內(nèi)，并且模組均勻性較好。但是在大功率充電條件下仍面臨著一些挑戰(zhàn)，相變冷卻的導(dǎo)熱性較差，并且面臨著相變物質(zhì)融化完全失效的風(fēng)險(xiǎn)。為了解決這一問(wèn)題，PCM系統(tǒng)中集成了強(qiáng)制空氣和液體冷卻以及熱管技術(shù)來(lái)回收潛熱，但這種冷卻方式會(huì)犧牲簡(jiǎn)單性和緊湊性。同樣的，PCM系統(tǒng)集成強(qiáng)制空氣和液體冷卻會(huì)大大增加重量和成本。因此，為了加快PCM冷卻方法商業(yè)化的發(fā)展，使之實(shí)際應(yīng)用于大功率充電場(chǎng)合，需要進(jìn)一步研究并且找出合適的PCM材料。
熱管在工業(yè)和電子熱管理等領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，但在電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中的應(yīng)用還不多見(jiàn)。選擇合適的熱管與電池組良好接觸，選擇有效的冷卻方式和冷卻結(jié)構(gòu)使熱管電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)具有良好的熱性能和冷卻效果，是下一步研究的關(guān)鍵。

3電動(dòng)汽車(chē)大功率充電策略及熱管理系統(tǒng)面臨的主要挑戰(zhàn)
3.1大功率充電策略面臨的主要挑戰(zhàn)
（1）為滿足電動(dòng)汽車(chē)長(zhǎng)續(xù)駛里程的需求，動(dòng)力電池企業(yè)近幾年重點(diǎn)發(fā)展了單體能量密度提升至300W·h/kg以上的制造技術(shù)，即采用更高容量的材料和較厚的電極。但要實(shí)現(xiàn)電池大功率充電，仍需要在材料制備上，優(yōu)化電極的厚度，進(jìn)一步改善鋰離子的接受和傳輸能力。
（2）為滿足大功率充電時(shí)動(dòng)力電池的安全性，需要提升電池管理系統(tǒng)在全氣候溫度條件下?tīng)顟B(tài)估計(jì)方面的能力，以避免動(dòng)力電池組由于SOC狀態(tài)估計(jì)錯(cuò)誤導(dǎo)致的單體電池過(guò)充情況。
（3）為了能夠快速消除高速充電產(chǎn)生的高溫?zé)崃?，電池電量到達(dá)一定比例或熱量較高時(shí)，需要有效降低充電功率，防止過(guò)充或者起火，延長(zhǎng)電池壽命。為此，需要構(gòu)建能夠反映電池大功率快速充電過(guò)程的熱-電耦合動(dòng)態(tài)模型，結(jié)合動(dòng)力電池的耐久性模型，開(kāi)展充電功率時(shí)變優(yōu)化策略的研究。
3.2大功率充電過(guò)程動(dòng)力電池組熱管理系統(tǒng)面臨的主要挑戰(zhàn)
（1）大功率充電過(guò)程中，動(dòng)力電池單體將產(chǎn)生大量的熱，如果冷卻系統(tǒng)強(qiáng)制冷卻，將導(dǎo)致單體電池內(nèi)外部溫差加大，進(jìn)而影響電池的性能。為此，如何根據(jù)準(zhǔn)確估計(jì)動(dòng)力電池內(nèi)部溫度，結(jié)合外部溫度測(cè)量，構(gòu)建實(shí)現(xiàn)閉環(huán)的冷卻功率時(shí)變動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制，是熱管理系統(tǒng)面臨的主要難題之一。
（2）大功率充電過(guò)程，動(dòng)力電池組面臨的產(chǎn)熱及溫度分布不均勻問(wèn)題，溫度最高的單體電池壽命衰減最快，加大了電池組中單體電池容量的不一致性，降低了動(dòng)力電池組的可用能量。為此，如何在明確動(dòng)力電池組產(chǎn)熱機(jī)制的同時(shí)，優(yōu)化電池系統(tǒng)散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，選擇合適散熱方式，合理管理電池?zé)崃?，提升?dòng)力電池組的可用容量，是動(dòng)力電池組熱管理系統(tǒng)面臨的另一個(gè)難題。
4結(jié)論
動(dòng)力電池大功率充電能夠在一定程度上解決電動(dòng)汽車(chē)?yán)锍探箲]的問(wèn)題，被學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界公認(rèn)為理想的充電方式。但是在動(dòng)力電池大功率充電過(guò)程中，電池管理系統(tǒng)面臨著一系列技術(shù)難題需要解決，本文對(duì)動(dòng)力電池大功率充電策略及熱管理系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，進(jìn)一步分析了大功率充電過(guò)程電池充電策略及熱管理系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)。
（1）減少充電時(shí)長(zhǎng)的同時(shí)更好地避免電池的壽命衰退，仍是電動(dòng)汽車(chē)大功率充電所面臨的重要挑戰(zhàn)。已報(bào)道的快速充電策略中，基于電化學(xué)模型的大功率充電策略，不僅能改善鋰電池充電性能，更能反映鋰電池內(nèi)部副反應(yīng)。如果能夠?qū)δＰ瓦M(jìn)行降階簡(jiǎn)化并結(jié)合相關(guān)算法進(jìn)行優(yōu)化，未來(lái)會(huì)有更大的應(yīng)用前景。
（2）大功率充電條件下，空氣冷卻可能無(wú)法使電池組溫度降到安全范圍內(nèi)，并且導(dǎo)致模組均勻性變差。液體冷卻、PCM和熱管冷卻方式都可以在大功率條件下將電池溫度控制在安全范圍內(nèi)。作為目前電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中，主要采用的液體冷卻方式，但是存在著泵、壓縮機(jī)等消耗電池的功率，導(dǎo)致電池組能量密度下降，并且成本較高的缺點(diǎn)。因此，未來(lái)可以從液冷板的幾何結(jié)構(gòu)、冷板布置方式等方面去分析和優(yōu)化。
針對(duì)龐大的電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)及快速充電的需求，大功率充電面臨的冷卻成本較高、冷卻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)復(fù)雜和壽命衰退等難題仍需得到進(jìn)一步突破。而面向大功率充電過(guò)程中充電策略優(yōu)化、電池組熱管理系統(tǒng)優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展是解決上述挑戰(zhàn)的重要解決途徑。
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