鋰離子動力電池熱管理方法研究進展

王 雅，方 林

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鋰離子動力電池熱管理方法研究進展

王 雅，方 林

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

動力電池組是電動車船的關鍵部件，電池溫度過高造成的電池性能下降乃至熱失控會使整車面臨嚴重的安全風險。本文從傳統熱管理方法（空氣冷卻、液體冷卻）和新型熱管理方法（相變材料冷卻、熱管冷卻、噴霧冷卻和液態金屬冷卻）等幾個方面對電池熱管理方法進行綜述，給出目前電池熱管理方法的研究進展，為后續的研究方向提供參考。

動力電池 電池熱管理 研究進展

0 引言

作為電動汽車與船舶的關鍵部件，動力電池組的性能決定了整機的性能。目前制約動力電池發展的一個重要因素是它的熱管理問題。鋰離子電池在充放電過程中會產生一定的熱量，這些熱量如果得不到及時的疏散，就會使電池溫度上升，導致電池組產生溫差，性能受損，而動力電池組數量越多功率越大，其產生的熱量就越多越難疏散，聚集的熱量使電池溫度持續上升，當溫度超過安全上限時，將會觸發熱失控等安全問題，甚至造成爆炸等連鎖反應[1]。

因此電池熱管理成為電動汽車、船舶研發的關鍵技術，日益受到研究人員的重視。本文綜述了近幾年來電池熱管理方法的研究進展，指出傳統熱管理方法和新型熱管理方法當前的研究現狀，以期對今后的研究方向產生啟發。

1 傳統電池熱管理方法研究進展

1.1 空氣冷卻

空氣冷卻又稱風冷，指利用空氣的流動帶走電池產生的熱量，按照驅動方式分為自然對流式風冷和強迫對流式風冷[2]。作為結構簡單、成本較低的一種熱管理方法，空氣冷卻的發展已經較為成熟，研究人員在送風策略、電池布置方式等方面已經進行了大量的研究，在商業上也具有比較成熟的應用。

近年來，學者對空氣冷卻的研究主要從發展新模型、提高設計的準確性和速度，發展新的配風策略，優化結構等方面進行。華南理工大學的汪雙鳳等人[3]針對風冷電池系統嘗試將流阻網絡模型與遺傳算法、貪婪算法[4]等結合，對系統結構進行優化，使電池組溫差得到了進一步的控制。西安交通大學的路昭等人[5]將電池正負極固定件加入三維空冷模型，研究了電池正負極固定件熱導率對電池組溫度性能的影響規律，得出了最優固定件熱導率，并通過添加翅片的方式進一步改善了溫度的均勻性，對實際工程具有指導意義。

Zhou等人[6]提出了一種基于氣體分配管道的圓柱形鋰離子電池冷卻策略（圖1），采用數值模擬的方法研究了不同放電速率下電池組件的熱行為和空氣流場，分析了孔板參數、進氣壓力和放電速率對空冷策略性能的影響，這是一種有效和實用的冷卻策略，不需要改變電池模塊的分布。

圖1 帶有配風管道的電池模塊原理圖

Chen等人[7]研究了不同送風口和出風口位置對空冷電池熱管理系統性能的影響，發現送出風口位于臺中時冷卻效率更高，并對電池間距進行了優化[8]。

1.2 液體冷卻

與空氣相比，水的比熱容和導熱系數較高、粘度系數較低，保證了水在消耗較少泵送功率的情況下能夠更有效地傳熱。因此，水常被用作液冷系統的工作冷卻劑，為了防止冷卻水在冬季凝固，通常采用水/乙二醇混合物來降低冷卻劑的冰點。為了防止短路，通常采用管道、夾套、冷板等措施避免水與電池直接接觸，這樣電池組產生的熱量經對流換熱由管道中的冷卻液導出稱為間接接觸式液冷系統[9]。目前對間接接觸式液冷系統的研究，主要還是從發展新結構、研究換熱規律、優化性能的角度進行。

Shang等人[10]設計了一種變接觸面鋰離子電池液冷系統（圖2），接觸面由冷卻板的寬度決定，增加進口質量流量可以有效地限制最高溫度，但不能顯著改善溫度均勻性。溫度與進口溫度成正比，但與冷卻板寬度成反比。

Zhao等人[11]針對采用蛇形通道的液體冷卻電池模塊提出使用多個蛇形通道縮短了流動路徑或沿著流向增加電池與蛇形通道之間的接觸面積兩種方法來改善熱均勻性，數值模擬結果表明，這兩種方法可以將5C放電操作下電池模塊的熱不均勻性降低到2.2 K和0.7 K以下，效果明顯。Deng等人[12]建立了u形管蛇形通道結構的冷卻板。分析了冷卻通道數、通道布置和冷卻劑入口溫度對電池熱管理系統冷卻性能的影響，提出了最佳分布策略，對實際冷板的設計具有指導意義。Xu等人[13]選取雙進口雙出口通道的液體冷卻系統作為研究對象，研究了不同環境溫度、進冷量和充放電率下電池的散熱性能，為電池液體冷卻系統的設計提供了參考。直接接觸式液體冷卻方法是另一種典型的液冷方法，在變壓器等電子器件的冷卻中曾有著廣泛的應用。通常采用介電阻燃油作為冷卻劑，將電子器件浸沒于冷卻油中，油與電子器件直接接觸，可以有效地將熱量導走。沉浸式油冷由于結構簡單，導熱性能較好，而且具有阻燃性，對熱失控具有潛在的抑制作用，得到了研究人員的重視。

圖2 變接觸面液冷電池模塊原理圖

Pesaran等人[14]指出，在相同條件下，由于邊界層較薄、導熱系數較高，導熱阻燃油的傳熱效率遠遠高于空氣，然而由于油的粘度較高，油冷卻系統會消耗更多的泵功。Kim等人[15]比較了相同通道直徑和質量流量下導熱阻燃油冷卻和水/乙醇溶液夾套冷卻的效果。結果表明，油冷系統的壓降明顯高于水冷系統。但是，水冷系統由于夾套的存在，電池與冷卻劑之間的熱阻增大，有效傳熱系數減小，油冷系統的傳熱系數要高于夾套水冷系統。Chen等人[16]指出在相同的流動速度下，由冷卻劑粘度決定的油冷系統壓降是水冷系統壓降的幾倍。為了降低壓降，油冷系統應采用低流量。

2 新型電池熱管理方法研究進展

隨著高新技術的日益發展以及不同學科的交叉融合，一些新材料、新技術也被研究人員應用到電池熱管理系統中來，或將新材料與傳統方法結合，或從別的領域技術遷移，為電池熱管理方法提供了新的思路。

2.1 相變材料冷卻

相變材料作為一種儲能材料得到學者的廣泛研究，也被應用到電池熱管理系統中。目前研究者主要利用相變材料具有相變潛熱的特性將其與別的方法相結合提出新型有效的冷卻結構，另外也嘗試對相變材料的制備和性能做出相應的改進。 Zhu等人[17]針對高功率鋰離子電池組開發了一種新型熱管理結構（圖3），提出了將金屬冷卻管和相變材料嵌入到高導熱系數和孔隙率的銅微纖維介質中，銅微纖維介質極大地改善了界面傳熱，有效地在鋰離子電池、冷卻管和相變材料之間傳導熱量。相變材料在高峰使用時儲存電池產生的多余熱量，在非高峰使用時釋放到冷卻管中，經過預測模型對電池熱失控的阻斷具有明顯作用。

Ping等人[18]提出了一種新型相變材料（PCM）耦合翅片結構用于電池組熱管理系統（圖4），以降低最高溫度改善溫度均勻性，采用數值模擬的方法研究了PCM種類、翅片厚度、翅片間距和PCM厚度對電池組件冷卻性能的影響，并進行了實驗驗證。

Zheng等人[19]提出了一種液冷和相變材料冷卻相結合的鋰離子電池組熱管理系統（圖5）。主要散熱方式為液冷散熱，在熱不透明區域填充復合相變材料，提供相對較小的吸熱量。為了保證電池組內的溫度均勻，冷卻劑采取交替流動，這對系統的散熱有不利影響。為了解決這個問題，在冷卻管之間添加了聚氨酯絕熱夾層。

圖3 相變材料新型冷卻結構示意圖

圖4 相變材料耦合翅片結構新型熱管理系統原理圖

Zou等人[20]采用石墨烯、碳管和膨脹石墨等材料添加到石蠟中制備出新型復合相變材料，其具有良好的防泄漏性能和較高的熱導率，局部強化傳熱效果幾乎與泡沫銅/相變材料相同。

2.2 熱管冷卻

熱管作為一種有效的傳熱元件，由于其導熱高效、結構小巧布置方便，也被研究人員提出應用到電池熱管理系統中。

Rao等人[21]設計了一種帶有熱管的熱管理系統。實驗結果表明，在合適的發熱功率下，非穩態工況和循環試驗工況，最大溫度和溫差均保持在理想范圍內。采用熱管為基礎的動力電池熱管理是實現電動汽車節能的有效方法。

Smith等人[22]提出了一種基于熱管的8個棱柱形單元的大功率電池熱管理系統（圖6），并對其進行了400 W的熱負荷測試和設計。熱管系統由兩部分組成:熱管冷卻板從電池模塊的各個棱柱狀單元中提取熱量，以及遠程傳熱熱管將熱量從模塊傳輸到300 mm外的液冷冷板。與傳統的液體冷卻系統相比，基于兩相熱管的熱控制將提供更好的電池溫度均勻性，更簡單安全的結構設計。

圖5 電池組熱管理系統原理圖

圖6 基于熱管的大功率電池熱管理系統原理圖

2.3 其他冷卻方法

傳統液冷存在冷卻效率有限的問題，Yang等人[23]提出使用液態金屬作為新型冷卻劑，用于電池組的熱管理。通過數值模擬比較了液態金屬冷卻系統與水冷系統的冷卻能力、泵功耗和模塊溫度均勻性。結果表明，在相同的流動條件下，液態金屬冷卻系統可以獲得更低、更均勻的模塊溫度和更少的泵功耗。此外，液態金屬可以應對高功率拉伸、電池缺陷、環境溫度高等壓力條件，這使其成為一種有前途的冷卻劑。

Saw等人[24]提出了一種適用于電池組熱管理系統的噴霧冷卻方法（圖7）。通過實驗和數值模擬，研究了常規干空氣冷卻和噴霧冷卻的熱工性能。結果表明，與干空氣冷卻相比，噴霧冷卻能提供更低、更均勻的溫度分布。

3 總結及展望

隨著電動汽車、船舶向著大功率、長航時發展，動力電池組的工作環境將變得更加惡劣，對電池熱管理系統的要求也更為苛刻，發展高效、安全、簡單、低成本的熱管理方法具有十分重要的意義。本文對近幾年電池熱管理方法的研究進展進行了綜述，可以看到，當前研究的主要趨勢是通過研究換熱規律對傳統熱管理系統進行結構的創新與優化；發展完善數值模型，提供更快速更準確的模擬和設計方法；引入新技術、新材料，將多種冷卻方法進行耦合，提供更新的熱管理思路，進一步提高冷卻性能。其中靈活運用新材料新技術，多種冷卻方式的交叉融合是今后發展的重要方向。

圖7 噴霧冷卻熱管理系統原理圖

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Research Progress of Battery Thermal Management on Lithium-Ion Power Batteries

Wang Ya, Fang Lin

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM912

A

1003-4862（2019）05-0014-05

2018-12-27

王雅（1980-），女，工程師。研究方向：情報研究。E-mail: wendy007888@sohu.com