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《电池热管理》可作为能源与动力、电动汽车、电池等相关专业本科生和研究生的教材或参考书，也适合新能源汽车、动力电池、热管理等领域相关的研究人员和工程技术人员阅读和参考。
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| 內容簡介： |
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在能源危机和环境污染的双重压力下，节能减排已成为全社会共同的责任。发展电动汽车，关键是动力电池。过热、燃烧、爆炸等安全问题一直是动力电池研究的重点。热量的产生与迅速堆积必然引起电池内部温度升高，尤其在高温环境下使用或者在大电流充放电时，可能会引发电池内部发生剧烈的化学反应，产生大量的热，若热量来不及散出而在电池内部迅速积聚，电池可能会出现漏液、放气、冒烟等现象，严重时电池发生剧烈燃烧甚至爆炸。无论是传统的铅酸电池，还是性能先进的Ni-MH，Li-ion动力电池，温度对电池整体性能都有非常显著的影响。为延长动力电池寿命，提升其电化学性能以及能量效率，必须设计合理的电池热量管理系统，在高温条件下对电池进行散热、低温条件下对电池进行加热或保温，以提升电动汽车整车性能。本书针对国内外电池热管理的研究进展，结合编者近年来的研究成果，分别从基于空气、液体、相变材料等为传热截至的热管理系统出发，对相关技术进行了编著。
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| 目錄：
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前言
第1章绪论
1.1交通能耗概况
1.2汽车节能与新能源汽车
1.3动力电池
1.4电池热安全
1.5电池热管理研究进展
1.5.1电池热管理性能要求与分类
1.5.2基于耐温电池材料的热控
1.5.3以空气为介质的电池热管理系统
1.5.4以液体为介质的电池热管理系统
1.5.5基于相变传热介质的电池热管理系统
第2章电池的产热原理及模型
2.1电池的产热
2.1.1Li-ion电池产热行为
2.1.2SEI的分解
2.1.3电解液分解
2.1.4正极分解
2.1.5负极与电解液的反应
2.1.6负极与黏合剂的反应
2.2电池产热量与速率计算
2.3电池热量的扩散
2.4电池热数学模型
第3章风冷式电池散热
3.1概述
3.2被动式与主动式
3.3串行通风与并行通风
3.3.1串行通风方式
3.3.2并行通风方法
3.4交替式通风
3.5电池排列方式
3.6单体电池结构的影响
第4章液冷式电池散热
4.1概述
4.2被动式和主动式
4.3直接接触式与间接接触式
4.4液冷式电池散热效果
4.5夹套结构液冷系统
4.5.1系统工作原理
4.5.2单体电池结构
4.5.3电池模块结构
4.6板式液冷系统
4.6.1单进单出式流道
4.6.2多进多出式流道
4.6.3蛇形通道冷板
4.6.4超薄内斜翅片微通道液冷板
4.7其他液冷系统
第5章基于相变材料的电池热管理
5.1概述
5.2基本原理
5.3PCM性能要求
5.4动力电池的基本类型
5.5基于PCM散热的圆柱形动力电池系统
5.5.1电池的热物性测试
5.5.2单体电池热管理系统模型
5.5.3PCM导热系数与电池温度变化的关系
5.6PCM导热系数对方形动力电池的散热影响
5.6.1基于PCM散热的方形Li-ion电池系统
5.6.2PCM导热系数对传热的影响
5.7几种典型的PCM电池热管理系统
5.7.1PCM泡沫铝电池热管理系统
5.7.2PCM泡沫铜电池热管理系统
5.7.3PCM膨胀石墨电池热管理系统
5.7.4PCM振荡热管电池热管理系统
5.8影响系统性能的主要参数
第6章相变材料的制备与性能
6.1概述
6.1.1相变材料热力特性
6.1.2相变材料分类
6.2电池热管理用PCM
6.3PCM强化传热
6.3.1金属材料对相变材料的强化传热
6.3.2多孔介质对PCM的强化传热
6.3.3其他材料对PCM的强化传热
6.4PCM胶囊
6.4.1PCM微纳胶囊的制备方法
6.4.2PCM微胶囊的强化传热
6.5PCM的分子动力学模拟
6.5.1分子动力学模拟的方法与理论
6.5.2单质烷烃的比热与导热系数
6.5.3高导热纳米金属粒子在烷烃中的扩散特性
6.5.4烷烃基相变胶囊传热介质的自扩散特性
第7章基于热管的电池散热
7.1概述
7.2热管冷却基本原理
7.3热管内流动工质选择
7.4热管性能要求
7.5热管的相容性及寿命
7.6热管的工作条件
7.7几种典型热管的电池散热管理系统
7.7.1重力型热管
7.7.2烧结热管
7.7.3环路热管
7.7.4脉动热管
7.8相变材料与热管耦合散热
第8章其他电池散热方式
8.1概述
8.2微通道换热器空调冷却
8.3热电制冷
8.4沸腾冷却
第9章低温环境电池的加热
9.1概述
9.2常规空气加热
9.3相变材料加热
9.4电加热
9.5帕尔帖效应
9.6其他加热方式
参考文献
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第1章绪论
1-1交通能耗概况
随着社会的不断进步和经济的快速发展，全球性能源短缺以及环境污染等问题日益严重。能源与环境问题已经成为危及国家安全的战略问题，直接影响着人类的健康与生存。节约与开发清洁能源、提高能源利用效率、保护和改善环境、促进经济和社会全面协调可持续发展，已成为国际社会的共同责任。
受金融危机的影响，2008年和2009年全球的石油消费量略有下降，但在2010年旋即出现回升，2013年达到41-85亿吨。中国是石油消费增长最快的国家，2013年石油消费量首次突破5亿吨，达到5-074亿吨，其中进口原油约2-83亿吨，对外依存度达55-77%。预计到2020年，中国石油对外依存度将达到56%~60%。表1-1给出了2003~2013年石油消费量。
交通行业作为资源占用型和能源消耗型行业，其年石油消费量约占全球石油消费量的50%，私人交通工具95%都依赖于石油。在中国，交通能耗占社会总能耗的比例已从1980年的5%上升到近两年的20%，且年石油消费量占全国石油总消费量的50%，而人均石油可采储量只有世界平均水平的11%。至2010年年底，全国石油累计探明地质储量为312-8亿吨，仅可采15年。同时，中国已成为仅次于美国的第二大石油消费国。随着中国石油对外依存度的不断提高，石油安全将成为制约经济和社会发展的重要因素。另外，伴随着交通行业能源消耗而产生的温室气体以及排放的污染物，如二氧化碳、粉尘、硫化物、氮氧化物以及多环芳烃等，是引起环境污染和诱发人体多种疾病的根源［2，3］。以美国为例，每年温室气体排放源于交通行业的占28%，其中二氧化碳排放源于交通行业的占34%，主要的城市气体污染物来自交通行业的占36%~78%，交通耗油占全国石油消费量的68%，如不加以控制，这些数字还会继续增大［4，5］。
如今，电动汽车、混合动力汽车以及燃料电池汽车在私家车中难以普及的重要因素是其高昂的能源价格。Offer等［6］对汽油、氢气、电三种能源2030年的价格进行了预测，预测结果见表1-2，虽然这种预测可能不十分准确，但是随着科学技术的发展，制氢技术和发电技术成本下降，汽油、氢气、电的价格差别会越来越小。这会促使私家车用户将更多的目光投入新能源汽车行业中。
在能源危机和环境问题的双重压力下，近年来，世界各国都在积极制定能源发展战略、寻求平衡能源供给的有效途径、节能以及开发新能源与可再生能源［7，8］。考虑到汽车市场的快速增长对石油消费的预期需求，从2001年起，中国就开始着手制定汽车燃油消费标准，并于2004年发布第一个《乘用车燃料消耗量限值》国家标准。截至当前，中国已实施多项能源政策进行节能减排［9，10］。美国政府也制定了许多交通政策，如限制车辆行驶里程、减轻车辆阻耗、改进车辆引擎技术、开发低碳和非燃油高效动力系统等［11］。欧盟各国十分重视节能减排，制定了一系列环保政策，计划到2030年将城市交通中燃油汽车的数量削减一半左右，到2050年在城市交通中全面停用燃油汽车［12］。日本于2009 年开始实施“绿色税制”，在汽油税、汽车消费税、 传统燃油汽车重量等方面进行了较大幅度的调整，其适用对象包括纯电动汽车、混合动力车、清洁柴油车、天然气车以及获得认定的低排放且燃油消耗量低的车辆［13］。尽管如此，交通行业节能潜力依然巨大，任重道远。
1-2汽车节能与新能源汽车
2000年以来，世界汽车工业发展迅猛，至2010年，全球汽车保有量已逾10亿辆，预计到2030年，全球汽车保有量将增至16亿辆。2011年中国汽车保有量已经突破1亿辆，是2000年的6-58倍表1-3。到2020年，中国汽车的保有量或将突破2亿辆。快速发展的汽车工业已成为交通行业石油消耗的主要领域，2008年中国车用燃油（汽油和柴油）的消耗量占石油总消耗的比例已从2000年的17-8%增长到33%左右［14］。其中，中国汽车的汽油消费量约占汽油生产量的86%，柴油的消费量约占柴油生产量的24%，汽车节能迫在眉睫。
汽车节能，关键是动力系统，既包括传统内燃机技术的改进，又涉及新能源汽车的发展。而新能源汽车无疑将成为未来汽车发展的必然趋势。其中，纯电动汽车electric vehicle，EV和混合动力汽车hybrid electric vehicle，HEV由于在能量效率和降低排放方面具有比传统车辆更好的优势，因而得到世界范围内的普遍重视，且纯电动汽车和燃料电池电动汽车fuel cell electric vehicle，FCEV被认为是仅有的能替代内燃机的零排放车辆zero missions vehicle，ZEV［15］。电动汽车用电生产所排放的一氧化碳、二氧化碳、氮氧化物和碳氢化合物分别是汽油驱动汽车排放量的2%、76%、56%和9%［16］。如果采用可再生能源为电动汽车电池供电，仅是私人用车领域，其温室气体排放量就可减少60%［17］。例如，使用HEV，二氧化碳的排放量可以减少20%~40%［18］。
为促进EV和HEV等电动汽车的发展，许多国家都积极采取各种措施。中国早在2001年就将新能源汽车研究项目列入国家“十五”期间的“863”重大科技课题，提出“以整车开发为主导，关键零部件和相关材料紧密结合，基础设施协调发展，政策法规、技术标准与评估技术同步展开”的基本方针，标志着电动车领域研究开发及产业化计划的全面启动，并于“十一五”提出“节能和新能源汽车的战略”，高度关注新能源汽车的研发和产业化。美国从2009年起投入25亿美元支持电动汽车相关产业发展，计划在2015年前部署100万辆电动汽车上路［19］。德国投入近5亿欧元用于电动汽车发展，预计2020年电动汽车产量将达到100万辆，2030年超过500万辆。英国投入2-5亿英镑用于支持电动汽车产业建设，到2016年电动车或占英国汽车市场的20%。到2020年，世界电动汽车总量将达到1100万辆。世界电源研究所electric power research institute，EPRI估计平均200万辆电动车每天可节约60 000桶汽油，每年可减少市区废气排放量160 000吨。以2020年中国汽车保有量2亿辆计算，若使用电动汽车，可以节约石油4613万吨，替代石油4443万吨，两者相当于将汽车用油需求削减32-4%。
由于最具前景的氢燃料电池汽车技术问题短时间内难以突破，加上美国政府自2012年起计划终止无公害柴油基金项目clean-diesel grant program，并将停拨氢燃料电池汽车的研发经费，预计在2040年之前，汽车节能将主要依靠发展非氢燃料EV和HEV等来实现。
1-3动力电池
动力电池，作为制约电动汽车发展的关键技术，一直是众多生产、研发单位争相投入的热点［20-22］，发展历程已逾百年，其中用于电动汽车的二次电池主要类型如表1-4所示。
Ni-MH电池，由于具有比铅酸电池更高的能量、功率密度，寿命长且无污染，无记忆效应等优势，20世纪末，包括Daimler Chrysler、Ford、General Motors、Honda和Toyota等在内的多家著名汽车公司都开始着手研发基于Ni-MH电池的EV和HEV［23］。其中，Toyota生产出世界上第一辆商用HEV，General Motors生产的EV1所使用的Ni-MH电池一次充电行驶里程达225 km。
自1991年日本率先开发成功Li-ion电池以来，由于其具有质量轻、体积小、比能量高等优点，为世界各国所重视并大力开发和研制，迅速向产业化发展［25，31］。Li-ion电池能量密度是铅酸电池的4~5倍、Ni-MH电池的2倍，且电压是Ni-MH电池的3倍、铅酸电池的近2倍［32］。Li-ion电池提供动力源的电动汽车，已经在中国、美国、法国、意大利、日本等许多国家出现。随着电池技术的不断完善，Li-ion电池在EV和HEV中的应用将更具潜力。
由于近年来对环保的要求越来越高，含重金属的Ni-Cd电池、铅酸电池的使用逐渐受到限制，Ni-MH电池使用大量的有色金属以及生产工艺受限，再发展空间很小。与Ni-MH电池相比，EV和HEV采用Li-ion电池可使得电池组的质量减轻40%~50%，体积减小20%~30%，而当前影响Li-ion电池在电动汽车中普及的主要问题是成本。虽然目前Li-ion电池成本高于其他电池，但是，预计在不久的将来，Li-ion电池的成本有望下降到Ni-MH电池的23。
美国于2008年组建国家Li-ion电池制造联盟，随后5年投入10~20亿美元以形成大规模制造Li-ion电池的能力。日本最大工业电子集团日立公司计划到2015年将Li-ion电池产能扩大70倍。德国从2012年起启动了一项 3-6 亿欧元的车用锂电池开发计划，几乎所有德国汽车和能源巨头均携资加入。在中国，深圳比克电池有限公司在天津投资10亿元专业生产磷酸亚铁锂动力电池；2013年12月，天津力神电池股份有限公司投资40亿元在新能源汽车电池项目，从事包括汽车动力电池在内的Li-ion电池和新能源材料、超级电容器等的研发生产和销售，规划5亿A h动力电池电芯装配产能；2014年，总投资25亿元的锂电池项目落户灵宝，项目建成后具有年产7亿A h电池、7000吨磷酸铁锂正极材料、3000吨石墨负极材料的生产能力；2013年10月31日财政部公示Li-ion电池隔膜补贴项目，加大扶持力度。预计至2018年，全球Li-ion电池的总需求量将超过38 500万kW h，与2013年相比，增加6倍以上，被誉为绿色电源的Li-ion电池市场前景十分乐观。
1-4电池热安全
由于电池充放电过程中的电化学反应都是在特定的温度范围内才能够发生，这意味着电池运行的环境温度范围是特定的，表1-5给出了几种典型的动力电池的特性以及运行许可的温度范围。
过热、燃烧、爆炸等安全问题一直是动力电池研究的重点。热量的产生与迅速积聚必然引起电池内部温度升高，尤其在高温环境下使用或者在大电流充放电时，可能会引发电池内部发生剧烈的化学反应，产生大量的热，如果热量来不及散出而在电池内部迅速积聚，电池可能会出现漏液、放气、冒烟等现象，严重时电池发生剧烈燃烧甚至爆炸图1-1。无论传统的铅酸电池，还是性能先进的Ni-MH、Li-ion动力电池，温度对电池整体性能都有非常显著的影响。一般来说，温度主要影响动力电池的如下性能［33］：
1 电化学系统运行；
2 充放电效率；
3 电池的可充性；
4 电池的功率和容量；
5 电池的可靠性和安全性；
6 电池的寿命和循环次数。
图1-1电动汽车热安全事故
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