概 述
与传统燃油汽车的热管理主要集中在发动机舱不同，电动汽车的热管理不仅出现在电机和传动系统上，也出现在作为储能介质的电池上。
一方面，热管理对电池的寿命有着重大的影响。Hingordni的研究表明，电池的化学反应速率与温度呈几何级数关系曲线，温度每上升10 ℃，电池内部的电化学反应速率将加倍。Somogye的研究表明，镍氢电池长期工作在 45 ℃ 下，其循环寿命 将减少 60% 。
另一方面，电池热管理也决定了汽车的功率。Todd M．Bandhauer 等开展了关于锂离子电池在高温环境下使用情况的研究，其结果表明过高的温度将导致电池内部某活性物质的惰性转变及欧姆热阻的增长，使电池的充放电容量和功率等出现不同程度的降级。
因此，电池热管理系统是具有很高研究价值的问题，一是要控制不同单体电池的工作温差，使电池组具有的一致性的温度。二是要控制电池的工作温度，对其使用寿命和使用性能进行制约。
电池热管理技术分类
为实现较低的工作温差和热量积累，需要根据车辆运行过程中释放的总热量以及电池类型的不同，采取不同的热管理策略，一般分为风冷、液冷、相变材料冷却、热管冷却。
根据需要，有时会采取多种冷却技术的配合使用。例如液冷系统，一般也采用风冷的方式给冷却液散热。由于液体介质的比热容、对流换热系数远大于空气，相比于单独使用风冷，电池的热量能够更快速地被带走。
早期的电动汽车使用较为简单的风冷技术，分为自然风冷和强制风冷，按照风道进行划分，则可以分为并行通风和串行通风。日本的混合动力汽车厂商 Prius 和Insight采用串行通风的方式冷却电池组，其后 Pesaran等分别采用串行通风和并行通风两种方式对电池组进行冷却。风冷的散热能力有限，从冷却介质的物理特性来看，空气的对流换热系数为5~25（自然对流）、20~300（强制对流），水的对流换热系数为200~1000（自然对流）、1000~15000（强制对流），专用的冷却液性能则会更好。
相变材料冷却是通过相变材料，在相变过程最后产生的恒温特点和相变潜热特性，对电池中产生的热量进行吸收。以水为例，水存在三种相态形式分别为普通液态水、固态冰和气态水蒸气。三种相态间的转化称为相变，而相变过程中伴随放热或吸热，液态水蒸发吸热，水蒸气冷凝放热。新能源汽车即利用蒸发吸热、冷凝放热原理，在冷却部件内部水蒸发吸热吸收热量，冷却部件外冷凝放热向环境散发热量，散热降温后的水再次送入冷却部件吸收热量，如此循环往复保证冷却部件在正常温度工作。
热管冷却导热性高、等温性能高、热流密度可控的特点，但是其制造材料与技术工艺不成熟，主要应用于军工航天事业。而且热管产品使用寿命不高，不适合在新能源汽车上使用。
电池热管理性能研究方法
目前，液冷是市面上主流车型中最常见的电池散热方式，电动汽车动力电池组液冷系统研究进展迅速，主要研究方向集中在电池组和液冷水管的排布。
针对圆形动力电池，楼英鸾提出了梅花形排列的电池组排布方式，并做了相关的模拟和实验，结果表明采用梅花形排列的电池组的温度场分布较原来有所改善，但是整体的温差仍然高于5 ℃。眭艳辉等做了电池组叉排排列和梯形排列的模拟和实验，结果表明梯形排列的电池组较好地满足了混合动力汽车使用的动力电池组的冷却要求。
此外，也能对冷却液流量和入口温度、放电倍率进行优化。冷却液流量越大、入口温度越低，电池经过一段时间工作后的最高温度越低。
电池的放电倍率越高，耗散的热量就越多，因此需要将放电倍率与冷却系统的性能进行匹配，确保不同工况下，电池都能保持合适的工作温度。
结 语
电动汽车作为未来主流的交通工具，其能源利用效率、零部件耐久性以及安全性具有重要的研究价值。动力电池作为电动汽车最主要的能量耗散的组件之一，其冷却系统在电动汽车工作性能、工作效率和经济性上扮演着重要的角色。
镍氢电池的现状与发展方向一、小型Ni-MH电池的现状与发展方向
1.市场趋势
镍氢电池于1988年进入实用化阶段，1990年在日本开始规模生产，此后产量成倍增加。目前在日本，三洋、松下和东芝形成了三足鼎立的局面，所占市场份额分别为40%、30%和20% ，生产能力已达到1500万只/月。最近报道，三洋公司出资9000万美元购买了东芝镍氢电池生产线，使三洋公司镍氢电池的生产能力占日本总生产能力的60%以上。
表1 1997年日本对镍氢电池市场的推测与实际产量
年
1997
1998
1999
2000
2001
推测值
478
571
594
638
639
实际产量
641
754
783
696
-
从表1中可以看出，Ni-MH电池实际产量一直超过市场推测值，这表现了Ni-MH电池良好的发展态势。?
我国在“863”计划推动下，用于信息领域的镍氢电池产业已初步形成。目前我国小型镍氢电池的生产能力已达到1.6亿只/年。1998年国内生产量已达5000万只。AA型镍氢电池容量已达1600mAh，研究水平进入国际先进行列，并取得了一系列有创新性的技术成果。建立了一条中试示范生产线，两条生产示范线，并带动了一批镍氢电池生产企业的发展。?
2.性能状况
能量密度
体积比能量：提高材料性能和增加电池内填充密度，镍氢电池体积能量密度从1990年的180W h/L增长到1997年的360Wh/L，与锂离子电池相当。镍氢电池的高比能量使其在移动电话、笔记本电脑等领域内具有非常大的竞争力。?
质量比能量：从开始的55Wh/kg上升到77Wh/kg，但电池的单位质量仍然是锂离子电池的1.5倍。目前轻型贮氢合金如V-Ni基和Mg-Ni基合金正在开发研究之中。
电池的成本
成本已降低至最初的1/3，几乎达到了与镍镉电池相同及低于锂离子电池成本的1/2。?
功率特性
在保持镍镉电池1.5倍的能量密度前提下，放电性能从5C率提高到20C率。现在，高功率镍氢电池已经进入长期被镍镉电池垄断的电动工具市场。环境保护对镍镉电池的限制给镍氢电池提供了一个很好的进军电动工具市场的机会。这个市场大约需电池5亿只/年。目前，提高Mm-Ni5基合金功率特性的研究正在进行。高功率镍氢电池已经在HEVs找到了新的市场。
3.发展方向?
在小型二次电池领域，Ni-MH电池在市场竞争中面临镍镉电池和锂离子电池两面夹击。在价格方面镍镉电池占据优势；在比能量方面Ni-MH电池不如锂离子电池，在与镍镉电池的竞争中，Ni-MH电池通过实现规模化生产，降低了生产成本，迅速取代了部分镍镉电池市场，并在近年来发展迅猛的移动通讯、便携式电脑领域站稳脚跟。为了与锂离子电池竞争，Ni-MH 电池正在向高容量化方向发展。目前，AA电池容量已达1400～1800mAh，4/3A电池容量达到3 500～4500mAh，体积比能量达360Wh/L以上，已超过了目前锂离子电池产品。表2为近年来日本东芝公司镍氢电池容量上升情况。
表2 日本东芝公司镍氢电池容量上升情况(mAh)
电池型号
1997年
1997～1998年
1999年
AAA
590
700
800
L-AAA
690
800
900
4/5AA
1120
1300
-
AA
1280
1500
1600
4/3A
3500
4000
4500
日本汤浅(Yuasa)公司圆筒型AAA750型(单4型)镍氢电池达到世界最高容量，AAA850型将于今年10月开始上市出售(样品已于5月开始出厂)。该电池可与锂离子电池匹敌，具有优良的体积能量密度和耐高温性能、自放电量与原来的产品相比减少了1/2?。同时采用该公司具有专利权的游离球状镉和高密度氢氧化镍活性物质。?
虽然镍氢电池的体积比能量已超过了锂离子电池，但其质量比能量仍然低于锂离子电池，所以轻型贮氢合金和高比容的正极活性物质正在开发之中，以提高镍氢电池的质量比能量。
表3 日本汤浅(Yuasa)公司高容量电池的技术指标
型号
形式
电压
容量
AAA750
单
1.2V
750mAh(Lowest700mAh)
AAA850
-
1.2V
850mAh(Lowest800mAh)
另外，由于移动电话继续向小型化、低电压趋势发展，AAAA型Ni-MH电池产品现已问世。?
总之，小型Ni-MH电池将朝着低成本化、高容量化、轻型化、新品种化等方向发展。?
二、镍氢动力电池的现状与发展方向
1.电动车用动力电池
发展背景
除作为电子信息领域迫切需求的小型移动电源外，镍氢电池可能成为电动车的电源之一。?
近年来，人们对城市空气质量及地球石油资源危机等问题日趋重视，保护环境，节约能源的呼声日益高涨，促使人们高度重视电动车及其相关技术的发展，美国、法国、中国的上海市等均相继通过立法限制燃油车，大力发展电动车。?
受国情影响，欧美等发达国家如美国、德国、法国、日本等国家开发的电动车以电动汽车为主，同时包含一部分电动摩托车和电动自行车；发展中国家尤其是中国内地以及中国的台湾 、香港地区，近期的电动车市场主要为电动摩托车和电动自行车。据统计，国内已有200家 公司、企业着手小型电动车的开发、生产和应用，同时，部分单位开展了电动汽车的开发应用。?
迄今为止，制约整个电动车行业发展的主要因素是电动车用电池。从20世纪90年代初，日本 、美国、法国、德国等国家纷纷制定了相应的电动汽车用动力电池发展计划，如美国能源部(DOE)、国家电源研究所与通用、克莱斯勒、福特三大汽车公司组成的先进电池联合体(USABC)于1991年底签定一项协定，计划在4年中投资262亿美元用于电动车电池的开发，现第一阶段的合同已完成，其中以Ni-MH动力电池为中期发展目标的DOE-USABC计划指标基本达到，1997年底，GM-Ovonic公司已开始批量生产Ni-MH动力电池，并装备了30辆Chevy S-10电 动汽车进行试车运行；1998年该公司又进一步扩大了Ni-MH动力电池的年产量，日本政府也 有一个由11家公司参加的投资近16亿美元的计划，开发电动车用蓄电池。?
根据美国USABC和日本公司对各种电动车用电池的性能以及发展潜力比较论证，综合考虑电池的可靠性、安全性、电池材料的资源与环境问题以及电池性能的发展趋势，确定镍氢电池是近期和中期电动车用首选动力电池。?
电池的开发研究状况
美国Ovonic公司开发了从20Ah至150Ah系列高能方形密封镍氢电池(吸氢合金为AB2系)，电池能量密度可达70～90Wh/kg，已在电动助力车、摩托车、工具车和4人座轿车上试用。另外 ，美国Ovonic公司与通用公司合作开发的HEV-20(20Ah)、HEV-30(30Ah)、HEV-60(60Ah) ，均为方形密封高功率型电池。?
日本松下公司开发了HEV-6.5电池(6.5Ah)，其功率密度高达500W/kg。 1996年松下与丰田合作推出EV-95(容量100Ah)电池用于RAV电动车，一次充电可行驶215km ，最高时速125km；松下、汤浅、东北电力/古河公司分别推出电动汽车用95～100Ah方型镍氢电池；1999年日本研制的高能型镍氢动力电池驱动一辆四轮5座电动轿车，一次充电行驶距离达500km，平均时速100km，将于6月份进行2万km的环球旅行。1998年“京都新闻”报道日本蓄电池公司首次推出电动汽车用100Ah镍氢圆柱型电池，输出功率达200W/kg。电池直径 57mm，高230mm，耐压能力是方型电池的5倍。该电池可能成为EV的候选电池之一；松下、汤 浅、古河公司分别推出电动汽车用95～100Ah方形Ni-MH电池；1999年3月，三洋公司将D型7Ah Ni-MH电池用于电动助力自行车，投放市场5000辆。表4为松下电动车用镍氢电池的主要性能指标。
表4 日本松下电动车用镍氢电池的主要技术指标
性能参数
EV-95
EV-28
HHR650D
标称电压/V
12
12
7.2
标称容量/Ah
95
28
6.5
比能量/Wh·kg-1
63
58
41
比功率(80%DOD)/Wh·kg-1
200
300
500
质量/kg
18.7
6.0
1.1
尺寸/mm
116×175×388
75×110×388
φ34×380
德国Varta公司开发的HEV-10(10Ah)电池，其能量密度为50～70Wh/kg，功率密度为500W/kg 。?
法国Saft公司开发研制的电池，容量为100Ah，电池能量密度在50～70Wh/kg之间。?
我国的北京有色金属研究总院早在20世纪80年代末就对电动车用Ni-MH动力电 池及其相关材料进行了大量研究，1993年成功运行由0.84kWh(35Ah，24V)动力电池组带动的电动三轮车；1996年又运用14.4kWh(120Ah，120V)电池组，在国内首次成功驱动电动汽车。 在国家“863”计划支持下，开展了系列密封Ni-MH动力电池的开发工作，电池比能量均达到50～70Wh/kg。我国开发的系列小型圆柱型动力电池已装配电动助力车投放市场。
开发动向及趋势
大容量(高比能型)Ni-MH动力电池仍占据重要地位，它主要用于纯电动汽车(EVs)。虽然纯动汽车目前离商品化 还有一段距离，但各国都投入大量的财力、物力进行研究开发。其中美国的Ovonic、法国的Saft、德国的Varta、日本的古河、汤浅、松下等公司在此方面开展工作较多，表5为国外几家公司研究机构开发的电动车用大容量Ni-MH动力电池的性能情况。?
目前，美国Ovonic公司已与通用公司、日本松下已与丰田公司合作计划实现电动车用Ni-MH 动力电池的产业化。
表5 电动车用大容量Ni-MH动力电池性能情况对比
公司名称
电池容量/Ah
电压/V
电池尺寸/mm
电池比能量/Wh·kg-1
美国Ovonic公司
100，90，50
13.2，13.2，12
412×102×179
70，70
Saft法国公司
100
12
390×120×195
60
日本古河电池公司
100
12
280×165×205
60
日本汤浅公司
97
12
388×116×175
65
日本松下电池公司
100
12
388×116×175
70
混合型电动车(HEV)的发展促进了高功率Ni-MH动力电池的发展。混合型电动车被认为是目前最实用、最具有前景的清洁车型。日本松下与丰田合资生产的混合型电动汽车采用1.4L高效发动机，6.5Ah电池240只串联，电池组总重40kg，耗油下降1倍，行程700多公里，排污为汽油机的1/20。该混合型电动汽车于1997年上市，现月产5000辆，售价每辆215万日元。据估计到2010年，将生产150万辆电动汽车，其中95%将为混合型电动汽车。美国能源部调查结果也表明，HEV将成为市场的主流产品。估计2020年HEV将占世界汽车总数的50%。据日 本野村综合研究所分析，镍氢电池由于技术成熟，今后5年内(2005年前)，HEV所用电池将以镍氢电池为主(占95%)，从2006年至2020年锂离子电池的应用比例将上升至40%，镍氢电池仍将占60%，高功率Ni-MH电池成为今后发展的趋势。表6为近年来高功率型Ni-MH动力电池的开发情况。?
德国Varta公司也开发了HEV-10混合型电动车用高倍率(HP)及超高倍率(UHP)Ni-MH动力电池，研制的电池最高比率可达800W/kg(UHP)。
表6 高功率Ni-MH动力电池开发概况
美国Ovonic公司(方形电池)
日本National公 司(圆柱形电池)
150Ah:290W/kg,800W/L120Ah:355W/kg,1100W/L90Ah:225W/kg,600W/L 60Ah:630W/kg,1700W/L 30Ah:600W/kg,1450W/L20Ah:570W/kg,1600W/L
6.5Ah/1.2V:530W/kg,1820W/L6.5Ah/7.2V:500W/kg,1730W/L
为使Ni-MH动力电池尽快步入商业化应用，在考虑动力电池大容量，又必须兼顾电池高功率，同时希望将现有成本下降1/3以上。如此综合因素促使人们不仅在原材料及电池结构上开展大量艰苦的研究工作，同时也在不断探求能否以更加新型的方式研制出新型的Ni-MH动 力电池。目前美国能源公司开发了一种用于电动车的双极型Ni-MH动力电池。这种电池成本为158美元/kWh?，批量生产后还可以进一步降低，而且该电池具有优良的高倍率放电特性，同时寿命长、不漏液。
近年来我国研究开发的热点是电动自行车用Ni-MH动力电池。由于我国是自行车生产大国， 自行车的保有量上亿辆，若其中10%能成为电动自行车，对电池的需求量将十分可观，市场发展潜力巨大。目前，由于成本及技术成熟度等问题，国内研制的电动助力车采用的动力电池大多为铅酸电池和镍镉电池，进一步降低镍氢电池的成本及提高电池性能的稳定性，才能迅速抢占此巨大市场。?
2.电动工具用动力电池
电动工具市场长期以来被具有高倍率放电特性的镍镉电池垄断。由于该电池负极材料镉有剧毒，对环境造成污染，世界各国将禁止使用。由于电动工具市场的庞大，大约需电池5亿只/年，因此世界各国都在致力于开发电动工具用镍镉电池的替代品。绿色环保型镍氢电池与镍镉电池具有互换性，且容量密度是其1.5倍以上。随着Ni-MH电池制备技术的日益成熟 ，其高功率特性也得到很大提高。所以，电动工具电池市场不久的将来会被镍氢电池所挤占 。?
目前，日本松下推出HHRSc 300P 3500mAh镍氢电池性能将是镍镉电池电动工具市场的取代品 。美国发展了SC型电池，容量可达到2.2～2.4Ah，且能在10～20C率放电，因此已进入电动工具市场，逐步取代高功率镍镉电池。永备公司的2.2Ah Ni-MH电池已实用化，它比镍镉电池在电动工具中的工作能力有显著提高。德国Varta公司也开发了用于电动工具的超高功率型(UHP)Ni-MH电池。我国的天津津川公司、江苏海四达、广东佳力等开发 出电动工具用高倍率放电的Ni-MH电池，并已开始投放市场。?
中国电动工具生产量占世界总产量的30%。而且每年对欧美均有大量的出口。2003年欧洲不再允许使用镍镉电池，这给镍氢电池提供了一个良好机会。目前世界各国Sc、C、D型电池由于热平衡问题均未得到很好解决，因此生产规模均未形成。我们必须抓住这一大好时机，抓紧高功率Ni-MH电池的研制，才能在市场竞争中取得有利地位
三、镍氢电池领域的主要技术发展趋势
研究低成本、高性能、高稳定性贮氢合金材料，使其对提高比能量和比功率有明显作用。如低钴廉价动力电池用贮氢合金的研制，以及准快速冷凝贮氢合金生产新工艺的研究。?
研究高表面导电性Ni(OH)2材料如表面镀Co(OH)2技术，进一步提高正极的利用率和高倍率放电性能。目前，我国研制的覆铅球型Ni(OH)2、5C放电容量超过国标高倍率放电容量标准的15%；清华大学研制的球型a?Ni(OH)2，放电电压几乎100%都在1.2V以上。?
随着市场的需求，新型绿色环保型镍氢电池正朝着高容量、小型化、高功率方向发展。镍氢电池产业将成为21世纪能源领域的重大产业之一。镍氢电池产业的发展可获得城市环境的改善，使国民经济可持续发展；有助于移动通讯，无污染电动车等的高新技术产业的发展；将带动上游原材料工业的发展。如为配套23亿Ah的镍氢电池产业，将年耗混合稀土金属7636吨，金属镍22599吨，金属钴3882.7吨，金属锰1725吨，金属铝287.5吨。建立镍氢电池回收体系，将有利于保护环境和充分利用有色金属资源。（来源：中国稀土网）
