电池热管理系统技术的最新进展与性能对比

来源：电子电力实验室；作者：诸葛英健

本文转自：Renew. Sust. Energ. Rev., Volumn 192, March 2024, 114171

作者：David Culliton et.al

本文由爱尔兰东南理工大学的David Culliton等人合作撰写。本文综述了锂离子电池的产热机制，以及当前主流的四种电池热管理技术：空气冷却、液体冷却、基于相变材料的冷却和基于热电元件的冷却。文章分别分析了每种技术的优势与局限。研究指出，空气冷却适用于短途通勤类电动汽车；液体冷却更适合长续航、高热负荷的大型电池系统；相变材料适用于热负荷稳定、环境温度变化较小的应用场景；而热电冷却系统则更适合与其他技术协同集成使用。

01引言

在全球范围内减碳需求日益迫切的驱动下，传统汽车正加速向电动化转型。2021年，电动汽车销量达到660万辆，是2019年的三倍，彰显了市场对清洁出行的强烈渴求。然而，续航里程不够、动力电池寿命有限等短板，仍然制约着消费者的购买决策。

动力电池组对温度极为敏感，其最佳工作区间位于15 °C至35 °C。低于15 °C时，电池总容量下降、内阻增大；高于35 °C则易引发不可逆化学反应，加速衰减并带来热失控风险。因此，如何在各种工况下高效、稳定地调节电池温度，成为提升续航性能与保障行车安全的关键。

现有电池热管理系统（BTMS）主要可分为空气冷却、液体冷却、相变材料（PCM）冷却与热电制冷四类。空气冷却结构简单、成本低廉，但在高热负荷下散热效率有限；液体冷却（直接或间接）散热效果出众，却增加了系统的复杂性和成本；PCM利用材料相变潜热进行被动散热，稳定工况下表现优异，但需借助金属或石墨等导热填料提升热传导；热电制冷可实现精确控温，并在冬季提供加热功能，但其能耗和成本相对偏高。

综合看来，空气与液体冷却因可根据负荷动态调节冷却强度，仍是在工业化应用中最为常见的方案；PCM与热电技术则在特定场景下展现了良好的互补优势。本文将围绕这四类BTMS的最新研究进展与性能对比，详细评析各自的优劣，为商业化设计提供参考。

02电池内部热量产生机理

锂离子电池在充放电过程中会产生热量，且热源主要位于电池内部核心区域。图1显示了18650电池在0.5C放电3600秒后的温度分布，表明仅依赖表面冷却难以迅速带走内部热量。

图1. 18650型锂离子电池单体以0.5 C倍率放电3600s后的热分布

电池总热生成率可分为焦耳热和熵热两部分：

其中，焦耳热来源于电流通过内阻产生的热量；熵热则与可逆化学反应的熵变有关。研究表明，低倍率放电时熵热占比较高；而在高倍率条件下，焦耳热成为主要热源。

为满足快充与大电流放电的需求，BTMS需在15 °C–35 °C范围内，对电池内部与表面热负荷进行高效管理，以确保温度均匀并防止热失控。

03电动汽车BTMS分类与特点

电池热管理系统的核心目标，是通过优化温度提升电池寿命并降低热失控风险。理想的BTMS应同时满足以下要求：

稳定保持电池温度在15 °C–35 °C；

系统轻便紧凑且节能；

具备良好成本效益；

实现电芯间温度均匀；

在热失控或泄漏时，能快速排除有毒气体。

目前，BTMS可归为五大类：空气冷却、液体冷却、PCM冷却、热电制冷与混合系统。每个系统的子类如图2所示。

图2. 用于电动汽车锂离子电池组的不同BTMS类型

空气冷却：依托自然或强制对流散热，优点在于介质无腐蚀、结构简单、造价低；缺点是高热流密度时制冷能力受限。

液体冷却：可分直接浸没式和间接冷却式。直接式将电池浸没于介电液中；间接式通过冷却板或冷却带导热。该方案散热效果优异，但系统复杂、成本较高。

PCM冷却：利用相变潜热在15 °C–35 °C区间被动吸热。有机PCM化学稳定、潜热大但导热率低且可燃；无机PCM导热性好不燃，但相变温度偏高，需要导热增强措施。

热电制冷：结合Seebeck与Peltier效应，可将热量回收发电或提供加热功能，温控精度高，但设备成本和能耗较大。

混合系统：将上述技术组合，如空气+液体、PCM+空气等，以平衡散热性能与系统成本。

后续章节将针对各类BTMS的研究进展、性能评估及优化策略进行深入探讨。

04空气冷却系统

基于空气的BTMS与基于液体、PCM和热电的BTMS相比具有明显的优势，包括使用直接的、低风险的、无粘性的冷却剂，结构紧凑、重量轻、成本低、维护要求低和可靠性好。主动冷却BTMS，如热电热管理和基于液体的BTMS，需要额外的能量来操作泵，TEG或TEC系统，从而导致电动汽车的里程减少。然而，这种效率上的差异只适用于低热负荷工况。在过高的热负荷条件下，如高充放电速率或高环境温度，空气基BTMS比液体和热电BTMS消耗更多的功率。

同样，在高热负荷下，PCM BTMS也比空气基BTMS更有效。然而，由于需要大量的PCM来确保PCM的潜热容量与锂离子电池组产生的热量相匹配，因此大多数PCM BTMS的重量将显著增加。基于空气的BTMS适用于低热负荷的锂离子电池应用，并且明显轻于其他类型的BTMS。虽然许多商用电动汽车使用基于液体的BTMS作为其锂离子电池组，但基于空气的BTMS也被用于电动汽车和混合电动汽车的几个低能耗锂离子电池系统中。

1自然通风与强制对流

空气冷却BTMS按自然通风和强制对流两种模式运行。

自然通风：当热负荷较低且车辆运动时，外部空气会经电池包进口进入，通过电芯间隙吸收热量后从出口排出，如图3(a)所示。同样，也可借助车舱冷气，通过额外管道将冷却空气引入电池包，以增强散热效果，如图3(b)所示。该方式在车速不足、环境温度过高或热负荷过大时，散热不均会导致电芯温度梯度增大、充放电不均匀。

强制对流：为提高冷却效率，可在进口或出口处增设风扇或鼓风机，通过调节风速来匹配电池包的热负荷。典型设计是在风机与蒸发器/加热器之间增设导管，以保证气流经过电池包的充分对流，如图4所示。研究主要集中在：电芯排布优化、进出口结构设计、散热通道形状改进以及导热增强材料的应用。

图3.  (a)通过环境气流对锂离子电池组进行被动式空气冷却；(b)通过舱室气流进行被动式空气冷却/加热。

图4. 在出口加引/送风机进行主动式空气冷却/加热设计。

2锂离子电池阵列分布

改进电池组架构可以通过配置电池单元布局来实现，在保持最低成本、占用最少体积和具有最高能量密度的同时，最大限度地提高电池的散热率。需要注意的是，最优的电池阵列布局高度依赖于电池组的应用和设计要求。

研究表明研究表明，六角阵列相比传统矩形排列在高风速下散热更均匀；调整电芯纵向和横向间距，则可在保证空间密度的同时实现最佳热均匀性。通过改变电池组的排布方式来更好地提高电池组的温度均匀性的主要限制是它会影响电池的母线排布，而增加电池之间的间距会影响电池组的密度。因此，只有当电池组的间距不重要时，才应考虑改变电池组的排列。

图5. 改变锂离子电池排布方式改善电池组热对流。(a) 3 × 10电池排布；(b)六边形排布；(c) 6 × 5排布。

3进出口优化

调整进口数量、位置及空气温度，是提升系统性能的有效手段。研究结果表明，以1C放电倍率为基准，超过3个入口点，锂离子电池单体的最大温升不显著，这表明空冷BTMS存在一个最佳的入口点数；降低进口空气温度虽然效果显著，却会增加空调能耗，这也会降低锂离子电池组的整体效率。因此，必须将冷却风扇入口数量和调节入口空气温度微调至电池组本身的运行环境温度和尺寸。

图6. 风冷电池组进气口数量的参数化。

此外，仿真结果表明，垂直风冷策略是定位风冷电池组进出风口最有效的方法。然而，垂直空气冷却策略可能不适用于几种类型的电动汽车，因为它将增加电池组的垂直高度，因为它安装了垂直倾斜的进出口歧管。因此，垂直冷却策略可能只适用于具有较大垂直间隙的EV类型。

图7. 电池组进出口位置的调整。

4散热通道设计

对于风冷电池系统，增大冷却通道尺寸可以提高系统的冷却效率，但会降低系统的冷却均匀性。除了冷却通道的尺寸外，冷却通道的几何结构也是影响风冷BTMS冷却效率的重要因素。开发了三种主要的冷却通道结构，包括Z型、U型和J型冷却通道结构。

Z型通道：通过在末端设置二次出口，可减小通道末端的死角，使气流更均匀地流经所有电芯。一些研究在通道中增设扰流板，以增加气流的混合和扰动，从而提升散热均匀性。

U型通道：利用管道弯折带来的流速变化，增强中段电芯的局部冷却。文献指出，通过调整弯折角度和半径，可优化热传递效果并改善局部散热。

J型通道：其是U型和Z型冷却系统的适配。本质上，J型风冷结构有两个带有控制阀的出口，可以控制开口角度，以更好地调节通过锂离子电池组的气流。该结构可在多种风速和热负荷下保持较好的温控性能。

需要指出的是，J型通道可能会增加电动汽车内部的管道基础设施的复杂性，而这在紧凑的电动汽车模型中是不合适的。因此，不牺牲电池组复杂度的替代性增强方法将更适合小型电动汽车。

图8 . J型风冷结构采用U型出风口和Z型出风口，并配有各自的控制阀。

5导热增强剂

在电芯间或电池包内引入多孔铝泡沫、鳍片等导热结构，可均匀分布气流温度并提升散热效率。研究表明，可变高度翅片可依据热流分布优化温度均匀性。此外，冷却翅片的添加的另一个好处是它的结构强度对抗冲击的额外改善，降低电池受到冲击时短路风险。

添加此类导热增强剂的主要问题是其对电池组整体重量的影响。多孔泡沫铝、扰流柱散热器或辅助散热翅片的加入确实可以改善冷却均匀性，但会增加电池组的总重量。

05液冷系统

基于液体的BTMS的主要优点是它能够以比空气冷却系统更低的流速实现更高的传热速率。许多类型的流体被用作液基BTMS的冷却剂，包括水、油、含有悬浮金属颗粒的水和乙二醇。由于每种流体类型具有不同的粘度和比热容值，因此所选择的流体类型取决于需要吸收的热量以及在电池组周围通道流体所需的机械能。基于液体的BTMS分为间接冷却和直接冷却两类，主要区别在于间接冷却要求冷却液与锂离子电池物理分离。

间接液体冷却是指通过冷却介质将冷却液导通，使流体能够吸收来自电池组的热量，同时防止液体介质与锂离子电池组本身之间发生短路。一些常用的间接冷却方式包括冷却板、导热管或通过热管将热量从锂离子电池组传导出去。

1冷却板通道优化

冷却板是一种具有内部冷却通道的平板，主要适用于棱柱形电池。其冷却性能主要受冷却板位置和通道设计的影响。冷却板可布置于电池组侧边、相邻电芯之间或电芯内部。侧边布置需配合散热片将内部热量导出；相邻电芯间布置需减小电芯厚度；内部集成则需微型化流道。

图9. 冷却板。

冷板的冷却性能还与通道结构相关，因为它决定了冷板的传热面积和压降。通道构型（蛇形或平行）显著影响散热效果和压降。研究发现，双入口蛇形通道（图10a）比单入口设计具有更优的温度均匀性。此外，窄深通道的传热效率优于宽浅通道。对比蛇形与平行通道，蛇形通道结合圆形翅片和凹槽（图11f）能提升温度均匀性，但压降较高；平行通道配合椭圆形翅片（图11g）则更适用于高流速场景。综合来看，多入口蛇形通道结合圆形翅片是方形和软包电池的最佳选择，但需权衡制造成本与电池组尺寸。

图10. 冷却板间不同的液冷通道构型。

图11. 蛇形与平行冷却板设计效果的对比，以及沿通道不同沟槽形态的效果对比。

2导热管

圆柱电池因缺乏平整表面，通常采用导热管替代冷却板。特斯拉Model S采用镀绝缘材料的铝管嵌入圆柱电池间隙，并通过逆流设计提升散热均匀性。此外，有研究人员在锂电池之间构建带有冷却管的铝壳，铝壳内填充沸腾丙烷，发现该设计温度均匀性优于直接液冷，但高温工况下峰值温度较高。通过渐变管径和流速优化，使垂直流道模型重量和体积大幅减小，同时温度均匀性更优。

3热管冷凝器布置

热管(HP)是一种结构紧凑、几何形状可调的传热器件，可用作包括电力电子冷却和空调系统在内的多种应用的装置。高压加热器内充满换热流体，分为3个区域，如图12所示，分别为蒸发区、绝热区和冷凝区。电池系统或热源附着在蒸发器段，会导致换热流体的蒸发。转换后的蒸汽将向冷凝区传递热量，转换回流体，在吸液芯微结构中再次吸收，然后被动地回流到蒸发区重复这一过程。

图12. HPs的工作原理。

有研究人员为23Ah钛酸锂电池设计热管系统，在8C放电率下使电池温升降低13.7%（自然对流）和33.4%（强制对流），但冷凝段需延伸至电池外部导致体积增加。通过倾斜冷凝段、铝翅片和烟囱风道优化，在10-12C放电率下维持电池温度于15-35℃，但水平放置时散热性能下降，并且额外的空气烟囱通风仍然占据很大的体积，这可能不适合紧凑的电动汽车。

4直接冷却

直接液冷通过将电池浸入高比热容的绝缘介质（如去离子水、硅油、氟化烃）实现高效散热。

用于BTMS应用的浸没式冷却液具有高闪点和非挥发性特点，这降低了电池组热失控的风险。Xing Mobility、Rimac和Kreisel等公司已采用浸没式冷却。

浸没冷却分为单相冷却和两相冷却两种模式。在单相冷却的情况下，冷却剂以液体形式存在。两相冷却是利用沸腾温度较低的冷却剂使冷却剂汽化，汽化后的蒸汽通过水冷凝器冷却回液态。两相系统在由液相向气相过渡过程中所吸收的汽化潜热能显著提升对流换热效果，但与单相系统相比，BTMS应用中存在若干缺点：包括由于冷凝器效率不足导致冷却液逐渐损失、系统复杂度增加、维护成本上升、系统体积增大，以及冷却剂蒸汽对电动汽车底盘其他电子元件造成污染的风险。

因此，单相浸没冷却电池包在维护难度和成本上优于两相浸没冷却。浸没冷却虽冷却效率高，但高粘度液体需更大泵功率；电介质液体成本高且增加重量。因此，浸没冷却的电池热管理系统更适用于有快速充放电需求的电池包设计。

图13. 单相和两相浸没冷却

06PCM冷却系统

相变材料的高潜热特性使得基于PCM的BTMS能够在恒定温度范围内吸收大量热量，且无需依赖风扇或泵等主动耗能组件。PCM主要分为有机和无机两类，各自具有独特的化学与热性能。

有机PCM可细分为两类：石蜡类（如烷烃）和非石蜡类（如脂肪酸、二醇、糖醇）。其优势包括无腐蚀性、无毒、化学稳定性高，适用于电动车电池热管理。但有机PCM也存在明显缺陷：导热系数低（易导致局部过热）、可燃性（存在热失控风险），以及固液相变时因黏度低可能导致泄漏问题。为改善有机PCM的热导性能，常见的三种手段包括：在换热面添加翅片、将PCM封装于高导热涂层中，以及加入石墨纳米颗粒或金属泡沫等导热填料。

1PCM鳍片配置

在PCM容器中安装鳍片是提升有机PCM热导率的有效方法。安装鳍片的方法主要有两种，一种是将鳍片直接放置在PCM化合物中，另一种是将鳍片放置在PCM表面的顶部，然后通过空气冷却分别进行冷却。

研究表明，纵向鳍片在空气对流冷却时具有更好的散热性，而圆形鳍片在PCM内部具有更大的热传导性。通过进一步优化，确定了最适合18650锂离子电池PCM冷却的翅片结构为底部2个圆形鳍片，顶部4个矩形纵向鳍片。虽然导热鳍片的添加确实显著提高了PCM的导热性能，但由于在电池组中添加此类鳍片需要额外的机械加工，因此会增加电池组的制造成本，同时增大体积。

2导热涂层

另一种提高PCM导热性能的替代方案是PCM微胶囊化。该工艺通过悬浮、乳液、界面聚合等方法，将固–液相变材料封装于具有导热性能的稳定聚合物薄膜中。壳体材料可分为有机、无机和有机–无机混合三类。

图14. 不同微胶囊对PCM导热性能的增强。

有机壳体材料具有优异的密封性和结构柔韧性，能够很好地应对相变过程中核心PCM的反复体积变化，最常用的有三聚氰胺甲醛树脂、尿素甲醛树脂和丙烯酸树脂等。然而，有机壳体材料也存在可燃性高、导热性差及力学性能不足等缺点，限制了其在BTMS微胶囊化应用中的广泛采用。

无机壳体材料导热性能更佳，具有良好的刚性和力学强度。常用的无机壳体材料有二氧化硅（SiO₂）、氧化锌（ZnO）、二氧化钛（TiO₂）和碳酸钙（CaCO₃）等。尽管无机壳体在导热和力学性能上优于有机壳体，但其柔韧性较差，多次相变循环后易导致PCM核心泄漏。

有机–无机混合壳体则兼具纯有机和纯无机壳体的优点，提供了良好的力学强度、导热性、化学稳定性和柔韧性。常见的混合壳体包括掺杂SiO₂或TiO₂的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和聚三聚氰胺甲醛壳。有机–无机微胶囊化在提供足够导热增强的同时还能保持力学稳定性并最大限度减少PCM核心泄漏，是一种值得考虑的导热改性方式。但需注意，PCM微胶囊化的可行性受限于合成过程的复杂性及原料采购难度。

3导热填料

第三种提升PCM导热性能的技术是向其添加导热填料，如纳米颗粒、金属颗粒、金属泡沫和碳纳米管等。通过混入这些填料，PCM的导热率和换热效率能够大幅提升，同时还能降低有机PCM的可燃性。

导热填料虽能显著提高PCM的导热率，但也会降低其比热容，因此需要在所需导热增强效果与保持足够潜热容量之间进行权衡。此外，填料可能在多次相变循环中发生聚集，需通过重新搅拌等手段来恢复PCM的温度均匀性。

4无机PCM

无机PCM主要包括熔融盐、含水盐和金属，具有高潜热容量、不可燃且成本相对有机PCM较低等优点。然而，大多数研究不采用无机PCM，主要因为它们具有腐蚀性、较高的相变温度、同样较差的导热性、重量大，以及在多次相变循环中易发生相分离、脱水和过冷，导致稳定性差。其中，脱水是其应用于热能存储的最大障碍，会使材料不稳定。

07热电系统

热电发电与热电制冷器（TEC）作为电池热管理系统亦具有诸多优势：它们运行相对安静、稳定，并且可通过电压的微调实现更精确的温度控制。通常，热电器件利用Peltier–Seebeck效应及Thompson效应，在冷端与热端之间进行温差与电流的相互转换。然而，用于BTMS的热电系统存在主要弊端：其热效率较低，而且需要额外的能量驱动，从而降低了电池包本身的整体热效率。

大多数研究工作会将TEC与其他冷却形式（包括风冷、液冷和PCM冷却）组合成混合系统。例如，搭建液体–空气–TEC混合冷却系统；或将TEC模块与U形和Z形冷却板耦合，用于棱柱形锂离子电池冷却；以及将TEC与直接风冷系统结合，应用于混合动力巴士电池包等。将TEC与其他BTMS冷却方式混合能够显著降低电池包的最高温度并优化温度分布，但也会增加系统复杂性并额外消耗电池功率，可能对整体效率产生不利影响。

08讨论

从所做的综述研究可以看出，各种BTMS系统各有优劣，适用于不同规格的电池包。明显地，每种BTMS可分为被动与主动两类，如表 1 和表 2 所示。

表1 被动BTMS系统的优点和缺点

表2. 主动BTMS系统的优点和缺点

通过自然通风的空气冷却是最廉价、最简单的电池包冷却方式，但由于其热容和传热系数都较低，难以满足大多数电动汽车的散热需求。因此，它仅适用于充放电速率低、体积小且环境温度适宜的短途车型。

热管能够被动工作并具有高于空气冷却的传热效率，但其冷凝段体积大、温度难以精控，且冷凝器仍需额外冷却，使其在整车集成时面临空间和系统复杂度挑战。为减少冷凝段占用空间，一般将冷凝器倾斜布置以节省体积。

相变材料作为被动BTMS具有吸热量大、可在相变温度下长时间维持恒温的优点，同时无需主动冷却部件，系统紧凑。然而，PCM在熔融后需较长时间重新固化，液态时存在泄漏风险，其高潜热仅在狭窄温度区间内可用，难以应对电池包内的快速温升或骤冷。对于有机PCM，还需警惕热失控时的可燃性；无机PCM则存在多次相变后化学稳定性差、熔点高、比重大等问题。鉴于此，可在热工况相对稳定且已采取阻燃措施的车型中采用有机PCM BTMS。为提升PCM系统质量，其容器应增强导热、防止泄漏并保证多次循环的均匀性，因此带导热涂层或鳍片结构的封装容器是理想选择。

针对长途快充车型，其大容量电池包在高热负荷下需要主动冷却系统来精准调控散热能量。通过强制对流的风冷，可依据热负荷调节风速，实现所需的散热效果；借助J型通道等优化进、出口结构，还能进一步提升冷却性能。但风冷BTMS也存在风道内气流紊乱导致冷却不均、空气低传热系数和比热容带来的能效瓶颈。可通过在电池包内增设多点进气口、在关键区域布置多孔铝沫或安装热沉等方式补偿这些缺陷。

在实际应用中，大多数电动汽车仍以液冷BTMS为主，因为液体通常具有高于空气的传热系数和比热容。对于棱柱或软包电池，冷却板能覆盖更大受冷面积，但铝或铜冷却板自重大，会显著增加整车质量；且液体沿冷却板流动时会逐渐升温，靠近出口区域的散热性能较差，需并联多路通道以改善均匀性。与冷却板相比，导热软管更轻便、柔性好，可根据电池几何形状设计管路，但同样存在出口末端散热差和管路泄漏风险，需定期检修更换。

浸没冷却通过直接将电池包浸入介电液中，最大化受冷面积，并利用介电液高比热实现卓越的快充快放性能；其不可燃性也能大幅降低热失控风险。但介电液成本高、用量大，因而更适合高性能、高热负荷车型。

热电制冷器可精细调控电池包散热量，但自身制冷效率有限，需与风冷或液冷系统联合使用，以实现精确控温。

综上所述，各BTMS方案各有侧重：风冷适合轻量短途，液冷胜在高热负荷，PCM被动高效，TEC精控精准；混合系统则可兼顾多种优势，但也会提高系统复杂度和成本。在具体车型选型时，应根据电池包规格、散热需求和整车集成约束，权衡各方案优劣，选择最优的单一或混合BTMS组合。

09结语

本文回顾了电池热管理系统（BTMS）技术的最新进展，重点探讨了空气冷却、液冷、相变材料（PCM）和热电冷却四种方案的优劣，并对多种混合系统进行了分析。空气冷却能耗最低、维护简单、成本最低，适用于热负荷较低的短途电动汽车；液冷换热系数高、比热容大、温度分布均匀，但成本、重量和维护需求也更高，适合长途高热负荷场景；PCM系统可在相变过程中被动吸收大量热量，但热导率低、潜热有效温度范围窄，适用于热负荷稳定且环境温度恒定的应用；热电冷却温度控制精准，但单独使用时制冷效率不足，需与风冷或液冷等方式联合使用；混合BTMS则可综合多种方案的优势，却会带来更高的系统复杂性和成本。因此，在选型与设计时，应充分权衡各方案的特点与实际需求，选择最优的混合或单一BTMS组合。