車用鋰離子電池主動空冷技術研究進展

張順博，何 軒，申彥杰，龍南充，高強

(長安大學汽車學院，陜西西安 710064)

電動汽車的快速發展，要求電動汽車在電池容量、續航里程和安全性等方面進一步提高性能。作為電動汽車儲能設備的動力電池，需保證電動汽車具備一定的行駛里程，同時還需要在不同行駛狀態下使電機轉動并保證輸出一定的電力。因此，保證高性能的動力電池能夠安全穩定地輸出能量至關重要[1]。在眾多電池類型中，因為在能量密度、輸出功率和循環使用壽命等方面上的優勢，鋰離子電池成為電動汽車儲能設備的首選[2]。

1 車用鋰離子動力電池的散熱需求

鋰離子動力電池作為電動汽車的儲能裝置，需要保證最佳的工作狀態，一般應保持在20～40 ℃[3]。溫度過高時，集聚的熱量帶來溫度的快速升高會導致電池的容量、能量輸出和循環壽命受到影響，還可能加速電池的腐蝕，嚴重時會使電解液分解進而產生大量氣體，使電池發生膨脹甚至爆炸，造成電池熱失控現象[4]。同時，若動力電池組各單體間的溫度差異較大，會影響單體電池的衰減速率，進而造成各單體電池間性能的不均衡，影響整個動力電池組的性能發揮和循環壽命[5]。因此，控制動力電池組的溫度在合適的工作范圍對電動汽車各項性能指標特別是安全性起著至關重要的作用。

2 主動空氣冷卻技術優勢

電池熱管理系統可根據傳熱介質的不同分為四類：空氣冷卻(風冷)、液體冷卻、相變材料(PCM)冷卻和熱管冷卻[6]。不同的電池熱管理系統都存在一定的優缺點：液體冷卻換熱能力強，冷卻速度快，但體積較大，存在漏液的風險[7]。相變材料冷卻難以做到持續散熱。熱管冷卻整體結構復雜、成本高昂[8]。風冷技術雖然存在對流換熱系數較小，冷卻所需時間較長，溫度均勻性差等問題，但其結構相對簡單、空間占用小、成本低、易于維護等優點使其仍具有較大的發展空間和優勢。

3 主動空氣冷卻技術研究進展

自然對流(被動)和強制對流(主動)均可作為空氣冷卻的方式，但自然對流的換熱能力遠小于強制對流。由于風扇的使用引起空氣流速的劇烈變化，使得強制對流的換熱能力大大加強。目前對于主動空氣冷卻BTMS 的參數改進主要集中在三個方面：流動參數、運行參數和設計參數[9]。而用于評價BTMS 性能的指標包括：電池模塊內的最高溫度、電池模塊內的溫度均勻性、系統壓降[10]。系統壓降越高，運行冷卻系統所需的寄生功率就越高，能耗也就越高。

3.1 流動參數

流動參數主要指主動空氣冷卻BTMS 的內部氣流方向，可以分為單向式流動系統和往復式流動系統。在主動空氣冷卻BTMS 中，作為傳熱介質的空氣進入電池模塊中，通過對流換熱的方式將電池產生的熱量帶出。單向流動的主動空氣冷卻系統設計相對簡單、成本較低，但這種流動方式會使得入口處的電池溫度較低，而出口處的電池溫度較高，會加劇模塊內部電池單體間溫度的不均勻性。如果讓電池模塊內部的氣流能夠實現往復性地流動，改變氣流分布，就能改善溫度的不均勻性。

Mahamud等[11]采用CFD(計算流體力學)的方法研究了周期性流動對電池模組溫度的影響，發現電池單體的最高溫度降低，電池模組的溫度均勻性提高。而往復氣流運動的周期越短，電池模組的溫差越小，瞬時溫度和平均溫度也越小。同時認為溫度的改變主要是因為往復氣流運動引起電池單體間邊界層的擾動和熱的重分布。Na等[12]實現了電池模組內的反向氣流運動，并且對反向分層氣流和單向氣流進行了比較。結果表明反向分層氣流有效地降低了平均溫差。在進口處增設整流柵，空氣流過整流柵時會變得無序，這樣使系統最高溫度降低了0.5 ℃，平均溫度降低了2.7 ℃，提高了溫度均勻性。

Wang等[13]對具有兩個冷卻通道的大型軟包鋰離子電池進行實驗研究，發現在非往復式氣流系統中，氣流方向對溫度分布有很大影響。由于電池的熱特性，正向氣流工況的性能優于反向氣流工況，即向前氣流是該系統設計時的首選。而在放電初期時就使用往復氣流對溫差的影響并不明顯，應在放電深度達到中段時開啟往復氣流。對非周期性的往復氣流進行優化，相比正向氣流和周期性往復氣流，最大溫升分別降低了49.5%和25.5%，改善了溫度均勻性，但同時也發現往復氣流策略對溫升的影響有限。

可見，往復氣流能夠改善溫度均勻性，但由于空氣的比熱容較低，需要考慮電池模塊的最高溫度可能超出最佳工作溫度范圍，而往復氣流的實現也對控制策略和模塊的空間布置提出了更高的要求。

3.2 運行參數

運行參數主要包括環境溫度、空氣質量流量和電池負載。環境溫度如果超過45 ℃，主動空氣冷卻在適度的放電速率和環境溫度情況下可以滿足冷卻要求，但無法將電池溫度保持在安全極限以下[14]。更高的環境溫度需要更高的排氣速率，但這很難應用到電動汽車上。提高空氣質量流量可以降低電池組內的最高溫度，但會加劇電池組內電池單體間的溫度不均勻性，同時增加的空氣質量流量會增加風機的能耗[12]。電動汽車在速度響應、加速度和扭矩響應等各方面都與傳統汽車有較大的差異[15]，在選擇適合電動汽車的運行工況的同時，也要考慮不同工況下電池負載產熱的不同，這就需要主動空氣冷卻BTMS 充分考慮不同工況的影響。基于豐田Prius 和本田Insight，Kelly等[16]發現在FTP-45 和US06 兩種不同工況下，US06 工況中電池的溫升更明顯。Xu等[17]研究了不同瞬態工況(包括持續加速、持續減速和脈沖放電)的散熱性能，發現在減速工況下電池組產生的熱量不能被氣流及時帶走，電池組的溫升明顯高于電池模塊間的溫度差，說明即使電動汽車開始減速，風扇仍必須工作，直到電池組的溫度下降。

3.3 設計參數

目前學者主要在電池布置方式、電池間距和模塊結構等因素上優化主動空氣冷卻BTMS 的性能。

3.3.1 電池布置方式

不同電池單體的布置方式會影響模塊內的氣流狀態，進而影響BTMS 的冷卻性能，常見的布置方式有順排排布、交叉排布和交錯排布，如圖1。

圖1 不同電池單體排布方式

Wang等[18]通過計算流體力學方法研究了不同電池單體布置結構對鋰離子電池模塊熱性能的影響，包括：1×24、3×8、5×5 的矩形排列，19 節單體的六邊形排列，28 節單體的圓形排列。發現如果綜合冷卻效果和成本考慮，立方結構是強制風冷結構的最佳選擇，而六角形結構在空間利用率上達到最優。李康靖等[19]在恒定間距、恒定風速和恒定放電倍率的情況下，發現相比于交叉排布和交錯排布，順排排布的電池模塊有利于抑制溫升，改善溫度均勻性。同時發現在順排方式下，減小電池間距有助于降低模塊最高溫度，但會破壞溫度均勻性，間距為4 mm 時溫度均勻性達到最佳。

3.3.2 電池間距

電池單體間的距離也會通過改變流態影響BTMS 的冷卻性能。Chen等[20-21]采用優化策略優化了電池間距，結合實驗發現優化后電池溫差有效降低。Xie等[22]在一種3P4S(每組4個電池單元，3 組并聯)的風冷電池模組上，利用電熱模型和粒子群優化方法優化了風道尺寸和電池間距，優化后的電池模組具有更低的電池最高溫度和更小的電池間溫度變化，且具有更小的支路電流差異和更長的壽命。戴海燕等[23]以18650 電池為研究對象，研究表明：在相鄰單體中心距離為20、24、28、32 mm 時，對于順排布置的電池模組，增大距離會使電池溫差減小，但減小的幅度并不大，而對于交叉布置的電池模組，增大距離對電池溫差的影響很大，當間距為32 mm時電池溫差最小，相比于20 mm 時降低了1.82 ℃，此時溫度分布均勻性最好。

3.3.3 模塊結構

電池模塊的結構是影響風冷電池組BTMS 冷卻性能的另一重要因素，因為不同的結構會影響氣流的分布和阻力，從而影響電池模塊內的壓降。

串聯風冷，是指空氣從組件的一端進入另一端離開的結構，如圖2(a)。Xu等[24]在串聯風冷電池組上加裝了雙層導熱板使模塊內的最大溫度、溫差和壓降分別降低了5.04%、30.40%和64.71%，而電池模塊的質量僅增加了11.32%。導熱板的安裝也使得風機在功率較低時，也能保證較好的溫度均勻性。

相對于串聯風冷，將氣流分成相等的部分，每個部分流過一個模塊的并聯風冷結構在改善溫度均勻性方面更具優勢[25]，如圖2(b)。對于并聯風冷結構，常見的進出口結構有Z型、U 型和J 型等，并有基于它們加裝擾流板或風扇的改進結構，如圖3。

圖2 電池模塊結構

圖3 并聯風冷常見結構

Chen等[26]研究了不同進出口結構的影響，發現使用對稱結構，進口和出口都位于模塊中間時，相比傳統的Z 型結構，模塊最高溫度和最大溫差降低4.3 和6 K。同時提出優化策略，優化后的模塊比Z 型結構最高溫度和最大溫差分別降低4.5 和7.7 K，說明模塊結構參數對冷卻效果影響明顯。Liu等[27]發現相對于Z 型和U 型結構，J 型結構在溫升和壓降上均有優勢，并且提出對于J 型結構，可通過控制兩個閥門的開度，實現U 型和Z 型工作模式的交替切換，顯著提高溫度均勻性。Zhang等[28]研究了通道寬度和風道對Z 型、U 型和I 型空冷BTMS 熱性能的影響，并進行了設計優化，與Z 型和I 型相比，優化后的U 型電池模塊結構溫度均勻性更好，冷卻性能更佳。

Zhang等[29]在Z 型結構的基礎上加裝了擾流板并進行數值模擬，發現合理設置擾流板的數量和位置會顯著影響電池模塊的散熱性能，增大擾流板的傾角，也會影響冷卻性能。冷卻通道的寬度從1 mm 增加到5 mm 時，模塊的最大溫度升高，但壓降有所下降，基于功耗考慮，合適的寬度應為3 mm。Pan等[30]認為空氣流量的不一致，導致了并聯風冷結構的模塊內部溫度不均勻。他們在Z 型結構進氣道的底部安裝了風扇，通過提高模塊內的流動均勻性，將平均溫差降低了1.4 ℃，繼續增大風扇半徑可以進一步減小溫差，而將出口設置于模塊進口的對側上方，是改善風扇結構內部流動性的有效方法。

可以看出，設計參數對熱管理系統性能的影響最為明顯，可以顯著地改變電池模塊的最高溫度和溫度均勻性，目前也成為研究的重點。但需要考慮設計參數對電池模塊的體積、質量的影響，以滿足車輛的布置和輕量化的要求。同時還要考慮對壓降的影響，減少寄生功率，從而降低功耗。

4 總結與展望

本文主要總結了近年來空冷BTMS 技術的發展，重點介紹了流動參數、運行參數和設計參數對冷卻性能的影響。往復氣流通過改變模塊內氣流的分布和邊界層的擾動改善模塊的散熱性能，保證模塊的溫度均勻性。選擇合適的控制策略和模塊結構可以進一步提高冷卻效率。運行參數更多的是為設計BTMS 時提供指引，要求BTMS 在一定環境溫度和運行工況下滿足電池的冷卻性能，同時也指出，一味地增加空氣質量流量雖然會減小最高溫度，但會增加溫度不均勻性和能耗。合適的電池排布和間距選擇會改善溫度均勻性，但模塊結構的改變會顯著地影響系統的冷卻性能。綜合模塊質量、空間布置和功耗影響，尋找合適的模塊結構以實現良好的冷卻性能仍是接下來強制風冷BTMS 的研究重點。此外，還可考慮電池模塊的余熱回收，將其用于整車熱管理上，以減小整車功耗。

風冷BTMS 也存在著對流換熱系數較小，冷卻所需時間較長，溫度均勻性差等問題，在環境溫度較高和高放電倍率下，主動空冷BTMS 往往難以達到需求，但是由于風冷BTMS結構相對簡單、空間占用小、成本低、易于維護等特點，而且相比于液冷BTMS 不存在漏液的風險，所以應用比較廣泛。通過對流動參數、運行參數、設計參數的改進，可以提高BTMS 的散熱性能，同時相比于單一的冷卻方式，復合冷卻的散熱性能更優。近年來，在主動空冷BTMS 的基礎上研究人員對混合BTMS 進行研究，包括主動空氣冷卻和PCM 冷卻、熱管冷卻的結合，可以有效地將電池組的工作溫度保持在理想的范圍內。因此，結合主動空氣冷卻的復合冷卻技術是未來一個重要的研究課題。