基于锂电池余热回收的综述

赵春荣　孙峰

摘 要：新能源汽车诞生时不叫新能源汽车，而是叫纯电动汽车，在很早以前就出现过，只是当时的电池技术及电池容量相对较为落后，电池的电压也比较低，后来逐渐被淘汰了。直至世界能源危机爆发、环境污染越发严重的今天，纯电动汽车又被推上历史的舞台。现在的纯电动汽车有另外一个名称叫新能源汽车，其能源主要来自汽车自带的动力电池包。

关键词：新能源汽车;电池容量;纯电动汽车

随着世界能源危机的到来，环境污染对人们的健康生活已经造成严重的影响，传统的燃油汽车逐渐向小排量加涡轮增压方向发展，但还是不能完全离开化石燃料。于是，新能源汽车应运而生。新能源汽车是少用或者不需要使用传统的燃料进行能量的转换以驱动车辆行驶，所以，在新能源汽车大类中的纯电动汽车电池包又称为动力电池包。

1    纯电动汽车中最常用的动力电池

1.1  铅酸蓄电池

铅酸蓄电池是最先被用在纯电动车上的电池。将纯铅与铅的氧化物相互交叉放置于箱体内部，利用稀硫酸溶液作为电解液的铅酸蓄电池。在充电状态下，铅酸蓄电池的正极由硫酸铅变成二氧化铅，负极材料由硫酸铅变成纯铅。在放电的情况下，正极与负极都变成硫酸铅白色的晶体。由于铅酸蓄电池存在质量大、自放电率高、低温性能差、能量密度低、比功率低等缺点，现在纯电动汽车已经不采用这样的动力电池，但是将其作为辅助电池。

1.2  锂离子电池

锂离子电池在新能源汽车上的应用越来越多。锂离子电池端电压达到3.7 V，而铅酸蓄电池的端电压只有2 V，现在的纯电动汽车一般使用的动力电池电压在380 V左右，使用锂电池可以减少电池的个数，从而减小电池整体的质量。此外，锂电池的自放电率低，能量密度、比功率比铅酸蓄电池高。所以，在现在的新能源汽车中，使用较多的是锂离子电池。

1.3  镍氢电池

镍氢电池介于锂电池与铅酸蓄电池之间，一节镍氢电池的端电压只有1.2 V左右，电池电压较低。在没有充足电量的情况下，存储电池会造成电池过早损坏。虽然可以减少对环境的污染，但作为动力电池因为电压过低，当要达到相同电压时需要更多的电池单体，会造成电池的体积及质量过大。所以，这种电池一般在混合动力汽车中使用较多。

2    锂离子电池工作原理及发热原因

2.1  锂离子电池工作原理

在锂离子电池中，以炭为负极材料、以含锂的化合物为正极的锂电池，在充放电过程中，没有金属锂存在，只有锂离子在正负极之间移动，当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极。作为负极的碳呈层状结构，有很多微孔，达到负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。同样，当对电池进行放电时，嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回正极。回正极的锂离子越多，放电容量越高。

2.2  锂离子电池发热原因

锂离子电池无论是在充电还是在放电过程中，都会产生热量。充电时，因为电池在放电过程中的内阻逐渐变大，充电枪与电池两端的电势差较大，在使用定压充电的方法对电池充电的初期，电池内部流过的电流较大，电流流过电阻较大的电池内部，消耗在电池内部的电能也较大，产生的热量就多。

在电池对外放电时，由于在满电状态下，电池的内阻很小，刚开始放电时，消耗在电池内部的电能少发热较小。随着放电过程的进行，电池内阻开始慢慢地变大，很大一部分电能需要消耗在电池的内部，此时电池内部会产生大量的热能，使电池温度升高。

3    锂电池温度过高或者过低的危害

锂离子电池其实与汽车的发动机一样，都有合适的工作温度，温度过高或者过低都会严重影响电池的容量。当温度过低时，锂离子的活性不够，放电时化学反应过慢，单位时间内不能大电流放电，影响汽车的加速性能，而且在温度低的时候，还会影响电池的容量，继而影响汽车的续航里程。

温度过高会使锂离子电池内部材料发生短路的可能性增大，锂离子电池变得极其不稳定。一旦造成热失控就会使电池内部温度急剧升高，进而发生自燃。温度过高还会严重影响电池的使用寿命。所以，在使用锂离子电池时一定要严格地将温度控制在允许工作的范围内。

使用锂离子电池时，在严格控制温度的同时，要严格均衡电池的温度。在动力电池箱里有较多动力电池模组，由单体电池经过焊接连接在一起。在控制电池温度时一定要考虑怎样对单体电池进行冷却或者加温。

4    电池的冷却系统

现在的新能源汽车较多采用油电混合，因为油与电混合可以弥补两者的缺点。使用纯燃油驱动的车辆在低速时耗油量比较大，减速时发动机不熄火，又浪费燃油。所以，油电混合可以降低汽车在低速或者减速时的燃油消耗量，同时，可以将汽车在减速时的能量回收。

油电混合车辆分为插电式混合动力汽车和非插电式混合动力汽车。但不管是哪种形式的混合动力汽车，在对电池进行冷却或加温时，都是通过电加热器将动力电池冷却液加热。然后通过热传递的形式对电池进行升温，使之达到合适的工作温度。电池温度升高之后，电池管理系统通过控制一个小型水泵强制电池包中的冷却液循环，经散热器将冷却液吸收的电池包热量散发至大气中，以降低电池温度。虽然这样的方式比较直接、方便、快捷，但是在冷却的过程中，能量白白散失，在一定程度上增加了能量的消耗。在纯电动车上，这样的能量散失会制约车辆的续航里程，因为纯电动车的能量主要来自动力电池包。

5    锂离子电池包冷却的方式

纯电动汽车电池包冷却方式主要有两种：风冷和水冷。

5.1  风冷

风冷就是利用流动的空气将电池包内部的热量带走。利用强制冷却风扇进行抽吸，使外界温度较低的新鲜空气进入电池包并在电池包内部被加热，然后被抽出电池包，这种冷却方式结构较为简單。

5.2  水冷

现在的汽车发动机冷却基本都是水冷。不仅因为水冷发动机温度比较容易控制，还因为水的比热容较高，使单位质量的水升高1 ℃需要的热量较多。同时，当电池需要加热时，电池包冷却水流过电池周围能使电池加热均匀，保持电池温度均衡。

6    余热二次利用

6.1  利用热量对驾驶室进行升温

几乎每辆汽车都有空调，冬季环境温度下降，车内的温度也下降。人在驾驶车辆时会感觉冰凉，此时需要将车里的溫度升高使人感到舒适。在传统的燃油车上，通常利用发动机的冷却水对流过热交换器的空气进行加热，继而使车内的温度升高。但是在此过程中，温度上升比较慢，假如发动机刚启动就开暖气，此时肯定无法有暖气吹出。只有等发动机冷却水温度上升后，才会慢慢有暖气从空调出风口吹出来，过程相当缓慢。

纯电动汽车用锂离子电池作为动力电池，锂离子电池有几大缺点：不支持大电流充电、过度放电、温度不能过低也不能过高。但是在对锂离子电池进行充电或者放电时，电池由于本身的内阻而发热，产生余热。如果能将这些热量加以利用就能节约能源。同时，减少了动力电池的负载。在充电的时候就已经将热量转移至车内，从车外进入车内就能立刻感受到温暖。

6.2  利用电池余热对冷却水进行加热

纯电动汽车在一般情况下都会有两个水壶，一个水壶冷却的是驱动电机以及电机控制器，防止电机以及电机控制器过热而造成功率限制。但是天气过冷时电机的一些轴承润滑油会凝固，造成车辆在早晨启动时阻力过大。电机的转子在定子产生的电磁作用下感应出感应电动势，而阻力过大的电机转速下降时发热量猛然增大，造成电机内部产生大量的热量。

电动汽车在电池充电时，除了利用热泵空调将热量带入驾驶室内部，也可以通过电池冷却液循环对电机冷却液进行加温，让电机冷却液温度升高，继而对电机进行保温。还可以利用一个罐子将电池包加热过的水收集起来，对车辆需要加温的地方进行保温处理，能使汽车行驶里程增加，大大降低电机控制器及电机的故障发生率。

6.3  利用电池包热反馈对充电功率进行限制

无论是锂电池还是铅酸蓄电池，只要是存储电能的化学电池，都不能利用大电流对其进行充电。因为化学反应有转换效率，超过了这个转换效率，多余的电能就会使电池发热，在铅酸蓄电池中就是电解水。要想让电池更好地持久使用，就要严格控制电池的充电电流。虽然现在的纯电动汽车对动力电池已经有了一定的保护，即过温保护，但这种保护方法过于简单，当车辆充电时，电池管理系统对电池的温度进行实时监控，只要电池的温度过高就立即切断对电池的充电，较好地保护了动力电池。

7    结语

关于纯电动汽车动力电池—锂电池余热回收利用方法，许多文献简单地叙述了纯电动汽车车用动力电池的种类，特别是锂电池的性能、充电方式和动力电池在汽车上的实际冷却方式，还综述了热泵空调。现在，汽车上应用较多的还是水冷电池，因其造价低廉、冷却有效，更适合当前的纯电动汽车使用。

[参考文献]

[1]江挺候，张胜昌，康志军.电动汽车热泵系统研究进展[J].制冷技术，2012（2）：71-74.

[2]胡志勇.当今电子设备冷却技术的发展趋势[J].电子机械工程，1999（1）：2-5.

[3]杨世铭，陶文锉.传热学[M].北京：高等教育出版，2006.

[4]王若平.汽车空调[M].北京：机械工业出版社，2007.