電動汽車電池熱管理系統發展現狀及分析

胡祖賢，王可，干宏程，曾恩

（1.200093 上海市 上海理工大學；2.330095 江西省 南昌市 江西制造職業技術學院）

0 引言

據中國汽車工業協會近3 年新能源汽車的月度銷量統計（如圖1 所示），在推進綠色低碳轉型的新時代背景下，電動汽車的產銷量逐年攀升。然而在電動汽車快速發展過程中，熱失控問題越來越顯著，研究電動汽車電池熱管理技術對解決這一問題具有積極意義。動力電池內部溫度超過正常工作溫度會影響其工作性能，而且環境溫度對動力電池的正常工作也具有一定的影響。高溫天氣時，如果動力電池散熱不及時，嚴重時會產生熱失控，導致安全事故的發生；低溫天氣時，動力電池會發生損耗，減小電池壽命。動力電池熱管理系統利用加熱或冷卻技術對電池組溫度進行管理與控制，使電池組工作在正常溫度范圍內并減小單體電池間溫度差。

圖1 新能源汽車月度銷量Fig.1 Monthly sales of new energy vehicles

磷酸鐵鋰電池、三元鋰電池、鈷酸鋰電池、燃料電池等幾類電池應用比較廣泛。比亞迪刀片電池采用磷酸鐵鋰電池，特斯拉電動汽車主要采用鈷酸鋰電池，本田和豐田等汽車采用燃料電池。磷酸鐵鋰電池或三元鋰電池在國內應用廣泛，因此本文主要就這2 種電池（下文統稱為鋰離子電池）的熱管理系統發展現狀進行討論。以動力電池生熱和傳熱機理為理論基礎，分析不同冷卻技術和加熱技術的電池熱管理系統的特點，并介紹發展現狀及未來發展方向。

1 動力電池的冷卻技術

鋰離子電池熱管理系統冷卻技術的實質是通過冷卻媒介把電池內部的熱量傳遞到外界環境中，從而降低電池內部溫度的熱交換過程。根據冷卻介質的不同，電池冷卻技術可分為空氣冷卻、液體冷卻、相變材料冷卻和熱管冷卻[1]。幾種冷卻技術的結構特點及優缺點對比如表1 所示。

表1 冷卻技術結構特點及優缺點Tab.1 Structural characteristics,advantages and disadvantages of cooling technology

1.1 空氣冷卻技術

空氣冷卻也稱為風冷，根據有無風扇等外部設備，將空氣冷卻分為自然風冷和強制風冷，其主要利用電池傳熱機理中的對流換熱原理。按電池排列方式，空氣冷卻系統結構可分為串行通風和并行通風[2]，兩種冷卻結構如圖2 和圖3 所示。空氣冷卻系統的結構設計簡單，成本低，但是其散熱效果不明顯，動力電池難以維持在正常溫度范圍內工作。通過改變電池的排列方式、風道、電池間距和風速等設計優化空氣冷卻系統，可以使電池熱管理系統達到更好的散熱效果。

圖2 串行通風Fig.2 Serial ventilation

圖3 并行通風Fig.3 Parallel ventilation

空氣冷卻技術研究方向主要有：（1）控制風量和風壓2 個重要指標改善系統的冷卻效果；（2）改變單體電池的排列方式來合理規劃電池包空間及風道。Zhang ZhuQing 等[3]建立非穩態三維熱模型來模擬鋰離子電池在不同工況下溫度變化情況及空冷散熱系統的冷卻效果。結果表明，電池組溫度變化受風量的影響；眭艷輝[4]等發現平行排列和交錯排列的電池組模塊利用空氣冷卻技術，設置風速等參數保持不變。結果表明，初始時由于在進風口空氣溫度更低，進風口周圍電池組溫度降低。但隨著換熱的進行，空氣到達出風口時，空氣自身的溫度升高，根據對流換熱原理，空氣與電池表面的換熱效果變差。為解決平行排列和交錯排列式電池組存在的這一問題，提出梯形排列的電池組布置形式如圖4；陳磊濤等[5]通過改變電池組通道寬度和空氣進出口處集流板的傾斜角度探究通道內的流速分布，共設計15 種結構方案，采用ANSYS-Fluent 軟件分析對比不同結構方案的散熱效果，并利用CFD-Fluent 仿真計算，對比得到不同結構方案的溫度分布情況和散熱效果最好的結構形式。

圖4 梯形排列電池組Fig.4 Trapezoidal battery pack

1.2 液體冷卻技術

液體冷卻和空氣冷卻都是利用對流換熱原理，以冷卻液是否接觸電池組可分為直接冷卻和間接冷卻。液體比空氣的對流換熱系數大，散熱效果更好，但結構復雜，密封條件要求高，設計維護成本相對較高。

液體冷卻技術中，結構設計主要有流道結構設計、冷卻板布置形式設計。為了改進傳統冷卻板的不足，鄒曉輝等[6]設計了幾種新型流道結構（如圖5 所示），在冷卻板上下布置這幾種新型流道結構，分別位于冷卻板上下的中心線上，流道寬度從入口到出口逐漸增大。

圖5 新型流道變結構Fig.5 New channel variable structure

實驗研究表明，增加出口流道的寬度能增強散熱能力，溫度變化較小。并且在流量相同時，新型流道結構比普通流道結構的散熱能力好。冷卻板中的流道是否對稱分布會影響液體冷卻的散熱效果，對非對稱和對稱分布的流道進行仿真分析，得到冷卻板對稱性和電池組溫度場的關系。比較最高溫度和溫度差，表明對稱結構下冷卻板散熱能力更好。冷卻板安裝位置的對稱性也是影響散熱效果的因素。實驗分析，非對稱安裝位置比對稱安裝位置散熱效果更好，溫度分布更加均勻；Giuliano 等[7]研究發現，在水冷裝置中加入鋁換熱板，能提高散熱效果，并很好地控制電池組的溫度；謝金紅[8]利用單因素控制變量法，分別控制冷卻板管徑、管距、板厚和布置形式等因素，設計電池熱管理系統并進行仿真，找到冷板的較優結構。利用Fluent 進行仿真實驗。結果表明，合理選擇冷卻板的板厚、管徑、管距等能改善液冷散熱系統的散熱效果。

1.3 相變材料冷卻技術

相變材料冷卻是將相變材料作為冷卻介質，利用其在相變反應過程中物理狀態發生變化吸收（或釋放）電池的熱量。這種冷卻技術溫控效果和均溫能力較好，但是材料價格昂貴。

相變材料在液態、固態、汽態之間轉變時會吸收（或釋放）大量的熱，溫度基本保持不變[9]。相變材料導熱和吸熱性能顯著，當電池組內部某個單體電池溫度超過正常工作溫度范圍時，其熱量能夠迅速傳遞，使單體電池間溫度基本一致。靳鵬超等[10]對空氣冷卻和相同結構的填充相變材料的空氣冷卻系統的冷卻性能進行對比，表明填充相變材料的電池組最高溫度在安全溫度范圍內，溫度差小于5 ℃。

1.3.1 復合相變材料的研究

相變材料冷卻可由單一相變材料或復合相變材料作為冷卻介質，區別是復合相變材料是由2 種及以上的相變材料或組合金屬基材料制備而成。相變材料的種類和各成分的質量分數會影響熱管理系統的散熱性能。Temel 等[11]在相變材料中加入3%、5%、7%的石墨烯納米片（GNP）制備復合相變材料。結果表明，復合相變材料的導熱系數隨GNP質量分數的增加而增加；Sari 等[12]分析質量分數對復合相變材料的導熱系數影響時，加入不同質量分數膨脹石墨（EG）制備石蠟/EG 復合相變材料。結果表明，導熱系數隨EG 質量分數的增大而增大；張江云[13]選擇泡沫銅/石蠟和石墨/石蠟2 種復合相變材料進行對比試驗，在不同放電倍率和不同工況下測試散熱效果。研究結果表明，2 種材料各有優缺點：泡沫銅/石墨具有高導熱性和較強的機械物理性，可以彌補石墨/石蠟相變反應時易開裂的缺點；而石墨/石蠟的物理狀態呈膠態，絕緣性能更好。在研究泡沫銅/石蠟的基礎上，對比空氣、液體、相變材料三種散熱方式的散熱效果，結果顯示相變材料的控溫和均溫效果較好。

1.3.2 相變材料耦合其他冷卻方式

為提高相變材料的散熱效果，相關學者設計研究了相變材料耦合其他冷卻方式的熱管理系統。呂少茵等[14]對相變材料（PCM）耦合空冷、液冷、熱管3 種冷卻方式進行綜述分析。結果表明，PCM耦合其他冷卻方式的熱管理系統能滿足電池的散熱需求，散熱效果較好。說明混合式相變材料的熱管理系統是未來發展研究的方向，通過改變電池間距、電池組結構設計也會影響PCM-BTMS（相變材料熱管理系統）的冷卻效果；朱波等[15]發現單一相變冷卻的熱管理系統不能適應電池極端放電的工況問題，在PCM 熱管理系統增加2 根U 形冷卻管道，并對熱管理系統進行設計。實驗結果表明，新改進的熱管理系統無論是低溫環境下的加熱效果還是高溫環境下的散熱效果都優于傳統熱管理系統，且不同工況下均比傳統熱管理系統更加節能，為相變材料冷卻和其他冷卻方式結合提供了設計思路；Wu[16]在石蠟/膨脹石墨復合相變材料中增加一種銅網，結果表明以銅網為骨架的新型結構可以提高整個模組的強度和導熱性能，使熱管理系統具有更好的散熱性能。

1.4 熱管冷卻技術

熱管是由蒸發端、絕熱端、冷凝端組成的傳熱元件，具有高度導熱性能，一般由管殼、吸液芯、端蓋組成[17]。熱管技術利用熱傳導原理把電池組充放電時產生的熱量通過傳熱介質傳遞到熱管，再通過熱管的散熱技術把熱量帶走，其導熱能力較強。這種技術具有使用壽命長、換熱系數大等優點，但是存在系統結構復雜、易泄漏等一系列問題[18-20]。

根據熱管冷端冷卻方式的不同，熱管冷卻技術可以分為風冷熱管系統和液冷熱管系統[21]。丹聃[22]等在熱管技術研究中發現，熱管冷端風冷散熱可以通過改變冷端翅片數目、翅片結構設計、提高風冷流速、增大冷凝段長度來增強熱管散熱效果。為彌補風冷散熱不足，通過液冷-熱管耦合可使電池組達到較好的散熱效果；劉彬[23]等搭建基于大平板熱管的動力電池熱管理散熱模型，大平板置于電池組下方，冷端采用風冷散熱并設有矩形散熱風道。通過改變放電倍率和環境溫度仿真，驗證模型的正確性，并進一步仿真分析了翅片數目、進口風速、進口風溫對電池包散熱效果的影響；田晟等[24]利用正交實驗層次分析法對設計的熱管-鋁板嵌合式散熱結構進行數值模擬，分析散熱性能受鋁板厚度、熱管排列間距、熱管冷凝段長度和對流換熱系數因素的影響程度。實驗結果表明，增大對流換熱系數和冷凝段長度可以顯著提高熱管的散熱性能。

2 動力電池的加熱技術

鋰離子動力電池在低溫環境下工作時會影響其使用性能，通過電池加熱技術可以提升電池的性能。加熱技術分為內部加熱和外部加熱2 種[25]。內部加熱法通過內阻發熱，結構簡單，不需要添加額外的組件。從安全性考慮，外部加熱法更加安全，但結構復雜、能耗高、溫度分布不均勻。對內部加熱法和外部加熱法的優缺點分析如表2 所示[26]。

表2 內部加熱和外部加熱法對比Tab.2 Comparison between internal heating and external heating

2.1 內部加熱技術

內部加熱法是對通電導體產生的焦耳熱對電池加熱的方式。具體可分為充電加熱法[27]、放電加熱法[28]和交流激勵加熱法[29-30]。Zhang 等[31]基于等效電路建立產熱模型，研究一種用正弦交流電對鋰離子電池低溫內部加熱的方法。在不同加熱條件下，對18650 電池進行加熱實驗，結果表明加熱速率隨電流振幅和頻率變化而變化。在電流條件最優時，較短時間內電池溫度可上升25 ℃左右，且多次加熱電池容量不發生損耗；Zhu 等[32]以電流頻率、振幅和波形三個參數為變量，探究電流參數變化對溫度造成的影響。通過建立模型對18650 電池進行不同頻率、振幅和波形實驗，結果表明低頻高阻抗的電流可以使溫度顯著上升。

2.2 外部加熱技術

外部加熱法是在動力電池外部添加高溫氣體/液體、電加熱膜、相變材料、熱管，利用珀爾帖效應實現熱量由外向內傳遞的加熱形式[26]。具體加熱方法有：循環高溫氣體加熱[33-34]、循環高溫液體加熱[35]、內置加熱板或加熱膜[36-37]、填充相變材料或化學反應產熱材料加熱[38-39]、珀爾帖效應加熱[40]、熱管加熱[40]。

循環高溫氣體加熱法利用電流加熱導體獲得熱空氣，再通過風扇把熱空氣送入電池內部進行對流換熱。Ji 等[29]采用電化學-熱耦合模型模擬鋰離子電池從零下溫度加熱的過程。研究過程中提出三種利用電池功率的加熱策略，其中一種為外部功率加熱策略；鄭林森[41]等研究了超低溫鋰電池組，預熱裝置與介質填充的管道連接，加熱介質與電池組進行熱交換后，通過管道進入預加熱裝置進行下一輪加熱。液體加熱過程較空氣加熱更復雜，管道密封性要求高、設計復雜；Zou 等[27]設計了熱管-液體耦合熱管理系統，既可以對電池低溫加熱又可以高溫散熱；朱建功等[26]通過測試不同材料、不同規格動力電池的低溫充放電性能和阻抗特性，研究表明低溫條件會降低電池的充放電效率和增加電池阻抗。低溫交流充電加熱策略存在不可逆的過充風險，而利用外部加熱法雖然可以避免不可逆過充風險，但加熱效率低、增加能耗。因此內部加熱法和外部加熱法都面臨著各種難題。

3 結語

鋰離子電池熱管理系統加熱和散熱技術是控制電池內部溫度的2 個重要技術，也是電池熱管理研究的重點。電池熱管理系統的研究和設計中，不僅要使熱管理系統具有較好的控溫和均溫能力，還要盡量減小電池包的質量，降低能耗。鋰離子電池熱管理技術的發展狀況和未來發展方向總結如下：

（1）空氣冷卻技術通過控制風量和風壓、改變電池組排列方式和風道寬度等方式來改善風冷系統的散熱效果。但是一些電動汽車的風冷散熱系統不能滿足汽車在多種工況下的散熱要求，可以利用風冷散熱結構設計簡單的優點，耦合其他冷卻方式以提高熱管理系統的散熱能力；

（2）雖然液體冷卻比空氣冷卻的散熱效果好，但是液體冷卻對結構的密封性能要求高、制造成本高。改變冷卻板材料、冷卻板位置、冷卻液選擇、管道形狀、管道布置形式等都能提高液冷熱管理系統的性能。熱管和液冷耦合的熱管理系統在未來具有巨大的發展潛力；

（3）相比單一相變材料，采用復合相變材料的電池熱管理系統的散熱性能更好。為增強相變材料散熱系統的散熱能力，相變材料可以耦合其他冷卻方式，以提高熱管理的控溫和均溫能力。對相變材料熱管理系統研究較多的是相變材料的選擇研究，但是相變材料的成本較高，所以相變材料和其他冷卻方式耦合的研究更具長遠意義；

（4）動力電池熱管理系統采用熱管技術時，由于單個熱管換熱面積較小，要達到理想的散熱效果需要使用較多的熱管，但目前研究的熱管材料成本高，因此可以研究熱管耦合其他冷卻方式或材料來提高散熱效果；

（5）相比外部加熱技術，內部加熱技術結構簡單，加熱速度快，溫度均勻性好，但內部加熱的控制機理較復雜和安全性較低限制了其在電池低溫加熱中的應用。外部加熱技術已應用于實際中，但加熱效率較低，增加電池的能耗，使電池壽命進一步衰減。為解決內部加熱和外部加熱技術面臨的難題：其一，針對內部加熱技術，可通過深入研究電流控制策略來提高電池加熱速率和安全性；其二，針對外部加熱技術，可加強相變材料與其他冷卻方式（集冷卻和加熱于一體）的耦合研究。