基于熱管技術的鋰離子電池熱管理研究進展

雷 波，冼海珍

（華北電力大學能源動力與機械工程學院，北京 100084）

0 引言

“十三五”期間，為了實現我國由能源大國向能源強國轉變的總體目標，汽車行業的升級與改造勢在必行。目前，汽車行業的快速發展成為我國能源需求供給缺口的一大原因，但我國的石油資源短缺，幾乎一半的石油需求需要通過進口來解決。因此，大力發展以電動汽車為代表的新能源汽車，以電代油，是建設資源節約型社會、環境友好型社會和生態文明社會的重要措施，也是轉變我國汽車發展方式，有效控制汽車尾氣排放的根本途徑［1］。

作為電動汽車核心部件的電池，其性能優劣直接制約整車的動力性、安全性和經濟性。目前常見的電池主要有鉛酸電池、鋰離子電池、鎳氫電池、燃料電池等［2］，而鋰離子電池因能量密度高、循環壽命長、自放電率低和無記憶效應等特性而受到電池制造商的關注和親睞。然而，盡管鋰電池在電動汽車領域有著較為誘人的前景，但鋰電池對溫度的敏感性束縛了鋰電池在電動汽車領域的進一步發展。

外界溫度的變化以及電池充放電過程中化學反應的吸放熱使得電池溫度不可避免地發生變化。溫度升高會加劇電池容量衰退，過高的溫度甚至可能導致電池熱失控；溫度過低，電池功率、容量顯著衰減，充放電效率下降；電池組中不同電池之間溫差過大，會導致單體內阻、容量的不一致性和電池的不均速老化，形成整個電池系統性能與壽命短板［3］。因此，設計合理的電池結構并結合合適的冷卻方案是電池熱管理系統（battery thermal management system，BTMS）的研究目標［4］。一個良好的電池熱管理系統需要滿足以下特點：

1）保證電池工作在最佳的溫度范圍內（25 ℃～40 ℃），當溫度低于或高于該溫度范圍時，需要對其加熱或冷卻［5］。

2）減小電池組內的溫度差異，抑制局部熱區的形成，使電池組地溫差小于5 ℃［6］。

3）兼顧實際需求，如系統的緊湊型、重量、復雜性和可靠性等要求。

1 常用的熱管理技術

從冷卻媒介考慮，常用的電池熱管理技術可以分為空氣冷卻技術、液體冷卻技術、相變冷卻技術（phase change material，PCM）、熱管冷卻技術以及多種冷卻技術的耦合散熱。

空氣冷卻是以低溫空氣為介質，利用熱的對流，達到降低電池溫度的一種散熱方式。因具有成本低、重量輕和安裝簡單等優點，早期常被應用在一些續航里程短且主打性價比的車型上，例如日產LEAF、起亞Soul EV 等，現仍常見于電動巴士、電動物流車中。空氣冷卻分為自然對流冷卻和強制對流冷卻。研究發現，自然對流冷卻并不能有效對單電池組散熱，而強制對流利用風機能夠明顯降低電池組的最大溫度，但常使得單體間的溫差較大。目前，研究者通過優化電池組和空氣流道的布局［7-8］、調整風速大小［9］、改變進出風口位置、變化流通路徑［10］等方式來提高電池熱管理系統的能力。然而，由于空氣冷卻換熱效率低和熱傳導弛豫時間較長等缺點，使其仍難滿足電動乘用車大規模電池組在高溫環境中的熱管理需求［11］。

為進一步提高電池熱管理系統的能力，采用換熱系數更高、冷卻速度更快的液體冷卻成為強化傳熱的必然手段，同時，液體冷卻技術也是目前電動乘用車的優選方案，如特斯拉、雪佛蘭和寶馬等電動汽車品牌均已采用，常用的電動汽車電池熱管理方式如表1所示。液體冷卻技術通過介質對流換熱，不僅能帶走將電池產生的熱量，達到降低電池溫度的目的，更能明顯提升電池組溫度場一致性。液體冷卻的方式分為直接液體冷卻和間接液體冷卻。當前，液體冷卻的研究主要集中在：冷卻劑選擇（水、油［12］）和改良（加入納米流體［13］），以及冷卻劑相關參數的優化（如速度和溫度參數［14］、入口和開口的位置及數量［15］），流道設計（直通道［16］，U 型通道［17］）；對于間接冷卻，為了提高電池表面與冷卻劑之間的散熱能力，還主要包括冷卻劑與電池之間傳熱的設計，例如：冷卻管道的布置（常規布置、交錯布置［18］）、冷卻板（冷卻管）的設計與改良［19-20］，冷卻通道的優化及選型以及在電池表面與冷卻管道之間添加高導熱性物質［21］。然而，不可避免的是液體冷卻存在復雜的結構和容易泄露的缺點仍是需要解決的關鍵問題。

表1 常用的電動汽車電池熱管理方式Table 1 Common electric vehicle battery thermal management methods

當前，基于PCM相變降低電池溫度的相變制冷技術是另一個研究重點。PCM 作為冷卻劑的電池熱管理系統不僅能在大電流下安全工作，還能使電池組更加緊湊輕便［22-23］。同時，相變制冷技術也無需額外冷卻部件和無需消耗額外能量等優點。當前，相變制冷的難點在于導熱系數較低以及需要較長的冷卻時間。因此，有關相變制冷的研究主要集中在相變物質的選取及改良，其主要方法有：1）利用導熱系數高的填充物（如碳纖維［24-25］、納米粒子）；2）將PCM 嵌入到多孔介質中（如金屬泡沫［26］、膨脹石墨［27-28］）；3）將PCM 依附于金屬網格、石墨片或散熱片上；為了防止持續充/放電時相變物質完全融化而發生泄露，通常利用相變制冷技術與其他方式的結合（包括強制風冷［29］、水冷或熱管冷卻），常見電池熱管理技術及其應用如表2所示。

表2 常見電池熱管理技術及其應用Table 2 Common battery thermal management technology and its application

2 基于熱管技術的電池熱管理系統

近年來，由于熱管具有傳熱效率高、等溫性能優良和使用壽命長等優點而受到廣泛關注，其工作原理是液體工質在蒸發端受熱蒸發汽化，在壓差驅動下流向另一端并在冷凝段凝結放熱，液體工質通過毛細力沿多孔材料返回蒸發段。結合熱量在基于熱管的電池熱管理中實際流動方向，從電池與熱管間的熱量傳遞、熱管的選型與結構設計、散熱端冷卻方式等3方面考慮，充分利用以熱管為基礎的電池熱管理系統，以提高電池熱管理系統的能力。

2.1 電池與熱管傳熱設計與傳熱特性分析

電動汽車的運行工況復雜多變，在穩定狀態下，電池的產熱速率隨放電倍率非線性增加，在非穩定狀態下，如隨時可能遇到的急剎、變速等情形，電池的溫度變化更加劇烈。這就要求電動汽車必須建立一個良好的電池熱管理系統以隨時掌控電動汽車內鋰電池的溫度變化。在電池與熱管間的傳熱研究中，熱管理系統建立的難點在于如何使電池產生的熱量更均勻和最大化地傳遞到熱管的蒸發段。

2.1.1 電池與熱管間的傳熱設計

由于熱管與電池接觸的區域近乎呈線性接觸，使得如何提高熱管與電池的接觸效率成為熱管在電池熱管理應用上的難點。Kuan-Ting Lin 等［31］通過實驗研究了燒結熱管和溝槽熱管在被壓平之后的性能變化，當熱管蒸發段被壓平之后，僅對熱管的蒸發段熱阻有較小的影響，壓平前后其最大熱負荷幾乎不變。也可通過在電池單體間增加導熱板［32］等方法來提高熱管與電池的接觸面積，從而提高熱管的傳熱特性。陳維等［33］通過模擬比較有無鋁集熱板對電池熱管理性能的影響，結果表明，有鋁集熱板的電池組溫差可以維持在3 ℃左右，而無鋁集熱板的電池組溫差超過了5 ℃，表明鋁集熱板在散熱方面的有效性及良好的均溫性。Jianqin Wang 等［34］通過正交法分析了電池間距、導熱元件的厚度、電池與導熱元件的接觸角和導熱元件的高度對電池熱量分布的影響（如圖1 所示），結果表明導熱元件的高度對電池的最大溫度和溫差影響最大，接觸角次之，導熱元件的厚度和電池間距對電池溫度分布的影響最小。

圖1 電池模塊結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of battery module structure

除此之外，在熱管與電池間填充相變材料［35］不僅可以增加電池熱管間的接觸面積，更能提高溫度的一致性。張維［36］研究了微小平板型環路熱管和相變材料耦合散熱對電池的最高工作溫度和溫度分布的影響。實驗表明，在相同放置方式和相同功率的條件下，微小型環路熱管和相變材料耦合散熱時，電池的最高溫度保持低于最佳工作溫度上限50 ℃的時間最長，微小型環路熱管系統其次，自然風冷系統最短。同時，應該注意的是，相變物質的導熱率、厚度以及熔點等性質對電池熱管理系統散熱也有著較大的影響。Wencan Zhang 等［37］以相變物質、液體冷卻和熱管為基礎建立了混合熱管理系統，研究結果表明：PCM 的導熱率與厚度、熱管的長度和冷卻水的速度對于電池的最大溫度和溫差都有著很重要的影響。Hamidreza Behi 等［38］比較了在自然冷卻、熱管冷卻和熱管冷卻結合相變制冷3 種形式下的熱管理系統的冷卻效果，研究結果表明，在8C 放電倍率下，自然對流下的電池組最高溫度達到53 ℃，熱管冷卻下達到了46.3 ℃，而熱管結合相變制冷的冷卻方式，利用熱管的超高導熱性補償了相變物質的低導熱性，使得電池的最高溫度僅33.2 ℃。

2.1.2 熱管布置方案設計

熱管不同的安裝方式對電池的熱管理有著重要影響。Saleem Abbas 等［39］以平板熱管、相變物質和水冷為基礎設計了兩種安裝方式：分離式熱管（detached heat pipe，DHP）和附著式熱管（attached heat pipe，AHP）。與DHP 相比，在6W 的產熱率下，AHP 模式下不僅能使單次充放電循環中整體的最大溫度降低31%，且在不同的充放電循環過程中的電池最高溫度保持一致，還能夠用更少的時間達到穩定狀態。熱管不同的放置位置［40］以及偏轉角度就成為熱管理系統不可缺少的研究之一。Thanh-Ha Tran 等［40］比較了垂直位置左右傾斜20°時系統的冷卻性能，研究表明，熱管中毛細效應在液體運輸的過程中起主要作用，而重力作用的效果相對較小，因此，熱管冷卻系統在不同等級的路面條件下均能高效地工作。

2.2 熱管結構的設計與傳熱特性分析

作為熱量傳遞過程中的關鍵環節，熱管不僅需要快速吸收鋰電池的產熱，更為重要的是將鋰電池的熱量及時傳遞給外界。由于熱管的熱管理性能受熱管的選型、啟動時間、結構、內部工質的設計及改良等多重因素的影響，因而只有通過對熱管合理的設計和改良使其能夠充分發揮熱管優良的熱管理性能，才能使得電池組的溫度維持在合理的范圍內。

2.2.1 熱管的選型和啟動

通過研究發現當溫度低于熱管的啟動溫度時，鋰電池熱量的傳遞主要以管材為主，但當溫度大于熱管的啟動溫度時，以內部工質相變傳熱為主［41］。目前熱管的選型主要以脈動熱管（振蕩熱管）、L型熱管、平板微熱管［42］以及燒結熱管等為主。不同的熱管具有不同的優勢，如脈動熱管對于圓柱形電池的散熱具有較大的優勢，L型熱管能夠很好地節約空間，平板微熱管具有較大的接觸面積，因而選擇何種類的熱管在電池熱管理領域尚無統一的選型和設計，目前的研究中一般基于不同的熱管理性能選擇不同的熱管。Hamidreza Behi 等［43］設計了一種L 型平面熱管結合散熱銅片的散熱結構（如圖2所示），與自然對流相比，電池模組在X方向僅增加7 mm，但電池的最高溫度下降了42.7%，溫度一致性提高了73.4%。

圖2 電池模組結構示意[43]Fig.2 Schematic diagram of battery module structure

熱管的啟動主要分為持續啟動和間歇啟動，考慮到同步冷卻可能過度降低電池的溫度，會對電池的功率產生不利的影響。Liang 等［44］通過控制入口冷卻劑和電池的溫差來研究間歇冷卻中熱管的時間滯后問題，研究結果表明：間歇冷卻與持續冷卻相比，不僅可以使電池有相近的冷卻表現，更能夠通過減少以熱管為基礎的熱管理系統的運行時間來大幅降低電池的功率消耗。Rao等［45］通過試驗研究發現振蕩熱管的啟動溫度必須由期望的最高溫度和電池組可接受的最高溫差決定。設計出良好的啟動時間和啟動溫度不僅能夠使電池組工作在合理的溫度范圍內，還能有效地降低電池運行的額外功耗。

提升熱管散熱能力的另一有效途徑是選擇合適的熱管數目，不僅能夠增加蒸發段的吸熱面積，更能提高熱管的傳熱速度。Jia qiang E 等［46］利用正交法對熱管數目、冷卻劑的流動速度、冷卻通道的寬度和高度等參數進行量化分析，確定其主要和次要因素并找到了最優組合模型。數值模擬結果表明，熱管數目能夠明顯影響電池的平均溫度，冷卻速度次之；電池溫度一致性方面，熱管的數目和冷卻劑的流動速度有著相同的影響程度。

2.2.2 熱管的結構設計

尺寸設計包括熱管各部分的結構尺寸［47］及比例，吸液芯的結構，王建等［48］通過研究冷凝端的長度對電池散熱的影響發現：由于熱管冷凝段長度的增加，使得冷凝端與電池箱外空氣的對流換熱面積增大，從而降低了電池組的溫度；同時，冷凝段太長不僅會增加電池組的溫差，還會增加電池組的體積。合理設計熱管不同部分的長度及比例既可以考慮到電池熱管理系統的散熱性能，還能兼顧電池組的整體體積。曾?。?9］探討了U型熱管模塊在不同的蒸發段幾何尺寸下的電池溫升情況，結果表明，當蒸發段水平和豎直長度之比逐漸增大時，電池壁面的最高溫度和平均溫度先下降后升高，且兩者均在比值等于1時達到最小。

2.2.3 內部工質的設計與改良

工質的種類（如水和甲醇）和充液率及濃度比［50-51］。熱管工質種類的選擇是基于冷卻能力和蒸發段的工作溫度范圍。在相同的配置下，以水為工質的熱管比以甲醇為工質的熱管熱阻更小，但是以水為工質的熱管的工作溫度范圍要較大，不利于在鋰電池熱管理方面的應用，而甲醇則易蒸干［52］；陳萌等［53］通過試驗分析了不同工質配比對電動汽車車用鋰電池散熱性能的影響，試驗結果表明：較高的充液率會帶來較高的熱阻值，而較高的工質濃度配比會加強TiO2-CLPHP 傳熱性能。因此，脈動熱管傳熱的可靠性和有效性需要考慮合適的工質配比。

2.3 散熱結構的設計與傳熱特性分析

作為與外界環境接觸的冷凝段，熱管傳遞的熱量需要迅速地釋放給外界環境，以保證熱管在電池熱管理中高效工作。通常考慮的是空氣冷卻或液體冷卻。冷凝段結合空氣冷卻，結構簡單，易于安裝實現；冷凝段與液體冷卻結合，散熱效率更高，能應對更大的散熱需求。

2.3.1 冷凝段與空氣冷卻結合

熱管冷凝段與空氣冷卻的結合是最簡單最常用的散熱方式，Liyuan Feng 等［54］通過試驗發現：在熱管的冷凝段，利用自然對流冷卻時在放電結束溫度已超過電池的正常使用范圍，而結合強制冷卻的方法不僅能夠使電池的最大溫度降低約15 ℃，還能有效降低電池的應變，應變降低約50%。因此，與空氣冷卻結合的過程中，主要考慮的是強制冷卻。為進一步提高換熱效率，可采用增加冷凝段的面積如增加熱管的數目或冷凝段的面積。王小平等［55］的研究表明：熱管個數增加會相應提高冷卻系統成本，增大對流換熱系數會增加功率消耗，而增大冷凝段長度又會增加熱管冷卻系統的體積，因而，常需要在保證冷卻要求的前提下，合理設計這3個變量。

冷凝段添加翅片并考慮翅片的數量、翅距和翅厚［56］是提高冷凝段散熱的另一種方法。Jiaqiang E等［57］研究了翅片的間距和厚度對傳熱的影響，當厚度不變時，隨著相鄰翅片間距的增加，使得翅片的平均溫度略有下降；當間距不變時，隨著翅片厚度的增大，進出口的壓力差值變化較小。同時，需要注意的是，不管是出于散熱還是考慮電池整體的緊湊型，翅片的間距和厚度不是越大越好，都存在一個合理的值。也有研究者通過提高風速來增強電池熱管理系統的冷凝段散熱能力。過高的風速會增加額外功率的消耗，過低的風速會降低散熱效率，結合考慮電池組空間布置等實際因素，熱管冷凝段的風速存在最佳值。

2.3.2 冷凝段與液體冷卻相結合

由于空氣的比熱容較低，無法滿足電動汽車日益高漲的散熱需求，因此，利用熱管并結合液冷的熱管理方式正在受到研究者的關注。根據熱管與液體的接觸方式可以分為直接接觸式液冷和間接接觸式液冷。直接接觸式液冷包括冷凝段直接接觸液體或噴水冷卻。Rui Zhao 等［58］采取冷端噴水來提高電池的熱管理性能，比較了熱管冷凝端結合自然對流和噴水式冷卻的冷卻效果，在3C 持續放電工況下的結果表明：自然對流效果最差，電池溫度高且溫度梯度達到12 ℃，而噴水冷卻在給定的放電條件下，電池溫度為21 ℃且溫升小于4 ℃。

間接接觸式液冷通常將熱管冷凝段與液冷管道相接觸，通過液冷管道中液體的流動帶走冷凝段的熱量。該方法避免了液冷過程中的冷卻液與電池的接觸，極大提高了電池的安全性。Tang Wei 等［59］為提高電池組件的溫度均勻性，在平板熱管結合單向液體冷卻的基礎上提出了平板熱管結合往復冷卻策略（如圖3 所示），模擬結果表明：轉換時間τ（τ=3 600 s，1 800 s，900 s）越短，電池組的最大溫升越低；與平板熱管結合單向流動策略相比，最大溫升可降低8.7%，最大溫差可降低13.5%。

圖3 平板熱管結合液體冷卻結構示意圖[59]Fig.3 Schematic diagram of flat heat pipe combined with liquid cooling structure

間接接觸式液冷不可避免地會出現冷卻液在流動方向上冷卻效果變差，為了能夠降低電池的溫差，Yong huang Ye等［60］的研究表明：在熱管冷凝段前放置擾流器（如圖4 所示），能夠明顯改善沿流動方向上換熱效果逐漸變差的問題，從而提高了溫度的均勻性；同時，與未使用散熱片的電池組相比，散熱片的使用使得最高溫度降低了5.5 ℃，溫差降低了0.3 ℃，電池熱管理系統的冷卻能力從71 W增加到115 W，顯著提高了電池熱管理系統的性能。

圖4 熱管冷凝段設計方案[48]Fig.4 Design scheme of condensing section of heat pipe

3 結語

電動汽車的發展過程中，溫度對鋰電池性能和壽命的影響至關重要，而熱管作為高效的換熱元件是未來鋰電池電動汽車的重要研究方向。盡管當前的研究已經取得一些進展，但隨著鋰電池電動汽車的發展，更高的里程數和更高的儲備電量需要更有效率的電池熱管理系統。目前，基于熱管的電池熱管理系統尚存在一些問題：

1）熱管系統的設計應該結合實際的車用工況，充分考慮鋰電池的溫度與其動態產熱的關聯性，從而制定出一套更省時更有效的電池熱管理策略，實現鋰電池的高效、低能耗的管理。

2）將熱管應用于電池的過程中，熱管與電池的線性接觸很難完全發揮熱管的高導熱性。因此，不僅需要綜合全面地考慮如何擴大接觸面積，更需要充分研究不同類型的熱管的應用情形。

3）單一的冷卻手段很難使得電池運行在合適的溫度和溫差范圍內，巧妙結合不同冷卻手段的優勢是未來電池熱管理系統的必備手段，比如熱管的蒸發段結合相變材料，冷凝段結合液冷的方式。

4）目前的研究評價體系集中在電池的工作溫度范圍和溫差，但應注意的是，不同的方法適應不同的工作環境和熱管理需求，這些措施在對電池的熱管理性能帶來改善的同時，也會相應增加電池的體積或重量等弊病，輕量化和低能耗是未來電動汽車熱管理系統發展地必然趨勢，因此，電池熱管理系統應該更加全面綜合地研究各個傳熱因素。