动力电池热管理技术及关键材料

《动力电池热管理技术及关键材料》一书重点介绍了动力电池热管理技术的策略和方法，具体围绕动力电池热管理的基本情况、动力电池热-电化学特性、动力电池量热方法及测试设备、动力电池风冷系统、动力电池液冷系统、相变冷却技术及材料、电池低温加热技术和材料、电池热安全中的传感器技术、多物理场耦合仿真技术与方法、热管理及隔热防护材料、热管理系统中的换热器组件、整车热管理运行及实践、其他动力运载工具等内容展开，旨在通过跨学科、跨专业的知识和方法剖析热管理技术，为实现动力电池安全性提供理论与技术支持。
本书注重理论联系实际，充实理论，加强应用，不仅可作为高等学校能源与动力工程、新能源科学与工程、储能科学与工程、材料工程等专业的教材，还可作为动力电池、新能源汽车等相关行业的工程技术人员、科研人员和管理人员的参考书。

张国庆，广东工业大学教授，于2022年度获教书育人奖。曾主持或参与过的重点项目包括国家国际科技合作专项（中国和以色列合作项目、中国和日本合作项目）、国家863科技计划项目、粤港关键领域重点突破招投标项目、广东省新能源汽车重大专项、华为技术有限公司委托项目及美国国际铜专业委员会全球招标项目等50多项。累计发表论文150余篇，其中SCI论文90余篇。申请专利90余件，其中授权发明专利40余件。在科学出版社出版专著《电池热管理》。张国庆教授与多个知名龙头企业（华为、欣旺达、沃特玛、格力等）开展产学研深度合作，取得的经济和社会效益显著。前后共四次荣获广东省科学技术奖，其中，2020年度获广东省科技进步奖一等奖。

电池热管理是以提升电池整体性能为目的的新技术，本书主要介绍了动力电池热管理技术的概况、电池的热电特性、电池量热及测温设备及方法、自然冷却及风冷、液体冷却技术和应用、相变冷却技术及材料、电池低温加热技术和材料、电池热管理中的传感技术、电池热管理模拟仿真技术与方法、整车热管理系统特点分析、电动无人机电池及热管理、整车电池热管理运行实践等内容。 多学科深度融合，产学研跨界聚力 精心打造的一部动力电池热管理“小百科” ★系统整理基础知识体系 ★高效热管理系统的功能、实现方法、性能要求 ★热管理和热安全领域的技术标准 ★动力电池热-电化学特性 ★动力电池量热方法及测试设备 ★聚焦热管理关键技术及材料 ★动力电池风冷系统、动力电池液冷系统、相变冷却技术及材料 ★热电制冷、热管热管理系统、混合式热管理系统 ★电池低温加热技术及材料 ★整车电池包热管理材料 ★电池灾害防护材料 ★电池安全性能传感器技术与电池安全预警传感器技术 ★多物理场耦合仿真技术 ★详解整车热管理系统开发设计 ★换热器组件设计制造及典型失效模式分析 ★整车热管理系统典型工况与知名车企案例分析 ★多种类型动力运载工具电池热管理系统分析：飞行汽车、电动船舶、电动无人机

全球环境污染、能源短缺和气候变化问题日益加剧，这关乎着人类社会的可持续发展。我国能源结构调整和可再生能源发电占比的大幅度提升是实现“双碳”目标的重要路径，同时将无可置疑地发挥出电动汽车所具备的环境友好、节能减排等优势。近几年来，我国电动汽车产销量呈现爆发式的增长，新能源汽车市场渗透率已经超过了四分之一，2030年有望超过二分之一。然而，考虑到电动汽车最本质的技术特征和各类电动车辆复杂的运行工况，目前的电动汽车仍然存在一些重大瓶颈问题需要尽快解决，比如安全性差、续驶里程短、充电慢、低温启动困难、造价及运维成本高等。其中，安全性是国内外广泛研究和关注的热点问题。
动力电池作为电动汽车的核心部件，其热安全性能直接影响整车安全运行。随着MTP（module to pack）、CTP（cell to pack）和CTC（cell to chassis）技术以及高压快充等新技术的出现，热安全成为现实的挑战。实现动力电池的低温加热、控制充电时温度快速升高并始终保持良好的温度一致性是实现电池安全的重要技术路径，这正需要本书重点涉及的动力电池的热管理技术策略和方法。
动力电池体系是高度关联的电化学、热学、机械、电学的耦合体系，动力电池的热管理技术同样需要跨学科、跨专业的知识和方法。本书共13章。第1章概论部分对高效热管理系统的功能、实现方法、性能要求以及热管理和热安全领域的技术标准进行了简要归纳和总结。第2章介绍了动力电池热-电化学特性。动力电池的电化学特性、产热行为、传热的边界条件及传热效果等问题是相互关联、相互影响的跨学科问题，不能采用单一的、割裂开来的研究方法。基于此认识，业界需要做出的最重要、简单的认知转变是，不能把电池简化为内热元的传热学问题。为做好电池热管理工作，动力电池的基本电化学性能参数（电压、电流、容量、比容量、能量以及比能量）及其测量计算方法是基础性的工作；而温度对电池性能的影响规律和机理、电池的产热机理及产热量的计算方法是电池热管理中的重要科学问题。对于不同电化学体系构成的已经产业化的动力锂电池及新型电池（钠离子电池、固态电池）的产热行为及电化学特性的交互关系研究和描述是丰富多彩的知识贡献。第3章对电芯量热测试设备和相应的测试方法进行了介绍。电池产热测量仪器的原理、功能特征、技术参数和测试案例的介绍，希望能对热设计工程师和研究者具有帮助作用。
第4～6章系统介绍了风冷、液冷和相变材料冷却基本原理、结构分类及工程应用案例。第7章介绍了电池低温加热技术和材料。第8章介绍了电池热管理中涉及的传感技术。
近年来，动力电池仿真技术在电池参数计算和性能预测方面得到了广泛应用。作为一个多尺度和多物理场共存的系统，锂离子电池的性能表现与多种物理/化学过程相关，致使其仿真模拟被进一步复杂化。因此，基于多物理场耦合构建高效精确的锂离子电池模型对于电池技术开发和工程应用具有重要意义。第9章介绍了多物理场耦合仿真技术与方法。
第10章的热管理及隔热防护材料部分，涉及了整车电池包热管理系统中运用到的导热材料、防火阻燃材料、防水密封材料以及结构支撑材料等。换热器作为新能源电动整车热管理系统中的核心组件，其结构设计、制造工艺及质量管控水平会直接影响到热管理系统的综合性能，是整车热管理系统开发设计中的关键核心技术。第11章主要从换热器组件、换热器制造及典型失效模式方面进行了详细介绍。
整车行业技术迭代速度空前加快，电动化和智能化趋势催生出对热管理系统的更高要求。新的电子电气架构使得热管理系统必须与之适应，包括更多元的管理对象、更精细的控制等，以应对持续革新的产业链。在这种背景下，热管理系统不仅要保证座舱舒适性，还要提高能效、延长续驶里程、保证热安全、强化散热、满足高性能需求等。诊断功能是整车热管理功能安全设计的重要组成部分，应能及时发现和处理系统故障，保证系统的可靠性和安全性。第12章对整车热管理运行及实践展开了具体描述。为使读者了解电动汽车热管理系统的测试标准和市场趋势，介绍了特斯拉、比亚迪以及大众ID车系的热管理系统设计思路和性能表现，并列举了部分品牌之间或车型之间在不同工况下的测试对比。
第13章对其他动力运载工具热管理系统的特点及热管理材料进行了详细介绍。
本书编写人员来自整车企业、电池企业、热管理材料企业、高等院校及测试机构。各章具体分工是：第1～3章由张江云、刘新健、齐创、林春景编写；第4～5章由吴伟雄、马瑞鑫编写；第6章由杨晓青、徐涵编写；第7章由李孟涵、杨晓青、莫崇茂编写；第8章由李新喜、刘俊源编写；第9章由吕培召、谢捷凯编写；第10章由王婷玉、杨晓青编写；第11章由黄新波、吕又付、孙博林、于吉乐编写；第12章由马书寒、王晓非、冯朝晖、聂昌达、吕又付、钱渊清编写；第13章由聂昌达、王婷玉、马书寒编写。吕培召和孙博林进行了统稿和校对工作。最后由张国庆、饶中浩、文玉良、梁锐进行定稿。
在编写过程中，东莞市硅翔绝缘材料有限公司戴智特、广州晖能新材料有限公司袁江涛、山东鲁阳节能材料股份有限公司鹿晓琨、杭州仰仪科技有限公司邱文泽、巩义市泛锐熠辉复合材料有限公司张继承、广东海之澜新材料科技有限公司李振平等提供了各自细分领域的最新的知识。王晓勇、黄艇、冯旭宁、邵丹、蒋立琴审阅和修改了部分章节。在此表示真诚的感谢!
本书涉及的部分研究内容和成果，许多来自编委会成员团队多年的工作积累，这些工作最早可追溯到2010年，国际铜业协会从此开始了对我们长达12年的持续支持和厚爱。感谢科学技术部、国家自然科学基金委、广东省发展改革委、广东省科学技术厅、江苏省科学技术厅等对我们在电池热管理和热安全研究方向的持续支持。真诚感谢化学工业出版社编辑及相关人员在本书出版过程中付出的辛勤劳动。
尽管我们初心很完美，希望有能力使该书达到高的质量，但由于本书涉及跨学科领域的知识和技术很多，而我们自身的知识和能力有限，本书很多最新资料收集总结还不够完善，特别是对实际工程经验的总结不够全面，书中存在不足和疏漏之处在所难免，敬请有关专家与广大读者不吝赐教。

编者

第1章 概论 001
1.1 动力电池热管理的必要性  001
1.1.1　电动汽车发展的必然性  001
1.1.2　电动汽车发展面临的技术瓶颈  001
1.1.3　动力电池热管理技术  002
1.2 动力电池热管理功能要求  004
1.3 动力电池热管理技术分类  005
1.3.1　以空气为介质的电池热管理系统  005
1.3.2　以液体为介质的电池热管理系统  005
1.3.3　以相变材料为介质的电池热管理系统  006
1.3.4　其他热管理系统  007
1.4 电池热管理关键材料  008
1.5 涉及的传感器技术  009
参考文献  010

第2章 动力电池热-电化学特性  011
2.1 动力电池的电化学特性  011
2.1.1　动力电池基础电化学性能参数  011
2.1.2　动力电池性能衰退机理及影响因素分析  014
2.2 动力电池产热特性  017
2.2.1　温度对电池产热的影响  017
2.2.2　动力电池产热量来源  019
2.3 动力电池热-电化学特性关联性  020
2.3.1　热-电化学特性交互关系理论基础  020
2.3.2　磷酸铁锂电池热-电化学特性关联性  021
2.3.3　三元系动力锂电池热-电化学特性关联性  026
2.3.4　新型动力电池热-电化学特性关联性  032
2.4 超级电容器热-电化学特性  034
2.4.1　超级电容器简介  035
2.4.2　超级电容器产热  036
2.4.3　超级电容器热-电化学特性  039
参考文献  042

第3章 动力电池量热方法及测试设备 045
3.1 加速量热仪  045
3.1.1　设备介绍  045
3.1.2　测试原理  046
3.1.3　测试案例  047
3.2 等温量热仪  050
3.2.1　设备介绍  050
3.2.2　测试原理  051
3.2.3　测试案例  052
3.3 差示扫描量热仪  054
3.3.1　设备介绍  054
3.3.2　测试原理  054
3.3.3　测试案例  056
3.4 其他量热测试设备  057
3.4.1　水量热仪  057
3.4.2　锥形量热仪  058
参考文献  060

第4章 动力电池风冷系统 061
4.1 风冷系统分类与应用  061
4.1.1　被动/主动式风冷系统  061
4.1.2　串行/并行式风冷系统  062
4.2 风冷系统前沿研究现状  063
4.2.1　电池布局方式  063
4.2.2　设置扰流结构  063
4.2.3　优化流道形状  064
4.2.4　风冷耦合方式  066
4.3 风冷创新设计示例  066
4.3.1　系统概念设计  066
4.3.2　系统模型构建  068
4.3.3　温控性能优化  069
参考文献  073

第5章 动力电池液冷系统 075
5.1 液冷系统分类与应用  075
5.1.1　被动式与主动式液冷  075
5.1.2　非接触式与接触式液冷  076
5.1.3　液冷流体工质简介  077
5.2 板式液冷系统  077
5.2.1　液冷板类型  077
5.2.2　板式液冷放置形式  078
5.2.3　板式液冷进出形式  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 管式液冷系统  082
5.3.1　直管式冷却  082
5.3.2　环绕式冷却  082
5.4 直冷式液冷系统  083
5.4.1　直冷式工作原理  083
5.4.2　制冷剂物性参数  084
5.4.3　直冷式冷板设计  086
5.4.4　直冷式应急冷却  087
5.5 浸没式冷却系统  088
5.5.1　浸没工质  088
5.5.2　单相流体  092
5.5.3　多相流体  092
5.5.4　浸没式设计示例  093
5.6 工程实例  095
参考文献  096

第6章 相变冷却技术及材料 099
6.1 相变材料简介  099
6.2 相变材料的分类  100
6.2.1　以相变形式分类  100
6.2.2　以相变温度范围分类  100
6.2.3　以材料成分分类  101
6.3 定形相变材料制备方法  104
6.3.1　多孔基体吸附法  104
6.3.2　熔融共混法  104
6.3.3　原位聚合法  105
6.3.4　微胶囊法  105
6.4 相变材料电池热管理技术  105
6.4.1　增强复合相变材料的导热性能  106
6.4.2　增强复合相变材料的电绝缘性能  107
6.4.3　增强复合相变材料的力学性能  107
6.4.4　增强复合相变材料的阻燃性能  108
6.5 相变材料耦合二次散热技术  109
6.5.1　PCM耦合空冷散热  109
6.5.2　PCM耦合液冷散热  109
6.5.3　PCM耦合热管散热  110
6.5.4　PCM耦合其他金属器件  111
6.5.5　技术耦合存在的问题  111
参考文献  112

第7章 电池低温加热技术和材料 114
7.1 低温加热技术  114
7.2 外部加热  115
7.2.1　空气加热  115
7.2.2　液体加热  116
7.2.3　电阻加热  117
7.2.4　热泵加热  118
7.2.5　PCM加热  119
7.2.6　其他外部加热技术  120
7.2.7　外部加热技术总结  123
7.3 内部加热  123
7.3.1　内部自加热  124
7.3.2　相互脉冲加热  125
7.3.3　自热式锂离子电池  125
7.3.4　交流电加热  127
7.3.5　内部加热技术总结  128
7.4 电池加热系统的材料应用  129
参考文献  131

第8章 电池热安全中的传感器技术 134
8.1 电池管理系统中的传感器技术  134
8.2 电池安全性能传感器技术  135
8.2.1　电流传感器技术  135
8.2.2　电压传感器技术  137
8.2.3　温度传感器技术  138
8.2.4　湿度传感器技术  139
8.2.5　应力应变传感器技术  141
8.3 电池安全预警传感器技术  143
8.3.1　气压传感器技术  143
8.3.2　多类气体传感器技术  143
参考文献  147

第9章 多物理场耦合仿真技术与方法 149
9.1 仿真技术与仿真软件  149
9.1.1　动力电池仿真技术  149
9.1.2　商用仿真软件 ANSYS 和 COMSOL  150
9.2 共轭传热与流动模型介绍  151
9.2.1　共轭传热简介  151
9.2.2　共轭传热应用  151
9.2.3　流体流动模型  151
9.3 动力电池热-电化学模型介绍  153
9.3.1　电池产热与热失控模型  153
9.3.2　电池等效电路模型  156
9.3.3　老化模型  157
9.4 双电位MSMD电池模型理论  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 主动式电池热管理模拟  163
9.5.1　基于强制风冷的热管理系统模拟案例  163
9.5.2　基于液体冷却的热管理系统模拟案例  169
9.5.3　混合式电池热管理系统模拟案例  173
9.6 被动式电池热管理模拟  184
9.6.1　相变传热与熔化凝固理论  184
9.6.2　基于相变材料的模拟案例  187
9.6.3　基于热管的电池热管理案例  193
9.7 电池热失控模拟与结构优化设计  199
9.7.1　电池热失控模拟  199
9.7.2　结构优化设计  201
参考文献  208

第10章 热管理及隔热防护材料 212
10.1 整车电池包热管理材料  212
10.1.1　导热材料  212
10.1.2　密封材料  215
10.1.3　结构支撑材料  216
10.2 电池灾害防护材料  217
10.2.1　防火阻燃材料  217
10.2.2　电池灭火材料  218
10.2.3　隔热防护材料——气凝胶  221
参考文献  224

第11章 热管理系统中的换热器组件 226
11.1 换热器组件  226
11.1.1　换热器种类  226
11.1.2　结构设计  228
11.1.3　换热效率  234
11.2 换热器制造  236
11.2.1　工艺流程  236
11.2.2　质量控制  240
11.3 典型失效模式  242
11.3.1　主板开裂  242
11.3.2　板式换热器内漏  243
11.3.3　腐蚀失效  244

第12章 整车热管理运行及实践 246
12.1 整车热管理的战略意义与发展前景  246
12.1.1　战略意义  246
12.1.2　整车热管理系统的研究范围与研究目标  248
12.1.3　整车热管理系统的主要对象与关键技术  249
12.2 整车热管理的控制理念与分类  250
12.2.1　热管理系统的控制理念  250
12.2.2　整车热管理系统的分类  253
12.3 热管理系统的功能安全设计  259
12.3.1　诊断功能设计  259
12.3.2　零部件故障诊断  259
12.3.3　制冷系统诊断策略  262
12.3.4　故障出现后的处理  262
12.3.5　例程控制(0x31routine)  263
12.4 热管理的典型工况与案例分析  264
12.4.1　热管理系统的典型工况  264
12.4.2　经典案例分析  268

第13章 其他动力运载工具 275
13.1 飞行汽车  275
13.1.1　飞行汽车的分类  275
13.1.2　飞行汽车发展的瓶颈问题和核心技术  276
13.1.3　动力电池热管理技术在飞行汽车上的应用  277
13.1.4　飞行汽车的发展前景  278
13.2 电动船舶  278
13.2.1　电动船舶结构  279
13.2.2　电动船舶电池系统及安装规范  280
13.2.3　动力电池热管理技术在电动船舶上的应用  281
13.2.4　电动船舶发展前景与展望  283
13.3 电动无人机  283
13.3.1　无人机能源控制系统  285
13.3.2　电池热管理系统  287

参考文献  290

附录 292