动力电池热管理及散热技术研究进展

 

来源 | 上海鹰峰电子科技股份有限公司作者 | 洪英杰

 

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摘要：锂电池技术的逐渐成熟使之应用在各个行业中，其产品广泛应用在电网储能、智能家电、通讯储能、新能源汽车等领域。其中锂电池的热管理技术是电池组延长寿命、运行安全的重要保障。锂电池热管理系统对电池的安全和稳定性起着至关重要的作用，本文对现有的散热技术进行了广泛的介绍和阐述。首先总结了电池热量的产生、传热和热量分布，其次讨论了电池散热系统中风冷、液冷、热管和相变材料等四种方式的工作原理和特点，最后结合电池散热系统的发展需求，提出未来的散热系统发展方向和可实行的技术。 关键词：锂离子电池；热管理；传热系数；相变材料

 

1 引言

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随着经济的快速发展，新能源技术的不断开 发，电动汽车逐渐成为交通工具的主流趋势之一。锂离子电池作为电动汽车的主要动力源，对电动汽车的安全性、行驶里程、使用性能和寿命起着至关重要的作用。锂离子电池具有工作电压高、体积小、能量高、无记忆效应、循环寿命长等优点，已经成为了目前电动汽车中使用最广泛的电池之一。

为满足电动汽车高电压和大容量的需求，电池单体采用最常见的串并联相结合的方式进行使用。在电动汽车运行过程或充电过程中，电池处于充放电的环境，此时的电池温度会发生很大的变化。若不及时散热，热量在电池模块内持续积累， 会导致电池模块热量不断上升和不均匀扩散。锂电池内部化学成分耐热性较差，因此在高温下会加速反应，导致锂离子电池内部结构产生质变，最终造成严重的安全后果。同时，锂电池也不适合在低温环境下工作，低温下的锂电池活性会下降。因此， 需要一个高效的电池热管理系统(Battery thermal management system，BTMS)来保持适当的电池工作温度范围，以防止温度过高或过低所带来的不利影响。一般来说，电池温度每升高 10℃，内部化学反应速率增大一倍，其寿命减少一半。通过对容量为 1.8 A·h 的索尼 18650 锂电池的循环性能进行研究，结果表明，在 25 ℃和 45 ℃工作温度下锂电池进行 800 次充放电循环后，电池容量分别下降 31% 和 36%；当工作温度为 50 ℃时，500 次充放电循环后电池容量下降 60%。对于锂电池，工作温度超过 50 ℃，电池的使用寿命就会随之下降。电池的容量和功率可以用来表征电池性能的优劣，高温下由于锂电池内部的活性物质发生死区和析锂现象，导致电池的容量减少，而电池功率也因阻抗增加而降低。表 1 总结了锂离子电池容量的衰减和温度的关系，锂电池最佳工作温度范围是 25 ℃～40 ℃。

 

表 1 锂离子电池容量在不同温度条件下的衰减总结

随着电动汽车的发展和动力系统功率的不断提 升，电池组的密度也比以往增加更多，快速充电的需求导致电池在大电流充放电时产生更多的热量。在这种趋势下设计出合理的电池热管理系统成为焦点，需要在高温下进行快速散热、低温条件下能够进行加热或保温，以提升电动汽车的整体性能。

电池热管理系统可分为电池散热系统和电池加热系统，本文重点讲述电动汽车锂电池的散热系统。

目前较成熟的散热系统根据传热介质可分为四部分，分别为风冷、液冷、相变材料冷却 (Phase-change material，PCM)和热管冷却。电池散热系统分类如图 1 所示。

图 1 电池冷却系统分类

 

在电池散热系统方面，国内外学者已经进行了 相关整理和综述，主要侧重点为横向对比， 纵向对比涉及的较少。本文对电动汽车锂离子电池散热管理的研究进展进行了分析及梳理，总结了各研究学者在锂电池散热管理中所做出的努力以及优势，旨在未来进一步优化 BTMS，并提出前沿的技术进行指导。

本文第 2 节论述了锂电池的产热原理及模型， 第 3 节详细介绍锂电池不同散热系统的性能和优缺点。最后在第 4 节进行总结并对未来的散热技术发展方向做出了展望。

2 锂电池产热原理及模型

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2.1 电池产热原理分析

 

以锂离子电池为例，其产热来源主要有三种形式，分别为极化热( ) Qp 、内阻焦耳热（Qj )和化学 反应热( Qr )。(1) 极化热电池极化主要包括活性极化和浓差极化，在充放电过程中取正值。极化热公式为

式中，  J iLi 为锂离子交换的电流密度，ηi 为过电势, I 为电池充放电电流大小， Rp 为电池极化内阻。(2) 内阻焦耳热内阻焦耳热是电池充放电过程中最主要的热量来源。该值始终为正值，充放电过程中都产生热量， 公式如下所示

式中， Rϕ 为电池内阻之和。(3) 化学反应热化学反应热为锂电池内部因锂离子的活动而产 生的热量，在放电时热量取正值，充电时取负值。 反应热公式为

式中，H 为焓(J)，S 为熵(J/K)，G 为吉布斯自由能 (J)，ΔΔ Δ G H TS = − ，T 为热力学温度(K)，n为电子数， F 为法拉第常数。因此锂电池总产热量可以表示为

则电池平均产热速率可用V 来代替

式中，Q 为电池工作时间总的产热量(J)，t 为电池工作时间(s)。

 

2.2 电池热数学模型

 

分析电池热模型方法有很多，可通过物理机制 建立电热模型、电化学模型和热失控模型，也可通过不同维度建立电池一维对称、二维或三维模型。电热模型最初是由美国国家可再生能源实验室 的 Steve Burch 提出，后由 Johnson改进，模型的散热量计算为

式中， Reff 为有效热阻，即

式中，h为表面换热系数，由电池的温度决定，即

式(6)中电池周围的温度Tair 为

利用 Li-ion 电池的热滥用三维模型来模拟电池 热模型，模型的热源为

式中，q joul和q combustion  分别表示焦耳热与反应热， abuse q 为热滥用发生后额外的产热量，q sei为 SEI 分解反应产热，q ne为负极活性材料反应热，q pe 为 正极活性材料反应热，q ele 为电解液分解反应热，q nb为正负极之间的反应热。均由以下公式计算可得

式中，i = sei ne  , 时， x = c ，Wc 为特定体积的比碳 含量；i = pe 时， x = p ，Wp 为特定体积的正活性 成分；i = ele ， x = e ，We 为特定体积的电解质含 量；Ri，Ai，Ea，sei，Ea，pe，Ea，ete为反应参数，Hi 为比热释放量， csei为 SEI 中稳定的锂离子无量纲数量， cneg为碳中锂离子无量纲数量， tsei为 SEI 中锂离子的数量，α 为转换度， ele c 为电解质的无量纲浓度。

3 锂电池散热系统

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散热系统能够使电动汽车以最佳状态运行，为 确保锂电池的安全性、使用寿命和性能，需要对电池的温度进行实时监测和及时降温以避免动力电池的热失控。以下将对电池散热的几种不同方式进行详细介绍。

3.1 空气冷却系统

 

空气冷却又叫风冷，是目前使用最广泛的电池 散热方式，可与整车的行驶特性设计相结合。可通过车速形成的自然风将热量带走，也可通过风扇运转产生强制气流。自然对流具有简单易行，低成本， 散热过程多以自然对流为主等优点，缺点为风力不可控。强制对流相比自然对流更可靠，更易于维护， 因此成为常见的电池冷却方式。强制对流的缺点是电池内的温度分布不均匀，由于空气本身的特性， 冷却效果有一定的局限性。3.1.1 电池排列方式为提高电池温度分布的均匀性与冷却效率，电 池组内单体电池排列方式的研究是必不可少的。常见的电池排列方式有顺排、叉排和梯形排列三种，如图 2 所示。顺排方式为单体电池在电池箱内呈整齐有序的 排放，如图 2a 所示。外部冷空气从电池缝隙穿过，优点为气流阻力较小，缺点为不易受到扰动而产生湍流漩涡，与电池接触面较小，对流换热较小，因此散热效率不高，一般不采用。
 

图 2 常见的电池排列方式

 

叉排方式是将相邻的两个电池彼此错开排列， 如图 2b 所示。外部冷空气通过上一层电池后直接穿过下一层电池的表面，然后绕过该电池表面流向电池两侧的间隙。增加了冷空气与电池接触的面积， 提了电池表面的对流换热系数，进而提高了散热效率，缺点为流动阻力损失较大。梯形排列方式在气流尾部减少电池的个数，缩小冷空气流通方向的截面积，从而增加换热系数， 如图 2c 所示。采用梯形排列方式能够平衡上下游电池的散热效果，可使电池组中的单体电池温度分布呈现出较好的一致性。但是在使用 32(4×8)个锂电池进行强制风冷试验研究中，将电池组分别采用顺排、交错和交叉三种方式进行排列，交错和交叉方式如图 3 所示。采用三种典型排列方式的锂电池组在 20 ℃工作环境下进行试验，放电速率为 2C。风洞设置在 4 列电池侧，当进气速度从 0.6 m·s −1 增加到 1 m·s −1 时， 顺排、交错和交叉排列的电池组最大温升分别降低了 10 ℃、7 ℃和 7 ℃。随着进气速度的增加，三种排列方式的电池组温度呈负指数形式减少。该结果与文献截然不同，在电池组中顺排方式表现出更好的冷却性能，其次是交错排列，最后是交叉排列。通过上述两个风冷热管理散热性能的试验结果 对比可知，电池组的排列顺序、进出风口的位置以及风速的大小等因素都会影响电池的散热效果。电池组个数较少时，风速的提高和电池组的排列顺序对散热的性能和温度分布的均匀性影响变化不大。当电池组个数较多、电池包密度较大时，三种排列方式的上下游风压的不同会导致每种方式的散热效果呈现出不一致性，甚至会因风速的增加加剧风冷系统能量的二次消耗，与提高电池组效率和散热性能相矛盾。电动汽车中电池个数往往成千上万，数量远远比试验的多。因此当储能系统中电池个数较少时， 可采用图 2 中梯形排列方式；当储能系统电池个数较多时，可采用图 3 中的顺排方式。

图 3 交错、交叉阵列的电池组

3.1.2 串行通风与并行通风单体电池间的温度差异与其在电池组内的位置有很大关系，一般情况下，下边缘位置相对于 中心位置散热较好，温度较低。因此在布置散热设计时，应尽量保证单体电池的温度均匀性。根据通风方式，可分为串行通风和并行通风，如图 4 所示。

图 4 串行通风和并行通风方式

 

在串行通风的电池模块中，使用由 8 块 26650 动力电池(2.3 A·h，3.3 V)进行 4 个串联和 2 排并联组成的电池组模型，电池模块的电压为 14.8 V，容量为 4.6 A·h。该试验平台包含充放电装置，温度、风速、压力检测器，风洞装置等，风洞装置能 够有效控制风速大小，风速的大小范围为 0.5 m·s −1 ～30 m·s −1 。试验借助 ANSYS/FLUENT 软件对该模块进行二维数值模拟研究，CFD 模型示意图和网格划分结果如图 5 所示，网格采用四边形非结构网格，但该数值模型未考虑到流体参数和流场在 z 轴的变化。
 

图 5 CFD 模型示意图和网格划分

 

CHEN 等进行了各种关于提高空气模块冷却效率的研究。使用计算流体动力学方法的数值解决方案以及优化算法来改进由棱柱形电池组成的风冷电池组，如图 6 所示。电池间距分布、气流速率、入口和出口的宽度、增压室长度和位置是数值函数中要优化的目标。电池系统由 8 个方形电池组成， 在 5C 放电倍率下进行测试。试验结果表明，当入口和出口位于增压室的中间时可以实现电池的高效冷却。与 Z 型热管理模型相比，电池间的最高温度和最大温差分别降低了 4.3 ℃和 6.0 ℃。
 

图 6 风冷电池组模块

 

基于风冷热管理的优点包括：运行过程中的安 全性与可靠性、所需材料简单且易于实现、产生有害气体时能够及时有效通风；与液体和相变材料相比，空气作为冷却介质的降温能力明显不足，且仅适用于低密度电池。表 2 对风冷系统中的一些重要参数进行了总结。表 2 风冷系统的进展总结

 

庞大的电池组产生的热量使得主动式风冷系统 随之增加体积，从而影响电动汽车的性能和乘客的舒适度。为解决风冷系统面临的问题并提高其性能， 众多学者开始研究将其他冷却介质加入到风冷系统中。

3.2 液体冷却系统

 

与基于风冷的电池热管理系统相比，基于液 体的热管理具有更高的传热系数和比热容，对提高电池组能量密度和热管理能力有着更显著的效果。表 3 为水在不同温度下的导热系数。根据电池与冷却液接触的方式，液冷系统可分为直接接触式和间接接触式两种。根据电池液冷散热的结构又可分为主、被动两种方式，被动式系统中， 冷却液与外界空气进行热量交换，将电池热量送出；主动式系统中，电池热量通过液-液交换的方式送出。
表 3 不同温度下水的导热系数

 

3.2.1 直接接触式冷却冷却液直接与电池或电池模块表面接触为直接 接触式液冷，相较于风冷能够更好地进行电池散热。冷却液的特点为导热率高且绝缘，但由于使用的冷却液体流动性不强，因此散热效果也会受到一定的影响。两相冷却技术在直接接触式液冷系统中是一种 较前沿的冷却技术。选择 3M 公司浓度为 99.5% 的 Novec7000 电子氟化液作为冷却剂，冷却剂液体在常压下沸点为 34 ℃。通过试验发现，即使在放电倍率为 5C 的条件下，冷却剂也可将电池组的温度保持在 35 ℃左右。同时试验结果还证明了，在沸点以下的冷却液的冷却效果超过了基于空气的热管理系统，当冷却液的温度达到沸点时，沸腾过程可进一步将电池的温度趋于一致。在冷却液沸腾过程中会受到大气压的影响，因此有必要研究如何通过控制冷却液周围的压力来主动控制沸腾强度。3.2.2 间接接触式冷却间接接触式冷却系统是通过装有冷却液的翅片 或热沉等物质与电池接触带走热量，从而达到使电池降温的目的。对于圆柱形电池，可设置成环形夹套式结构，其液体的流速不受限制，因此可使用导热率高的液体材料。间接接触式冷却系统总体结构如图 7 所示，液管设置在电池周围通过液体流动进 行热量传递。

图 7 间接接触式冷却系统原理图

(1) 单进式冷板与圆柱形电池相比，方形电池形状整齐，表面平整，在相邻电池单体之间可以通过插入板式散热组件，在冷板上焊接各种形状的管道，使液体从管道内流过，对电池进行冷却。也可采用扁平管式结构，将压平的管道置于相邻电池之间。冷板式液冷系统中，冷却液与电池间接接触， 能够有效避免短路风险，提高电池组运行的安全性。冷板中的流道根据进出口形式可分为单进单出、单进多出、多进单出和多进多出式流道，冷却液为水或其他冷却液与水的混合物。如图 8 所示，为单进单出式流道示意图，其中冷却液进出口可同侧进出，也可异侧进出。单进单出式流道结构冷板的主要优点为安装方便，结构简单，缺点为因电池尺寸的限制而导致管内冷却液流动阻力较大，增加了电池消耗，且当流速较低时，进出口的温差较大，增 加了电池温度的不一致性。

图 8 单进单出式通道冷板

(2) 多进式冷板多进式通道冷板液冷系统中，冷却液进出口均 为两个及以上，如图 9 所示。当电池尺寸较大或者电池密度较高时，采用单进式通道，冷却液流速越大，电池温差越小，但同时压力耗能也就越大。为减小液体流动时的阻力，研究者们采用了多进多出式通道冷板。多进多出式冷板的优点为冷却速度快， 效率高，缺点为进出口的设置越多，复杂程度就越 大，同时漏液的可能性就越大。
 

图 9 双进双出式通道示意图

 

在方形锂离子电池冷却系统中添加冷板式微型 通道，如图 10 所示。冷板为铝制材料，具有高 导热系数等优点，冷却液采用液态水，电池使用 5C 倍率恒流放电进行模拟试验。模拟结果表明，在冷却板上增加的冷却通道越多，放电结束后的电池最高温度越低；同时在进口流量为 5×10−6 kg·s −1 时， 电池最高温度下降至 58.40 ℃，局部减小为 9.02 ℃，当流量增加到 5×10−4 kg·s −1 时，锂离子 电池内部的温差逐渐减小。

图 10 冷板系统模型示意图

 

由于仅采用液态水来作为冷却液材料，当环境温度极其恶劣时难以保证电池的正常使用，需要考虑其他的替代方法或者结合主动制冷以降低通道口的进液温度。(3) 蛇形通道冷板在单进单出流道的冷板结构简单的基础上，众多学者研究出了单进单出式的蛇形流道冷板，如图 11 所示。流道在冷板上呈现出蛇形曲折回旋，能够避免冷却液在进口端温度低，出口端温度高而导致电池组温度不一致的问题。
 

图 11 蛇形流道分布示意图

 

对于蛇形通道结构，可以根据产热特性、热量 传递和热量分布的实际情况来进行合理的设计。同时 JARRETT还对图 12 的八种不同通道形状进行了数值分析，发现冷却液进出口的宽度、流道的形状和分布等都会对电池的温度造成很大的影响。即使在电池温差较小时，电池不同部位的温度分布也可能因为不同的通道结构而呈现差异。所以在不同的蛇形流道结构设计上，同样要考虑电池的降温以及其温度分布的均匀性。

图 12 不同结构的蛇形冷板

 

(4) 超薄翅片微型通道冷板在传统的直通冷板中，冷却液沿着入口端流动 到出口端，对流传热系数逐渐降低，导致最高温度持续升高，温度梯度变大。针对此问题，JIN 等设计了一种超薄内斜翅片微型通道冷板，当流量和负载分别为 0.1 L·min−1 、220 W 和 0.9 L·min−1 、1240 W 时，该系统能够使电池两边冷板的温度降低到 50 ℃以下。斜翅片冷板模型如图 13 所示。该模型由两块板组成，每块板包含相同数量的斜翅片，如图 13a所示，冷板中的流道呈 U 形结构，如图 13b 所示。

图 13 斜翅片冷板结构

 

冷板中的斜翅片可使电池内部的热量加速扩散 到流动中心，使两端的对流换热系数高于中心的对流换热系数，从而使斜翅片微型通道冷板具有更好的对流传热系数，且冷却液的流动比直通道下的更加均匀。3.2.3 夹套结构液冷在电池外套上一层环形腔体，使电池与外壳间构成流体通道，称为夹套式液冷系统。夹套式 液冷系统能够满足多种情况下的电池散热情况， 甚至可在低温环境下对电池组进行加热。电池组 夹套式液冷系统结构由电池组、套管式换热器和管道等组成。利用夹套式液冷系统通过有限体积法对电池进 行数值分析，使用的电池组模块为 5×5 的圆柱 形锂离子电池。分析对比电池组在 0.5C、1C、2C、 3C、4C 和 5C 不同放电倍率下的热分布。在未添加 冷却系统时，在 5C 放电倍率下仿真时间进行到 720 s 内电池组达到的最高温度为 61.449 ℃，电池组内的最大温差为 37.626 ℃，如图 14 所示。加入夹套式冷却系统后，5C 放电倍率下的最高平均温度 为 27.862 ℃，电池组内的最大温差为 2.894 ℃。

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图 14 不同放电倍率下夹套式冷却系统电池温度曲线

3.2.4 其他液冷系统液冷散热系统能够有效降低电池的工作温度和 局部温差，但同时也存在系统结构复杂，或发生漏液等不良情况。为此 TANG 等对液冷系统和热泵空调系统(Heat pump air conditioning system，HPACS) 进行了耦合设计，建立了基于液冷与热泵空调系统 的自动校准模型。通过模型试验表明，设计的液冷 系统在环境温度为 42 ℃时，入口处的温度可降低 至 19.8 ℃，此时系统性能参数为 2.36。由于空气的传热系数相对较低使得风冷系统不 适用于大部分的高性能电动汽车，为克服空气冷却的缺点，可应用二次回路液冷系统。二次回路液冷系统示意图如图 15 所示。该系统由两个循环组成，虚线标示的制冷剂回路与实线标示的液体冷却剂回路由冷水机连接，液体冷却剂的流量和流速由冷负荷和周围环境来决定并通过三通膨胀阀控制。当电池需要低冷却性能或环境温度低于液体冷却剂温度时，液体冷却剂就会流向外部的散热器；当电池需要高冷却性能或环境温度高于冷却剂温度时，冷却剂就会流向冷凝器与制冷剂进行热交换。优点为在极端气候条件下还可保持电池适当的温度并满足充放电要求，缺点为该系统结构复杂，随之产生更多重量、增加维护工作量和液体泄漏等风险。
 

图 15 二次回路液冷系统

 

液冷散热系统效果良好，能够有效降低电池的 工作温度和局部温差，同时也存在系统结构复杂，质量相对大，存在漏液以及常常需要维护等不利影响。但在对电池工作条件要求相对严格、热管理优 先的电动汽车热管理系统中，液冷系统电池散热方式具有比风冷更明显的优势，表 4 在上述文献和调 研的基础上对散热性能进行了总结。表 4 液体冷却系统总结

3.3 热管冷却系统

 

热管(Heating pipe，HP)是利用管内介质相变进 行吸热和放热的高效换热元件，广泛应用于工业等众多领域。常用的热管有三部分组成：封闭式金属管、吸液芯和端盖，将热管内抽成真空，充入适当的冷却液体，使管内壁的吸液芯毛细多孔材料内充满冷却液后加以密封。工作原理图如图 16 所示，热管的吸热端为蒸发端，散热端为冷凝端。当热管的加热端受热时，工作介质受热蒸发并在管内流体的受力下流向冷凝端，然后蒸汽在冷凝端散热重新变为液体，冷凝端的液体受重力或多孔材料的毛细力作用下流回蒸发端，以达到散热的目的。如此循环，将电池产生的热量传递到外界空气，从而实现小温差大热流的传输，使电池温度降低。

图 16 热管工作原理

 

热管由于具有良好的热流密度可变性、导热性、 密度可变性、热流方向可逆性、优良的恒温热性和环境适应性等特点，已成为电子设备重要的散热技术之一。此外，热管需要在一定的条件下才能正常工作，从热管的蒸发端到冷凝端的汽相与液相之间的静压差都应与该处的毛细压差保持线性关系。

式中，ΔPc 为热管内部液体流动时的推动力；ΔPv 为热管内蒸发端到冷凝端的蒸汽压降； ΔP1为冷凝端回到蒸发端的压降； ΔPg 为由重力势能引起的流体压降，由热管环境所决定，数值可正可负。热管相比于其他冷却系统具有更强的传热能 力，但并不意味着可以无限增大其热负荷，热管的 热效率受众多因素制约。影响热管的传热的极限如 图 17 所示，当热管达到极限时，传热量将不再 继续增加，传热极限取决于热管的形状、内部吸芯液的结构、工作介质和周围环境。

图 17 影响热管传热的各种极限

3.3.1 扁平热管扁平热管(Flat heat pipe，FHP)与普通热管相比，可以更充分的接触电池表面，能够更快速、均匀的传递热量。扁平热管系统如图 18 所示，使用可再现电池模块产生的热量进行 FHP 的冷却系统的试验，研究了 FHP 冷却系统的热性能，并与各种倾斜位置和多种冷却条件下的传统散热器进行了比较。试验结果表明，带有热管的普通散热器通过自然对流热阻降低了 30%，在风速较小的情况下，热阻降低了 20%，从而使电池温度保持在 50 ℃以下。根据电动汽车中为电池组分配的空间，可将扁平热管进行垂直或水平放置。

图 18 扁平热管散热系统

3.3.2 重力型热管重力型热管又称为热虹吸管，结构如图 19 所示，从传热角度可由冷凝端、绝热端和蒸发端三部 分组成。液体工质在蒸发端受热后汽化进入冷凝端， 在冷凝端释放潜热并在管壁上形成液膜，液态工质在重力的作用下沿管壁回到蒸发端，如此循环。由于重力热管具有方向性，蒸发端需设置在冷凝端的下方， 利用液体工质自身重力回到蒸发端，因此重力型热感结构简单、制造方便、成本便宜且稳定性较好。

图 19 重力型热管

3.3.3 烧结热管针对在微重力下热管内冷却液难回到蒸发端的 问题，学者们采用了具有吸液芯结构的烧结热管。 烧结热管能够在毛细力的作用下将冷却液从冷凝端送到蒸发端，同时吸液芯结构在循环中的速度更快， 有利于热量的传递和扩散，提高了热管的传热效率。近年来，烧结热管所遇到的问题为其结构和材料难以满足高热流密度环境下的散热，尤其在传热过程中由于真空腔厚度的增加导致局部烧干的情况。因此合理的布置热管结构，选取适当的工质提高热管的传热率是今后的研究热点。在进行基于扁平式烧结热管的方形电池散热试验，研究了烧结热管对电池的散热特性和电池组的温度分布一致性。通过研究发现，在电池温升和局部温差的控制中，必须同时考虑热管的有效散热能力和均热能力；电池局部温差随热管倾斜角的减小而增大，当热管垂直安装时，电池局部温差受 路面坡度影响较小，传热热阻可忽略不计；在周期性散热的工况下，扁平式烧结热管仍能保持良好的散热能力和热量均匀性。3.3.4 环路热管环路热管由20 世纪苏联科学家MAYDANIK 首次提出，结构如图 20 所示。回路系统通常由蒸发器、冷凝器和补偿室组成。环路热管具有反重力性能好、传热能力强和布置方便等特点。

图 20 环路热管结构图

 

常见的环路热管有两种结构形式，分别为圆柱 型和平板型。圆柱型的特点为蒸发受热均匀，且毛细芯能够得到充分的湿润。与圆柱型热管相比，平板型接触的电池面积更大，散热更加均匀，传热能力更为优秀。3.3.5 脉动热管脉动热管又称振荡热管，结构如图 21 所示。 脉动热管可分为闭合型和开放型，开放型为单向流动，闭合型则两端形成回路，且中间可加一个或多个单向阀进行衍生。
 

图 21 脉动热管基本结构

 

与传统的热管相比，脉动热管具有体积小、结构简单、传热性能良好、适应性强、可对形状进行任意弯曲等优点。综上文献分析，总结基于热管的电池热管理系统的显著优点为在不消耗任何功率的情况下降低最大温升，同时具有更高的导热性、安静无噪音、重量轻、 结构灵活、轻维护和循环使用寿命长等优点。缺点为热管的容量小、接触面积小，对大型电池组需要使用更多的热管进行散热，以及无法对电池组进行加热。

3.4 相变材料冷却系统

 

相变材料(Phase change materials，PCM)的物理 状态随温度而变化，相变过程中温度变化范围小， 但吸收或释放的潜热大。相变材料具有体积变化小、潜热大、稳定性好等优点。常见的 PCM 材料可分为有机材料、无机材料 和共晶材料，有机材料包括石蜡(PA)和石蜡化合物，如硬脂酸和长链烷烃等；无机材料包括水合盐和金属等材料；共晶材料是两种或多种具有特定原子比的有机和无机化合物的混合，具有较高的潜热和较高的熔点。3.4.1 有机相变材料常见的有机相变材料包括石蜡、脂肪酸、醇、 酯、二酯和其他有机化合物。有机材料中由于石蜡具有高潜热、稳定性好、 耐腐蚀和低成本的优点，被广泛应用与电池热管理系统中。由于易燃性和泄露风险使得热管理系统中不会使用纯石蜡作为相变材料。针对这一问题，学者们提出一种有效方法，就是将膨胀石墨(EG)、金属泡沫铜、纳米流体和石墨毡等导热材料引入到纯有机相变材料中。将有机材料正二十烷 PCM 与铜纳米颗粒、翅片和泡沫金属混合，形成具有更高热导性的复合 PCM，结构如图 22 所示。

图 22 纳米颗粒、翅片与金属泡沫的电池热管理模型

 

试验结构表明，纳米颗粒的加入对电池散热特 性影响很小，而翅片的添加使得电池温度显著下降， 高导热性和三维结构的金属泡沫在降低电池温度方面相对最有效。利用 PA、EG、聚磷酸铵(APP)、红磷(RP)和环 氧树脂(ER)组成的新型复合 PCM，可增强热物理和阻燃性能。PCM 电池热管理模型如图 23 所示， 其中圆柱形电池放置在孔中且被 PCM 材料包裹。 试验结果表明，当 PCM 材料中 APP 和 RP 比例为 2.3:1 时，电池模块能表现出更优良的阻燃性。

图 23 具有阻燃复合 PCM 材料的锂电池模块

3.4.2 无机相变材料与有机材料相比，无机材料因其易腐蚀、易脱 水和过冷特性导致在电池热管理中使用很少。近年来，也有不少学者开始对其进行研究。典型的无机材料有水合盐和金属相变材料。为解决无机材料易脱水问题，LING 等设计出一种新型多尺度封装 的无机 PCM，优点为具有高稳定性，结构如图 24 所示。考虑到安全性和低成本，使用了一种不易燃的三水乙酸钠-尿素无机相变材料。EG 的添加能提高 PCM 的导热性，有机硅胶的封装可提高复合 PCM 的长期稳定性。

图 24 多尺度封装的无机 PCM

3.4.3 共晶材料共晶材料是有机和无机的混合物，因此具有更高的潜热和尖锐的熔点等特性。共晶材料的特点为不同化合物的层状结构，在熔化和凝固过程中不会出现偏析现象，可阻止成分发生变化。通过物理结合六水硝酸镁和硝酸锂制备的共晶混合物中添加膨胀石墨，制备一种复合共晶材料。通过试验测得共晶混合物的相变温度为 72.46 ℃，潜热为 170.32 kJ/kg，在容器选择上使用铝制或不锈钢为最佳材料。所制备的共晶相变材料具有良好的吸热能力，可为电池储能领域散热器的候选材料。3.4.4 与 PCM 耦合冷却PCM 依赖于自身高潜热的能力，然而当温度超过自身的熔点后 PCM 冷却性能就会显著下降。因此将 PCM 与常用冷却方法耦合起来构成混合系统，确保长期使用。表 5 总结了近些年 PCM 与其他冷却系统耦合的方案。图 25a 在铝制框架中添加石蜡材料，空气通过框架的间隙流动来冷却和固化石蜡。图 25b 将复合 PCM 的一侧连接电池，另一 侧连接到带有风冷系统的散热器。在高温环境和高放电倍率下，电池模块温度仍能保持在 60 ℃以下， 具有良好的热性能。表 5 PCM 耦合冷却系统综合比较

图 25 PCM 与风冷系统结合的热管理

 

与风冷相比，液冷能够表现出更优秀的热性能 和能源效率。图 26a 为集成 PCM 与液冷系统结合的热管理。当环境温度为 40 ℃，放电倍率为 3C 下，液体冷却系统管理下的电池组的最高温度和电池间的梯度分别为 47.6 ℃和 4.5 ℃。图 26b 在 PCM 系统中结合了可控液冷策略，可根据 PCM 的温度和环境温度来调节冷却液的流速和入口温度，避免 了电池组在不同环境温度下出现的过热问题。PCM 与热管耦合以降低电池组的温度，在电池 组的热管理系统中通过填充PCM可减低约33.6%的温差，将热管嵌入到 PCM 中可进一步下降 28.9%。图 27 为 PCM 与脉动热管耦合的热管理系统，脉动热管夹在电池之间，将 PCM 填充至电池和热管的缝隙中，由于 PCM 耦合热管系统既有 PCM 的固液相变蓄热，又有脉动热管工质的液汽传热，因此在各种工况下，PCM 耦合热管的系统具有更好的散热性能。

图 26 PCM 与液体结合的热管理系统

图 27 PCM 耦合脉动热管的热管理系统

 

表 5 总结了近些年其他冷却系统与 PCM 耦合的方案。

4 总结与展望

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储能电池作为电动汽车的核心，散热问题是电 池热管理系统的关键技术之一。基于电池散热的研究现状和研究趋势，未来的热管理系统可从以下方面展开。

(1) 风冷方式的散热结构简单，设计轻巧便捷， 但冷却效率较低，很多情况不适于电动汽车的电池散热。气流通道和电池排布的优化是未来的研究方向。

 (2) 相比于风冷，液冷具有更高的散热效率， 能使电池组温度保持在正常温度范围内，且使单体电池呈现出更好的温度均匀性。由于需要额外的冷却剂循环器件，增加了电路的复杂性、整车的重量与能耗，且有漏液的风险。通道形状和数量优化是重点研究方向。纳米流体作为冷却剂的性能还需进 一步研究。

 (3) 热管作为一种导热工具，具有更高的导热率，但由于蒸发器和冷凝器部分的接触面积小和体积较大等原因，在实际应用中难以集成。额外能源消耗的削减和系统结构的简化是未来的发展趋势。 

(4) 大多数的 PCM 导热系数较低，直接影响到 电池的散热效率。因此寻找高导热率的 PCM 一直是研究重点。如果在连续的高倍率充放电循环中仅使用 PCM 来控制电池温度，可能无法达到理想的效果。因此，需要额外的冷却系统来进行辅助，以协助散热。PCM 与其他冷却系统的结合是电池热管理系统的发展趋势之一。

目前 PCM 材料正慢慢向直冷靠近，相变材料 使用制冷剂 R134a。通过制冷剂的相变过程将热量带走。典型的例子有 BWM i3，散热效果比液冷高出 3-4 倍，且避免了乙二醇液体在电池内部流动造成的氧化腐蚀。当然直冷方式只能进行散热，需要安装加热器来进行加热。

未来，对高功率、高能量密度和高充电效率电 池的需求将持续增长，随之而来的是对更高效、更稳定、更经济、更紧凑的电池热管理系统的需求。 从低能耗和结构角度来看，PCM 的散热系统更具有潜力，需要进一步研究来提高商业应用性。首先， 寻找高导热率的 PCM 来代替；其次，设计以 PCM 为主体，其他散热系统为辅助的协同机制，以保证电池热管理系统的耐久性。

来源：电气工程学报

作者：于仲安 陈可怡 张军令 胡泽洲

江西理工大学电气工程与自动化学院