鋰離子電池熱管理新技術

由于高能量密度和長循環壽命，鋰離子電池廣泛用于電動車輛。由于鋰離子電池的性能和壽命對溫度非常敏感，因此保持適當的溫度范圍非常重要。電池組熱管理是依據電池性能在不同溫度下變化的分析，結合電池自身內部的電化學反應與生熱機理，涉及到傳熱、材料、電化學不同門類的交叉，通過設計合理的系統使電池組在高溫及低溫時熱失控得到控制，從而使電池組整體性能獲得提高的一種新技術。

依據電動汽車電池組的冷卻系統是否需要考慮周圍環境條件，分為主動及被動冷卻。依據冷卻時所需的冷卻介質，散熱方式有又可分為風冷散熱、液體冷卻及相變材料冷卻幾種方式。

本文主要基于不同冷卻方式介紹了近兩年內有關鋰離子電池熱管理的新方法，為新能源汽車電池熱管理系統提供新的技術方向。

1 相變材料冷卻

相變材料（PCM）主要以潛熱形式存儲熱量，這是由于其潛在的大容量存儲容量。PCM從固態變為液態或從液態變為氣態，在潛熱儲存期間幾乎恒溫，反之亦然。PCM由于其低體積膨脹而具有優于其他存儲材料（例如制冷劑，水，乙二醇，油等）的益處，是無毒和非爆炸性質的。還值得一提的是，普通的PCM具有非常低的導熱率（0.1～0.3W/（m·K））。熱量存儲率受到PCM的低導熱率的影響。

1.1 相變材料飽和石墨烯泡沫鎳的鋰離子電池熱管理[1]

在先前的研究中，鋰離子電池的熱管理主要使用石墨烯-石蠟復合物或金屬泡沫（銅，鎳或鋁）/石蠟復合物進行。石墨烯的導熱率非常高（2 000～3 000W/（m·K））。石蠟的滲透性在滲入鎳泡沫和石墨烯涂覆的鎳泡沫后增加。但問題在于，泡沫鎳僅使石蠟的導熱率提高了六倍，石墨烯石蠟復合材料的熱機械性能（如拉伸強度和抗壓強度）在高溫下變弱。

作者基于石墨烯涂覆的泡沫石蠟飽和的鋰離子電池研究其熱管理系統的性能。還研究了另外四種熱管理材料，即鎳泡沫、石蠟、石墨烯涂覆的鎳泡沫和用石蠟飽和的鎳泡沫，并相互比較。此外，還研究了在較高操作條件（30℃，33℃）下用石蠟作為熱管理材料飽和的石墨烯涂覆的鎳（GcN）泡沫的性能。研究還包括用石蠟飽和的GcN泡沫的熱特性（熱導率、潛熱、相變溫度和比熱容），將結果與純石蠟和用石蠟飽和的鎳泡沫進行比較。圖1所示為幾種不同材料的形態。

圖1 （a）鎳泡沫（12.7PPI）的光學圖像[1]（b）用石蠟浸透的鎳泡沫[1]（c）石墨烯涂覆的鎳泡沫[1]（d）用石蠟填充的石墨烯涂覆的鎳泡沫[1]（e）石蠟和復合材料的TGA分析[1]（f）將石蠟滲入金屬泡沫中[1]

通過研究得出[1]：

（1）石墨烯涂覆的鎳泡沫使純石蠟的導熱率提高了23倍，而泡沫鎳使純石蠟的導熱率提高了6倍。

（2）與石蠟相比，復合材料的熔化和冷凍溫度分別升高和降低。石蠟熔融溫度的這種變化取決于金屬泡沫孔結構-固體相互作用和金屬泡沫孔結構-液體相互作用。

（3）與純石蠟的潛熱相比，用石蠟飽和的石墨烯涂覆的鎳泡沫的潛熱減少了30%。與固相和液態的純石蠟相比，相變材料飽和的鎳泡沫的比熱容分別小16%和12%，而用相變材料飽和的石墨烯涂層鎳的比熱容為35%，與固體和液體狀態的純石蠟相比，分別小34%。

（4）使用石墨烯涂覆的泡沫石蠟作為熱管理材料，與鎳泡沫相比，在1.7A的放電電流下，電池表面溫度的升高降低了17%。

1.2 基于相變材料的新型實用電池熱管理系統[2]

PCM集成到電池是一種創新的熱管理方式。在過去的幾年中，研究界已經提出了PCM集成解決方案。然而，在用于電動汽車應用的這種系統的商業化之前仍然存在一些需要解決的挑戰。根據現有研究，其整合的兩個主要方面仍需要進一步研究：有效的熱導率增強，同時最大化PCM質量和完全熔化后的PCM再生。盡管現有研究中提出的解決方案的效率很高，但它們的實施仍然具有挑戰性且昂貴。

作者提出了一種集成和改善電池熱管理系統（BTMS）內相變材料（PCM）熱傳遞的新解決方案，并研究了PCM熔化溫度對系統性能的影響。文章通過建立1D與3D兩個數值模型進行分析。

所開發的1D模型能夠模擬PCM和電池之間的熱傳遞，其代表具有圓柱形幾何形狀的熱源。然后通過3D建模研究什么是最佳的集成架構，可以允許更好的電池散熱和最大化PCM量，以防止電池熱失控和不均勻的溫度分布。為此，模擬了三種設計方案，如圖2所示。

圖2 高導熱率材料用藍色表示。（a）采用薄層和板材設計[2]（b）僅使用上板設計（僅表示單元的1/16）[2]（c）設計有鰭片PCM和單元格未表示（透明）[2]（d）設計'b'的網格[2]

作者所提出的方法首先強調了PCM選擇（導熱系數、熔化溫度）的重要性，并提出了用于最佳尺寸的數值模型，并且還討論了一個重要的問題，即PCM熔化溫度對系統性能的影響，這在以前沒有進行過徹底的研究。此后，進行PCM導熱系數增強與簡單的通風系統相結合。與諸如金屬泡沫之類的現有技術方法相比，所提出的方法是增強PCM內部熱傳遞的簡單但有效的方法，其設計可能復雜且昂貴（孔隙率、重量等）。此外，所提出的解決方案可以減少要集成的PCM量。

為了改進和系統優化，可以進一步進行以下研究：

（1）使用所提出的新解決方案開發真實尺寸原型，并基于實驗數據識別電池組的3D模型。

（2）開發測試臺以測量和量化電池單元與銅泡沫/PCM之間的接觸熱阻的影響。

（3）降低電池單元和銅泡沫/PCM之間的熱阻的方法。

（4）使用能夠處理連續和整數變量的高級優化算法和3D模型確定關鍵參數。

（5）調查這種新解決方案的安全性方面和EV的集成。

2 空氣冷卻

電池熱管理系統對于消散電池組產生的熱量至關重要，并保證電動汽車的安全。在各種電池熱管理技術中，空氣冷卻系統由于其成本低、重量輕等優點，是最常用的解決方案之一。

2.1 基于針翅式散熱器和多孔金屬泡沫的鋰離子電池熱管理[3]

恒定高度的針翅散熱器是許多冷卻系統中使用的有益工具。這些散熱器可顯著降低電池內的整體溫度。然而，它們不能可接受地改善溫度均勻性。因此，在作者的研究中，將鋁泡沫插入散熱器的空氣流動通道內，以通過改善溫度均勻性來制備用于鋰離子電池的兼容的熱管理系統。作者研究了五種不同的情況，如圖3所示。

圖3 不同案例的示意圖[3]

圖中案例1：沒有任何針翅或多孔金屬泡沫插入的流動通道，案例2：帶有鋁銷翅片的流動通道，案例3：帶有多孔鋁泡沫銷翅片的流動通道，案例4：完全插入的流動通道采用多孔鋁泡沫，案例5：完全插入的流道，多孔鋁泡沫和鋁銷翅片。

作者通過進行三維瞬態熱分析，研究了具有五種不同類型散熱器的鋰離子電池單元的風冷模塊。研究了多孔鋁插入、針狀翅片（實心或多孔）的類型、氣流入口溫度和空氣流入口速度對電池單元內的溫度場的最高溫度和標準偏差的影響。這項研究的結果得出以下結論：

（1）在所有空氣流入口速度和低泵浦功率下，針形翅片的使用降低了電池組內部的最高溫度。然而，在高泵浦功率下，針形翅片會導致更高的溫度。此外，在所有泵浦功率和低空氣流速下，所有固體（非多孔）鋁針形翅片都能夠改善鋰離子電池內部的溫度均勻性。

（2）多孔鋁銷翅片不能提高鋰離子電池內的溫度降低或改善溫度均勻性。

（3）在空氣流動通道內嵌入多孔鋁泡沫可以提高電池內部的溫度。但是，它無法改善溫度均勻性。

（4）在空氣流動通道內插入多孔鋁泡沫和鋁針狀翅片的組合降低了電池內部的溫度并改善了溫度均勻性。建議將此組合用于高功率需求行業。

2.2 二次風口并聯風冷電池熱管理系統流量配置設計[4]

在各種電池熱管理技術中，空氣冷卻是最常用的解決方案之一。為了改善冷卻通道之間壓降的均勻性，作者通過使用二次通風口改善了并聯風冷BTMS的冷卻性能，并研究了入口空氣溫度、發熱速率以及二次通風口的位置和尺寸對BTMS冷卻性能的影響。如圖4所示為二級通風口位置示意圖。

圖4 二級通風口位置示意圖[4]

研究表明：

（1）電池組的溫度上升和溫差與入口空氣溫度無關，并且與恒定發熱率的情況下的發熱率成比例。因此，降低進氣溫度可降低絕對溫度，但不能降低電池組的溫差。EV的大功率消耗的情況可能導致電池組中的熱失控。

（2）輔助通風口的位置強烈影響BTMS的冷卻性能。當輔助通風口位于會聚氣室上時，建議將其放置在具有最大電池溫度的電池單元周圍的冷卻通道上。

（3）與會聚氣室上的第二通風口相對于冷卻通道相比，位于BTMS出口附近的第二通風口可有助于實現更好的冷卻性能。在這種情況下，數值研究表明，與用于恒定發熱率情況的原始系統相比，電池組的最高溫度降低了5K或更多，并且最大溫差減少了60%或更多。而且，隨著二次通風口的寬度增加，BTMS的冷卻性能變得更好，并且對于不穩定發熱率的情況可以實現類似的改進。

3 蒸發冷卻

蒸發冷卻是當前熱管理系統采用的一種新興冷卻技術，因為它能夠以合理的成本消散高熱量。冷卻劑液滴吸收來自加熱表面的多余熱量，以通過蒸發提供冷卻。與傳統的液體冷卻不同，傳統的液體冷卻需要昂貴的設備，例如泵、冷板和熱交換器，蒸發本質上是一種大氣過程，因此它只需要最少的能量和操作成本。

3.1 新型霧化冷卻鋰離子電池組熱管理系統[5]

迄今為止，電池組熱管理系統上的霧冷卻是相對較新的技術。在作者的研究中，霧冷卻被提出用于電池組熱管理系統。首先，應用CFD模擬評估了強制空氣對流和霧冷卻下虛擬電池的熱性能和流場，并通過實驗測量驗證了計算結果。其次，使用加速率熱量計（ARC）在恒定電流充電和放電的各種C速率下表征電池的發熱。接下來，應用經驗證的CFD模型來研究在不同冷卻配置下電池模塊中的電池的溫度分布。隨后從穩態模擬得到傳熱相關性，然后將其用于確定在各種瞬態充電和放電操作下電池模塊溫度的熱性能。

研究中使用的電池模塊由六個以圓形圖案排列的電池組成。電池模塊的示意圖如圖5（a）所示。在虛擬電池上進行實驗測試以驗證數值模擬結果，圖5（b）所示為虛擬單元測試臺的示意圖。

圖5 （a） 圓柱形電池模塊的CAD模型[5]

圖5 （b） 虛擬單元測試臺的示意圖[5]

通過作者的研究，可以得出結論：霧冷卻系統提供了優異的冷卻性能，可將電池溫度保持在最佳工作溫度范圍內，并且能夠使電池模塊上的溫度變化最小化。通過將少量霧氣引入干燥空氣流中，冷卻流體的傳熱性能能夠增強干燥空氣的不良對流性能，從而改善下游的整體傳熱性能。此外，發現霧化流體的負載分數是影響冷卻系統的熱性能的關鍵參數。目前的工作表明，通過用霧冷卻系統代替傳統的強制空氣冷卻系統，可以實現高達45%的熱性能改進。此外，霧發生器的功耗約為4.8 W，而空氣冷卻系統消耗更多功率以實現更高的性能。目前的工作得出結論，霧冷卻系統可以為配備液體冷卻系統的鋰離子電池提供另一種熱管理解決方案。雖然液體冷卻方法需要昂貴的設備，例如冷板、泵和熱交換器，但這會增加EV的總重量并因此減少總的續駛距離。除此之外，冷凝器可以安裝在電池組上以收集水滴用于再循環。在未來的工作中，可進一步究霧冷卻系統的不同冷卻液和液滴尺寸的影響。

3.2 新型氨沸騰電池熱管理系統的開發與評估[6]

作者模擬和評估了基于氨沸騰的電池熱管理系統的性能，以將未來可能的氨基混合動力電動汽車的工作溫度保持在最佳工作范圍內。氨用作車輛的冷卻劑和燃料。該系統利用了池式沸騰的高傳熱系數。冷卻系統將直接接觸沸騰與產生的氨蒸氣的自然對流耦合。對4C充放電循環進行了600 s的模擬。所提出的系統工作原理如圖6所示。

圖6 （a）的示意圖考慮了包括其尺寸的棱柱形電池[6]，以及（b）與所提出的基于氨的冷卻系統集成的電池組的設計[6]

研究結果表明，當只有5%的電池前表面被沸騰氨池覆蓋時，該系統能使電池的最高溫度保持在33℃以下，具有良好的應用前景。所有考慮的情況的最大溫差和平均溫度分別小于12℃和28℃。增大電池池覆蓋面積可降低電池的最高溫度，提高電池的溫度均勻性。此外，基于沸騰的冷卻系統能夠將電池的工作溫度保持在最佳操作范圍內。所提出的系統的缺點之一是它特別適用于使用氨作為無碳燃料的未來混合動力電動車輛。進一步的研究值得使用可用于純電動車輛的沸騰電池冷卻系統。計劃在該領域進一步研究以考慮改變電池組內電池的布置和取向，以具有較低的最高溫度和較好的電池溫度均勻性。此外，進一步的分析應該考慮研究容納液氨池而不是直接冷卻池接觸的冷卻板的效果。

4 熱管冷卻

熱管是自發操作的小元件，利用相變熱傳遞。這些管道可以使用非常小的溫差傳輸大量的熱能。由于熱管可以用來強化傳熱，近年來，熱管冷卻技術得到了廣泛的研究。

4.1 汽車用圓柱形電池組內部熱管理的新方法[7]

與表面冷卻方法相反，設計用于片式冷卻的電池組有可能更緊湊，因為不需要電池之間的冷卻機制。與表面冷卻方法相比，用于電池組的片狀冷卻方法具有通過電池提供平面內溫度梯度的額外好處，這可以延長電池壽命。然而，片式冷卻的一個主要缺點是存在較長的傳熱路徑，因為傳統電池的長度會增加內部溫度梯度的大小。作者研究了一種新的圓柱形電池內部熱管理方法，以降低通過電池內部傳熱的熱阻。

新提出的內部冷卻方法涉及將熱管放置在電池單元的心軸內，由此熱管的冷凝器和蒸發器端都連接到鋁散熱盤。這種形成的熱傳導網絡被稱為“熱管系統”。熱管冷卻方法的示意圖如圖7（a）所示。還示出了常規冷卻方法，其示出了底部冷卻器冷卻（b），徑向/表面冷卻（c）和雙翼片冷卻（d）。通過采用廣泛使用的、計算效率高的交替方向隱式（ADI）方法，利用有限差分法求解單元復合材料內的控制熱傳導方程，圖7（e）所示為用于有限差分方案的解域。

相對于用于冷卻圓柱形電池單元的熱管的過去應用，在該研究中所提出的熱管系統利用電池內存在的更有效的軸向熱傳導路徑來進一步增加從電池到熱管的熱傳遞速率。這是通過將2 mm厚的金屬（鋁）散熱器盤連接到熱管的兩端（用作電池芯軸材料）來實現的，該熱管直接接觸電池材料的頂部和底部。熱模型強調，由于通過電池內部的熱傳遞的熱阻降低，所形成的熱傳導網絡能夠顯著降低內部電池溫度梯度。這種內部熱管理方法要求外部傳熱機制僅存在于電池的底部，這可以簡化電池組級熱管理設計策略。熱管系統還有可能直接集成在各個電池單元的內部，以便在采用單片冷卻的現有電池組設計中更簡單地集成。

圖7 具有（a）熱管和擴散盤冷卻[7]（b）底部/單片冷卻[7]（c）徑向/表面冷卻[7]（d）兩個片冷卻的圓柱形電池的單元級冷卻策略示意圖[7]（e）用于有限差分方案的解域，其顯示整個單元復合材料中的溫度節點[7]

將熱管和擴散盤并入電池的直接缺點是能量密度的降低和電池質量的增加。相對于參照的18650電池，添加3 mm熱管和2 mm擴散盤使電池能量密度降低了5.8%，電池質量增加了11.7%。對于32113電池，采用6 mm熱管和2 mm擴散盤，電池能量密度降低了6.0%，質量增加了10.0%。

鑒于熱管系統的熱性能比單片冷卻有明顯的理論改進，進一步的研究應針對與將熱管和擴散盤并入電池內部有關的實際問題。這應著重于識別方法，以避免潛在的短路，因為電通路是由熱管和擴散盤產生的，同時避免額外的電阻，這可能會損害利用電池內軸向傳導通路的附加益處。為了進一步了解復雜的內部電池梯度對電池老化的影響，應制造測試電池樣品，同時進行實驗分析，以量化和比較熱管冷卻方法在相同的電池電負荷下與傳統的片冷卻方法的老化速率，以及外部冷卻條件。

4.2 基于微熱管陣列的鋰離子電池模塊熱管理系統[8]

作者提出了一種在高溫和低溫連續充放電循環期間提高電池模塊穩定性和安全性的新方法，即在用于冷卻和加熱電池模塊的熱管理系統中使用微熱管陣列來提高電動汽車電池組性能。在作者的研究中，計算在36A（2C）的恒定電流下充電-放電循環期間電池模塊的發熱。然后，計算冷凝器的冷卻面積并進行實驗驗證。圖8所示為微熱管陣列的內部結構。每個微熱管中有許多內部微槽（或微型翅片）以增強熱傳遞。在此設置中，即使1個管道損壞，其他獨立管道也能繼續正常工作。

圖8 微熱管陣列的內部結構[8]

研究表明：新的基于微熱管陣列的電池模塊熱管理系統，根據微熱管陣列的有效導熱系數和傳輸特性，可以改變冷凝和蒸發的冷卻和加熱模式。此外，微熱管陣列的安裝緊湊而靈活。該系統實現了電池在充放電循環中的理想效率，降低了高溫和低溫下的電池衰減，有效緩解了局部熱失控，大大提高了電池模塊的安全性能，提高了充電性能

（1）假設在2C充電-放電循環結束時電池模塊的平均溫度為40℃，計算模塊產生的熱量。然后獲得微熱管陣列冷凝部分的散熱面積。

（2）當在密封條件下以1C和2C速率進行充電-放電時，電池模塊的最終溫度為32℃和39℃。在2C循環結束時，溫度與假設溫度40℃相同，模塊溫度差控制在3℃以內。

（3）在使用微熱管陣列加熱方法以改善低溫下的電池性能后，加熱后充電容量達到約16 Ah。在-30°C，加熱1 100秒后充電容量增加14.28 Ah，充電電壓升至3.2 V，電池溫差小于2°C。

5 結束語

鋰離子電池由于擁有高升功率、低的自放電、長使用壽命、無記憶效應等優越的性能，被廣泛作為電動汽車動力源。但動力電池的性能對溫度的反應比較敏感，電池組性能與壽命受到電池自身溫度與電池組內部溫度均勻性的影響較大。因此，在進行電池模塊的設計時必須考慮電池組的熱管理系統，以便對電動汽車的動力電池進行有效散熱，控制電池自身溫度以及電池組內部溫度的均勻性。本文根據不同冷卻方式介紹了近兩年內有關鋰離子電池熱管理的新方法，既有比較傳統的空氣冷卻，也有比較創新、少見的相變材料冷卻、蒸發冷卻以及熱管冷卻，從而可以為新能源汽車電池熱管理系統提供新的技術思路與方向。每種冷卻方式各有其優缺點，由于效果、成本、重量等的限制，使得這些熱管理技術在現有的電動汽車上廣泛應用還有許多的制約與考量。隨著工藝、材料、技術的發展，不僅傳統的熱管理方式會有所突破，新的技術也會逐漸普及與應用。