動力電池熱管理技術(shù)及關(guān)鍵材料

《動力電池熱管理技術(shù)及關(guān)鍵材料》一書重點介紹了動力電池熱管理技術(shù)的策略和方法，具體圍繞動力電池熱管理的基本情況、動力電池熱-電化學特性、動力電池量熱方法及測試設備、動力電池風冷系統(tǒng)、動力電池液冷系統(tǒng)、相變冷卻技術(shù)及材料、電池低溫加熱技術(shù)和材料、電池熱安全中的傳感器技術(shù)、多物理場耦合仿真技術(shù)與方法、熱管理及隔熱防護材料、熱管理系統(tǒng)中的換熱器組件、整車熱管理運行及實踐、其他動力運載工具等內(nèi)容展開，旨在通過跨學科、跨專業(yè)的知識和方法剖析熱管理技術(shù)，為實現(xiàn)動力電池安全性提供理論與技術(shù)支持。
本書注重理論聯(lián)系實際，充實理論，加強應用，不僅可作為高等學校能源與動力工程、新能源科學與工程、儲能科學與工程、材料工程等專業(yè)的教材，還可作為動力電池、新能源汽車等相關(guān)行業(yè)的工程技術(shù)人員、科研人員和管理人員的參考書。

張國慶，廣東工業(yè)大學教授，于2022年度獲教書育人獎。曾主持或參與過的重點項目包括國家國際科技合作專項（中國和以色列合作項目、中國和日本合作項目）、國家863科技計劃項目、粵港關(guān)鍵領(lǐng)域重點突破招投標項目、廣東省新能源汽車重大專項、華為技術(shù)有限公司委托項目及美國國際銅專業(yè)委員會全球招標項目等50多項。累計發(fā)表論文150余篇，其中SCI論文90余篇。申請專利90余件，其中授權(quán)發(fā)明專利40余件。在科學出版社出版專著《電池熱管理》。張國慶教授與多個知名龍頭企業(yè)（華為、欣旺達、沃特瑪、格力等）開展產(chǎn)學研深度合作，取得的經(jīng)濟和社會效益顯著。前后共四次榮獲廣東省科學技術(shù)獎，其中，2020年度獲廣東省科技進步獎一等獎。

電池熱管理是以提升電池整體性能為目的的新技術(shù)，本書主要介紹了動力電池熱管理技術(shù)的概況、電池的熱電特性、電池量熱及測溫設備及方法、自然冷卻及風冷、液體冷卻技術(shù)和應用、相變冷卻技術(shù)及材料、電池低溫加熱技術(shù)和材料、電池熱管理中的傳感技術(shù)、電池熱管理模擬仿真技術(shù)與方法、整車熱管理系統(tǒng)特點分析、電動無人機電池及熱管理、整車電池熱管理運行實踐等內(nèi)容。 多學科深度融合，產(chǎn)學研跨界聚力 精心打造的一部動力電池熱管理“小百科” ★系統(tǒng)整理基礎(chǔ)知識體系 ★高效熱管理系統(tǒng)的功能、實現(xiàn)方法、性能要求 ★熱管理和熱安全領(lǐng)域的技術(shù)標準 ★動力電池熱-電化學特性 ★動力電池量熱方法及測試設備 ★聚焦熱管理關(guān)鍵技術(shù)及材料 ★動力電池風冷系統(tǒng)、動力電池液冷系統(tǒng)、相變冷卻技術(shù)及材料 ★熱電制冷、熱管熱管理系統(tǒng)、混合式熱管理系統(tǒng) ★電池低溫加熱技術(shù)及材料 ★整車電池包熱管理材料 ★電池災害防護材料 ★電池安全性能傳感器技術(shù)與電池安全預警傳感器技術(shù) ★多物理場耦合仿真技術(shù) ★詳解整車熱管理系統(tǒng)開發(fā)設計 ★換熱器組件設計制造及典型失效模式分析 ★整車熱管理系統(tǒng)典型工況與知名車企案例分析 ★多種類型動力運載工具電池熱管理系統(tǒng)分析：飛行汽車、電動船舶、電動無人機

全球環(huán)境污染、能源短缺和氣候變化問題日益加劇，這關(guān)乎著人類社會的可持續(xù)發(fā)展。我國能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和可再生能源發(fā)電占比的大幅度提升是實現(xiàn)“雙碳”目標的重要路徑，同時將無可置疑地發(fā)揮出電動汽車所具備的環(huán)境友好、節(jié)能減排等優(yōu)勢。近幾年來，我國電動汽車產(chǎn)銷量呈現(xiàn)爆發(fā)式的增長，新能源汽車市場滲透率已經(jīng)超過了四分之一，2030年有望超過二分之一。然而，考慮到電動汽車最本質(zhì)的技術(shù)特征和各類電動車輛復雜的運行工況，目前的電動汽車仍然存在一些重大瓶頸問題需要盡快解決，比如安全性差、續(xù)駛里程短、充電慢、低溫啟動困難、造價及運維成本高等。其中，安全性是國內(nèi)外廣泛研究和關(guān)注的熱點問題。
動力電池作為電動汽車的核心部件，其熱安全性能直接影響整車安全運行。隨著MTP（module to pack）、CTP（cell to pack）和CTC（cell to chassis）技術(shù)以及高壓快充等新技術(shù)的出現(xiàn)，熱安全成為現(xiàn)實的挑戰(zhàn)。實現(xiàn)動力電池的低溫加熱、控制充電時溫度快速升高并始終保持良好的溫度一致性是實現(xiàn)電池安全的重要技術(shù)路徑，這正需要本書重點涉及的動力電池的熱管理技術(shù)策略和方法。
動力電池體系是高度關(guān)聯(lián)的電化學、熱學、機械、電學的耦合體系，動力電池的熱管理技術(shù)同樣需要跨學科、跨專業(yè)的知識和方法。本書共13章。第1章概論部分對高效熱管理系統(tǒng)的功能、實現(xiàn)方法、性能要求以及熱管理和熱安全領(lǐng)域的技術(shù)標準進行了簡要歸納和總結(jié)。第2章介紹了動力電池熱-電化學特性。動力電池的電化學特性、產(chǎn)熱行為、傳熱的邊界條件及傳熱效果等問題是相互關(guān)聯(lián)、相互影響的跨學科問題，不能采用單一的、割裂開來的研究方法?；诖苏J識，業(yè)界需要做出的最重要、簡單的認知轉(zhuǎn)變是，不能把電池簡化為內(nèi)熱元的傳熱學問題。為做好電池熱管理工作，動力電池的基本電化學性能參數(shù)（電壓、電流、容量、比容量、能量以及比能量）及其測量計算方法是基礎(chǔ)性的工作；而溫度對電池性能的影響規(guī)律和機理、電池的產(chǎn)熱機理及產(chǎn)熱量的計算方法是電池熱管理中的重要科學問題。對于不同電化學體系構(gòu)成的已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化的動力鋰電池及新型電池（鈉離子電池、固態(tài)電池）的產(chǎn)熱行為及電化學特性的交互關(guān)系研究和描述是豐富多彩的知識貢獻。第3章對電芯量熱測試設備和相應的測試方法進行了介紹。電池產(chǎn)熱測量儀器的原理、功能特征、技術(shù)參數(shù)和測試案例的介紹，希望能對熱設計工程師和研究者具有幫助作用。
第4～6章系統(tǒng)介紹了風冷、液冷和相變材料冷卻基本原理、結(jié)構(gòu)分類及工程應用案例。第7章介紹了電池低溫加熱技術(shù)和材料。第8章介紹了電池熱管理中涉及的傳感技術(shù)。
近年來，動力電池仿真技術(shù)在電池參數(shù)計算和性能預測方面得到了廣泛應用。作為一個多尺度和多物理場共存的系統(tǒng)，鋰離子電池的性能表現(xiàn)與多種物理/化學過程相關(guān)，致使其仿真模擬被進一步復雜化。因此，基于多物理場耦合構(gòu)建高效精確的鋰離子電池模型對于電池技術(shù)開發(fā)和工程應用具有重要意義。第9章介紹了多物理場耦合仿真技術(shù)與方法。
第10章的熱管理及隔熱防護材料部分，涉及了整車電池包熱管理系統(tǒng)中運用到的導熱材料、防火阻燃材料、防水密封材料以及結(jié)構(gòu)支撐材料等。換熱器作為新能源電動整車熱管理系統(tǒng)中的核心組件，其結(jié)構(gòu)設計、制造工藝及質(zhì)量管控水平會直接影響到熱管理系統(tǒng)的綜合性能，是整車熱管理系統(tǒng)開發(fā)設計中的關(guān)鍵核心技術(shù)。第11章主要從換熱器組件、換熱器制造及典型失效模式方面進行了詳細介紹。
整車行業(yè)技術(shù)迭代速度空前加快，電動化和智能化趨勢催生出對熱管理系統(tǒng)的更高要求。新的電子電氣架構(gòu)使得熱管理系統(tǒng)必須與之適應，包括更多元的管理對象、更精細的控制等，以應對持續(xù)革新的產(chǎn)業(yè)鏈。在這種背景下，熱管理系統(tǒng)不僅要保證座艙舒適性，還要提高能效、延長續(xù)駛里程、保證熱安全、強化散熱、滿足高性能需求等。診斷功能是整車熱管理功能安全設計的重要組成部分，應能及時發(fā)現(xiàn)和處理系統(tǒng)故障，保證系統(tǒng)的可靠性和安全性。第12章對整車熱管理運行及實踐展開了具體描述。為使讀者了解電動汽車熱管理系統(tǒng)的測試標準和市場趨勢，介紹了特斯拉、比亞迪以及大眾ID車系的熱管理系統(tǒng)設計思路和性能表現(xiàn)，并列舉了部分品牌之間或車型之間在不同工況下的測試對比。
第13章對其他動力運載工具熱管理系統(tǒng)的特點及熱管理材料進行了詳細介紹。
本書編寫人員來自整車企業(yè)、電池企業(yè)、熱管理材料企業(yè)、高等院校及測試機構(gòu)。各章具體分工是：第1～3章由張江云、劉新健、齊創(chuàng)、林春景編寫；第4～5章由吳偉雄、馬瑞鑫編寫；第6章由楊曉青、徐涵編寫；第7章由李孟涵、楊曉青、莫崇茂編寫；第8章由李新喜、劉俊源編寫；第9章由呂培召、謝捷凱編寫；第10章由王婷玉、楊曉青編寫；第11章由黃新波、呂又付、孫博林、于吉樂編寫；第12章由馬書寒、王曉非、馮朝暉、聶昌達、呂又付、錢淵清編寫；第13章由聶昌達、王婷玉、馬書寒編寫。呂培召和孫博林進行了統(tǒng)稿和校對工作。最后由張國慶、饒中浩、文玉良、梁銳進行定稿。
在編寫過程中，東莞市硅翔絕緣材料有限公司戴智特、廣州暉能新材料有限公司袁江濤、山東魯陽節(jié)能材料股份有限公司鹿曉琨、杭州仰儀科技有限公司邱文澤、鞏義市泛銳熠輝復合材料有限公司張繼承、廣東海之瀾新材料科技有限公司李振平等提供了各自細分領(lǐng)域的最新的知識。王曉勇、黃艇、馮旭寧、邵丹、蔣立琴審閱和修改了部分章節(jié)。在此表示真誠的感謝!
本書涉及的部分研究內(nèi)容和成果，許多來自編委會成員團隊多年的工作積累，這些工作最早可追溯到2010年，國際銅業(yè)協(xié)會從此開始了對我們長達12年的持續(xù)支持和厚愛。感謝科學技術(shù)部、國家自然科學基金委、廣東省發(fā)展改革委、廣東省科學技術(shù)廳、江蘇省科學技術(shù)廳等對我們在電池熱管理和熱安全研究方向的持續(xù)支持。真誠感謝化學工業(yè)出版社編輯及相關(guān)人員在本書出版過程中付出的辛勤勞動。
盡管我們初心很完美，希望有能力使該書達到高的質(zhì)量，但由于本書涉及跨學科領(lǐng)域的知識和技術(shù)很多，而我們自身的知識和能力有限，本書很多最新資料收集總結(jié)還不夠完善，特別是對實際工程經(jīng)驗的總結(jié)不夠全面，書中存在不足和疏漏之處在所難免，敬請有關(guān)專家與廣大讀者不吝賜教。

編者

第1章 概論 001
1.1 動力電池熱管理的必要性  001
1.1.1　電動汽車發(fā)展的必然性  001
1.1.2　電動汽車發(fā)展面臨的技術(shù)瓶頸  001
1.1.3　動力電池熱管理技術(shù)  002
1.2 動力電池熱管理功能要求  004
1.3 動力電池熱管理技術(shù)分類  005
1.3.1　以空氣為介質(zhì)的電池熱管理系統(tǒng)  005
1.3.2　以液體為介質(zhì)的電池熱管理系統(tǒng)  005
1.3.3　以相變材料為介質(zhì)的電池熱管理系統(tǒng)  006
1.3.4　其他熱管理系統(tǒng)  007
1.4 電池熱管理關(guān)鍵材料  008
1.5 涉及的傳感器技術(shù)  009
參考文獻  010

第2章 動力電池熱-電化學特性  011
2.1 動力電池的電化學特性  011
2.1.1　動力電池基礎(chǔ)電化學性能參數(shù)  011
2.1.2　動力電池性能衰退機理及影響因素分析  014
2.2 動力電池產(chǎn)熱特性  017
2.2.1　溫度對電池產(chǎn)熱的影響  017
2.2.2　動力電池產(chǎn)熱量來源  019
2.3 動力電池熱-電化學特性關(guān)聯(lián)性  020
2.3.1　熱-電化學特性交互關(guān)系理論基礎(chǔ)  020
2.3.2　磷酸鐵鋰電池熱-電化學特性關(guān)聯(lián)性  021
2.3.3　三元系動力鋰電池熱-電化學特性關(guān)聯(lián)性  026
2.3.4　新型動力電池熱-電化學特性關(guān)聯(lián)性  032
2.4 超級電容器熱-電化學特性  034
2.4.1　超級電容器簡介  035
2.4.2　超級電容器產(chǎn)熱  036
2.4.3　超級電容器熱-電化學特性  039
參考文獻  042

第3章 動力電池量熱方法及測試設備 045
3.1 加速量熱儀  045
3.1.1　設備介紹  045
3.1.2　測試原理  046
3.1.3　測試案例  047
3.2 等溫量熱儀  050
3.2.1　設備介紹  050
3.2.2　測試原理  051
3.2.3　測試案例  052
3.3 差示掃描量熱儀  054
3.3.1　設備介紹  054
3.3.2　測試原理  054
3.3.3　測試案例  056
3.4 其他量熱測試設備  057
3.4.1　水量熱儀  057
3.4.2　錐形量熱儀  058
參考文獻  060

第4章 動力電池風冷系統(tǒng) 061
4.1 風冷系統(tǒng)分類與應用  061
4.1.1　被動/主動式風冷系統(tǒng)  061
4.1.2　串行/并行式風冷系統(tǒng)  062
4.2 風冷系統(tǒng)前沿研究現(xiàn)狀  063
4.2.1　電池布局方式  063
4.2.2　設置擾流結(jié)構(gòu)  063
4.2.3　優(yōu)化流道形狀  064
4.2.4　風冷耦合方式  066
4.3 風冷創(chuàng)新設計示例  066
4.3.1　系統(tǒng)概念設計  066
4.3.2　系統(tǒng)模型構(gòu)建  068
4.3.3　溫控性能優(yōu)化  069
參考文獻  073

第5章 動力電池液冷系統(tǒng) 075
5.1 液冷系統(tǒng)分類與應用  075
5.1.1　被動式與主動式液冷  075
5.1.2　非接觸式與接觸式液冷  076
5.1.3　液冷流體工質(zhì)簡介  077
5.2 板式液冷系統(tǒng)  077
5.2.1　液冷板類型  077
5.2.2　板式液冷放置形式  078
5.2.3　板式液冷進出形式  079
5.2.4　板式液冷流道形式  080
5.2.5　板式液冷尺寸形式  081
5.3 管式液冷系統(tǒng)  082
5.3.1　直管式冷卻  082
5.3.2　環(huán)繞式冷卻  082
5.4 直冷式液冷系統(tǒng)  083
5.4.1　直冷式工作原理  083
5.4.2　制冷劑物性參數(shù)  084
5.4.3　直冷式冷板設計  086
5.4.4　直冷式應急冷卻  087
5.5 浸沒式冷卻系統(tǒng)  088
5.5.1　浸沒工質(zhì)  088
5.5.2　單相流體  092
5.5.3　多相流體  092
5.5.4　浸沒式設計示例  093
5.6 工程實例  095
參考文獻  096

第6章 相變冷卻技術(shù)及材料 099
6.1 相變材料簡介  099
6.2 相變材料的分類  100
6.2.1　以相變形式分類  100
6.2.2　以相變溫度范圍分類  100
6.2.3　以材料成分分類  101
6.3 定形相變材料制備方法  104
6.3.1　多孔基體吸附法  104
6.3.2　熔融共混法  104
6.3.3　原位聚合法  105
6.3.4　微膠囊法  105
6.4 相變材料電池熱管理技術(shù)  105
6.4.1　增強復合相變材料的導熱性能  106
6.4.2　增強復合相變材料的電絕緣性能  107
6.4.3　增強復合相變材料的力學性能  107
6.4.4　增強復合相變材料的阻燃性能  108
6.5 相變材料耦合二次散熱技術(shù)  109
6.5.1　PCM耦合空冷散熱  109
6.5.2　PCM耦合液冷散熱  109
6.5.3　PCM耦合熱管散熱  110
6.5.4　PCM耦合其他金屬器件  111
6.5.5　技術(shù)耦合存在的問題  111
參考文獻  112

第7章 電池低溫加熱技術(shù)和材料 114
7.1 低溫加熱技術(shù)  114
7.2 外部加熱  115
7.2.1　空氣加熱  115
7.2.2　液體加熱  116
7.2.3　電阻加熱  117
7.2.4　熱泵加熱  118
7.2.5　PCM加熱  119
7.2.6　其他外部加熱技術(shù)  120
7.2.7　外部加熱技術(shù)總結(jié)  123
7.3 內(nèi)部加熱  123
7.3.1　內(nèi)部自加熱  124
7.3.2　相互脈沖加熱  125
7.3.3　自熱式鋰離子電池  125
7.3.4　交流電加熱  127
7.3.5　內(nèi)部加熱技術(shù)總結(jié)  128
7.4 電池加熱系統(tǒng)的材料應用  129
參考文獻  131

第8章 電池熱安全中的傳感器技術(shù) 134
8.1 電池管理系統(tǒng)中的傳感器技術(shù)  134
8.2 電池安全性能傳感器技術(shù)  135
8.2.1　電流傳感器技術(shù)  135
8.2.2　電壓傳感器技術(shù)  137
8.2.3　溫度傳感器技術(shù)  138
8.2.4　濕度傳感器技術(shù)  139
8.2.5　應力應變傳感器技術(shù)  141
8.3 電池安全預警傳感器技術(shù)  143
8.3.1　氣壓傳感器技術(shù)  143
8.3.2　多類氣體傳感器技術(shù)  143
參考文獻  147

第9章 多物理場耦合仿真技術(shù)與方法 149
9.1 仿真技術(shù)與仿真軟件  149
9.1.1　動力電池仿真技術(shù)  149
9.1.2　商用仿真軟件 ANSYS 和 COMSOL  150
9.2 共軛傳熱與流動模型介紹  151
9.2.1　共軛傳熱簡介  151
9.2.2　共軛傳熱應用  151
9.2.3　流體流動模型  151
9.3 動力電池熱-電化學模型介紹  153
9.3.1　電池產(chǎn)熱與熱失控模型  153
9.3.2　電池等效電路模型  156
9.3.3　老化模型  157
9.4 雙電位MSMD電池模型理論  159
9.4.1　概述  159
9.4.2　NTGK方法  159
9.4.3　Newman’s P2D方法  160
9.5 主動式電池熱管理模擬  163
9.5.1　基于強制風冷的熱管理系統(tǒng)模擬案例  163
9.5.2　基于液體冷卻的熱管理系統(tǒng)模擬案例  169
9.5.3　混合式電池熱管理系統(tǒng)模擬案例  173
9.6 被動式電池熱管理模擬  184
9.6.1　相變傳熱與熔化凝固理論  184
9.6.2　基于相變材料的模擬案例  187
9.6.3　基于熱管的電池熱管理案例  193
9.7 電池熱失控模擬與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計  199
9.7.1　電池熱失控模擬  199
9.7.2　結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計  201
參考文獻  208

第10章 熱管理及隔熱防護材料 212
10.1 整車電池包熱管理材料  212
10.1.1　導熱材料  212
10.1.2　密封材料  215
10.1.3　結(jié)構(gòu)支撐材料  216
10.2 電池災害防護材料  217
10.2.1　防火阻燃材料  217
10.2.2　電池滅火材料  218
10.2.3　隔熱防護材料——氣凝膠  221
參考文獻  224

第11章 熱管理系統(tǒng)中的換熱器組件 226
11.1 換熱器組件  226
11.1.1　換熱器種類  226
11.1.2　結(jié)構(gòu)設計  228
11.1.3　換熱效率  234
11.2 換熱器制造  236
11.2.1　工藝流程  236
11.2.2　質(zhì)量控制  240
11.3 典型失效模式  242
11.3.1　主板開裂  242
11.3.2　板式換熱器內(nèi)漏  243
11.3.3　腐蝕失效  244

第12章 整車熱管理運行及實踐 246
12.1 整車熱管理的戰(zhàn)略意義與發(fā)展前景  246
12.1.1　戰(zhàn)略意義  246
12.1.2　整車熱管理系統(tǒng)的研究范圍與研究目標  248
12.1.3　整車熱管理系統(tǒng)的主要對象與關(guān)鍵技術(shù)  249
12.2 整車熱管理的控制理念與分類  250
12.2.1　熱管理系統(tǒng)的控制理念  250
12.2.2　整車熱管理系統(tǒng)的分類  253
12.3 熱管理系統(tǒng)的功能安全設計  259
12.3.1　診斷功能設計  259
12.3.2　零部件故障診斷  259
12.3.3　制冷系統(tǒng)診斷策略  262
12.3.4　故障出現(xiàn)后的處理  262
12.3.5　例程控制(0x31routine)  263
12.4 熱管理的典型工況與案例分析  264
12.4.1　熱管理系統(tǒng)的典型工況  264
12.4.2　經(jīng)典案例分析  268

第13章 其他動力運載工具 275
13.1 飛行汽車  275
13.1.1　飛行汽車的分類  275
13.1.2　飛行汽車發(fā)展的瓶頸問題和核心技術(shù)  276
13.1.3　動力電池熱管理技術(shù)在飛行汽車上的應用  277
13.1.4　飛行汽車的發(fā)展前景  278
13.2 電動船舶  278
13.2.1　電動船舶結(jié)構(gòu)  279
13.2.2　電動船舶電池系統(tǒng)及安裝規(guī)范  280
13.2.3　動力電池熱管理技術(shù)在電動船舶上的應用  281
13.2.4　電動船舶發(fā)展前景與展望  283
13.3 電動無人機  283
13.3.1　無人機能源控制系統(tǒng)  285
13.3.2　電池熱管理系統(tǒng)  287

參考文獻  290

附錄 292