摘要：鋰電池技術(shù)的逐漸成熟使之應(yīng)用在各個(gè)行業(yè)中，其產(chǎn)品廣泛應(yīng)用在電網(wǎng)儲(chǔ)能、智能家電、通訊儲(chǔ)能、新能源汽車等領(lǐng)域。其中鋰電池的熱管理技術(shù)是電池組延長(zhǎng)壽命、運(yùn)行安全的重要保障。鋰電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)對(duì)電池的安全和穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用，本文對(duì)現(xiàn)有的散熱技術(shù)進(jìn)行了廣泛的介紹和闡述。首先總結(jié)了電池?zé)崃康漠a(chǎn)生、傳熱和熱量分布，其次討論了電池散熱系統(tǒng)中風(fēng)冷、液冷、熱管和相變材料等四種方式的工作原理和特點(diǎn)，最后結(jié)合電池散熱系統(tǒng)的發(fā)展需求，提出未來(lái)的散熱系統(tǒng)發(fā)展方向和可實(shí)行的技術(shù)。 關(guān)鍵詞：鋰離子電池；熱管理；傳熱系數(shù)；相變材料

1 引言

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隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，新能源技術(shù)的不斷開(kāi) 發(fā)，電動(dòng)汽車逐漸成為交通工具的主流趨勢(shì)之一。鋰離子電池作為電動(dòng)汽車的主要?jiǎng)恿υ矗瑢?duì)電動(dòng)汽車的安全性、行駛里程、使用性能和壽命起著至關(guān)重要的作用。鋰離子電池具有工作電壓高、體積小、能量高、無(wú)記憶效應(yīng)、循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為了目前電動(dòng)汽車中使用最廣泛的電池之一。

為滿足電動(dòng)汽車高電壓和大容量的需求，電池單體采用最常見(jiàn)的串并聯(lián)相結(jié)合的方式進(jìn)行使用。在電動(dòng)汽車運(yùn)行過(guò)程或充電過(guò)程中，電池處于充放電的環(huán)境，此時(shí)的電池溫度會(huì)發(fā)生很大的變化。若不及時(shí)散熱，熱量在電池模塊內(nèi)持續(xù)積累， 會(huì)導(dǎo)致電池模塊熱量不斷上升和不均勻擴(kuò)散。鋰電池內(nèi)部化學(xué)成分耐熱性較差，因此在高溫下會(huì)加速反應(yīng)，導(dǎo)致鋰離子電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生質(zhì)變，最終造成嚴(yán)重的安全后果。同時(shí)，鋰電池也不適合在低溫環(huán)境下工作，低溫下的鋰電池活性會(huì)下降。因此， 需要一個(gè)高效的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)(Battery thermal management system，BTMS)來(lái)保持適當(dāng)?shù)碾姵毓ぷ鳒囟确秶苑乐箿囟冗^(guò)高或過(guò)低所帶來(lái)的不利影響。一般來(lái)說(shuō)，電池溫度每升高 10℃，內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)速率增大一倍，其壽命減少一半。通過(guò)對(duì)容量為 1.8 A·h 的索尼 18650 鋰電池的循環(huán)性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明，在 25 ℃和 45 ℃工作溫度下鋰電池進(jìn)行 800 次充放電循環(huán)后，電池容量分別下降 31% 和 36%；當(dāng)工作溫度為 50 ℃時(shí)，500 次充放電循環(huán)后電池容量下降 60%。對(duì)于鋰電池，工作溫度超過(guò) 50 ℃，電池的使用壽命就會(huì)隨之下降。電池的容量和功率可以用來(lái)表征電池性能的優(yōu)劣，高溫下由于鋰電池內(nèi)部的活性物質(zhì)發(fā)生死區(qū)和析鋰現(xiàn)象，導(dǎo)致電池的容量減少，而電池功率也因阻抗增加而降低。表 1 總結(jié)了鋰離子電池容量的衰減和溫度的關(guān)系，鋰電池最佳工作溫度范圍是 25 ℃～40 ℃。

表 1 鋰離子電池容量在不同溫度條件下的衰減總結(jié)

隨著電動(dòng)汽車的發(fā)展和動(dòng)力系統(tǒng)功率的不斷提 升，電池組的密度也比以往增加更多，快速充電的需求導(dǎo)致電池在大電流充放電時(shí)產(chǎn)生更多的熱量。在這種趨勢(shì)下設(shè)計(jì)出合理的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)成為焦點(diǎn)，需要在高溫下進(jìn)行快速散熱、低溫條件下能夠進(jìn)行加熱或保溫，以提升電動(dòng)汽車的整體性能。

電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)可分為電池散熱系統(tǒng)和電池加熱系統(tǒng)，本文重點(diǎn)講述電動(dòng)汽車鋰電池的散熱系統(tǒng)。

目前較成熟的散熱系統(tǒng)根據(jù)傳熱介質(zhì)可分為四部分，分別為風(fēng)冷、液冷、相變材料冷卻 (Phase-change material，PCM)和熱管冷卻。電池散熱系統(tǒng)分類如圖 1 所示。

圖 1 電池冷卻系統(tǒng)分類

在電池散熱系統(tǒng)方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了 相關(guān)整理和綜述，主要側(cè)重點(diǎn)為橫向?qū)Ρ龋?縱向?qū)Ρ壬婕暗妮^少。本文對(duì)電動(dòng)汽車鋰離子電池散熱管理的研究進(jìn)展進(jìn)行了分析及梳理，總結(jié)了各研究學(xué)者在鋰電池散熱管理中所做出的努力以及優(yōu)勢(shì)，旨在未來(lái)進(jìn)一步優(yōu)化 BTMS，并提出前沿的技術(shù)進(jìn)行指導(dǎo)。

本文第 2 節(jié)論述了鋰電池的產(chǎn)熱原理及模型， 第 3 節(jié)詳細(xì)介紹鋰電池不同散熱系統(tǒng)的性能和優(yōu)缺點(diǎn)。最后在第 4 節(jié)進(jìn)行總結(jié)并對(duì)未來(lái)的散熱技術(shù)發(fā)展方向做出了展望。

2 鋰電池產(chǎn)熱原理及模型

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2.1 電池產(chǎn)熱原理分析

以鋰離子電池為例，其產(chǎn)熱來(lái)源主要有三種形式，分別為極化熱( ) Qp、內(nèi)阻焦耳熱（Qj)和化學(xué) 反應(yīng)熱( Qr)。(1) 極化熱電池極化主要包括活性極化和濃差極化，在充放電過(guò)程中取正值。極化熱公式為

式中， JiLi為鋰離子交換的電流密度，ηi為過(guò)電勢(shì), I 為電池充放電電流大小， Rp為電池極化內(nèi)阻。(2) 內(nèi)阻焦耳熱內(nèi)阻焦耳熱是電池充放電過(guò)程中最主要的熱量來(lái)源。該值始終為正值，充放電過(guò)程中都產(chǎn)生熱量， 公式如下所示

式中， R?為電池內(nèi)阻之和。(3) 化學(xué)反應(yīng)熱化學(xué)反應(yīng)熱為鋰電池內(nèi)部因鋰離子的活動(dòng)而產(chǎn) 生的熱量，在放電時(shí)熱量取正值，充電時(shí)取負(fù)值。反應(yīng)熱公式為

式中，H 為焓(J)，S 為熵(J/K)，G 為吉布斯自由能 (J)，ΔΔ Δ G H TS = ? ，T 為熱力學(xué)溫度(K)，n為電子數(shù)， F 為法拉第常數(shù)。因此鋰電池總產(chǎn)熱量可以表示為

則電池平均產(chǎn)熱速率可用V 來(lái)代替

式中，Q 為電池工作時(shí)間總的產(chǎn)熱量(J)，t 為電池工作時(shí)間(s)。

2.2 電池?zé)釘?shù)學(xué)模型

分析電池?zé)崮Ｐ头椒ㄓ泻芏?，可通過(guò)物理機(jī)制 建立電熱模型、電化學(xué)模型和熱失控模型，也可通過(guò)不同維度建立電池一維對(duì)稱、二維或三維模型。電熱模型最初是由美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室 的 Steve Burch 提出，后由 Johnson改進(jìn)，模型的散熱量計(jì)算為

式中， Reff為有效熱阻，即

式中，h為表面換熱系數(shù)，由電池的溫度決定，即

式(6)中電池周圍的溫度Tair為

利用 Li-ion 電池的熱濫用三維模型來(lái)模擬電池 熱模型，模型的熱源為

式中，qjoul和qcombustion分別表示焦耳熱與反應(yīng)熱， abuse q 為熱濫用發(fā)生后額外的產(chǎn)熱量，qsei為 SEI 分解反應(yīng)產(chǎn)熱，qne為負(fù)極活性材料反應(yīng)熱，qpe為 正極活性材料反應(yīng)熱，qele為電解液分解反應(yīng)熱，qnb為正負(fù)極之間的反應(yīng)熱。均由以下公式計(jì)算可得

式中，i = sei ne , 時(shí)， x = c ，Wc為特定體積的比碳 含量；i = pe 時(shí)， x = p ，Wp為特定體積的正活性 成分；i = ele ， x = e ，We為特定體積的電解質(zhì)含 量；Ri，Ai，Ea，sei，Ea，pe，Ea，ete為反應(yīng)參數(shù)，Hi為比熱釋放量， csei為 SEI 中穩(wěn)定的鋰離子無(wú)量綱數(shù)量， cneg為碳中鋰離子無(wú)量綱數(shù)量， tsei為 SEI 中鋰離子的數(shù)量，α 為轉(zhuǎn)換度， ele c 為電解質(zhì)的無(wú)量綱濃度。

3 鋰電池散熱系統(tǒng)

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散熱系統(tǒng)能夠使電動(dòng)汽車以最佳狀態(tài)運(yùn)行，為 確保鋰電池的安全性、使用壽命和性能，需要對(duì)電池的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和及時(shí)降溫以避免動(dòng)力電池的熱失控。以下將對(duì)電池散熱的幾種不同方式進(jìn)行詳細(xì)介紹。

3.1 空氣冷卻系統(tǒng)

空氣冷卻又叫風(fēng)冷，是目前使用最廣泛的電池 散熱方式，可與整車的行駛特性設(shè)計(jì)相結(jié)合?？赏ㄟ^(guò)車速形成的自然風(fēng)將熱量帶走，也可通過(guò)風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生強(qiáng)制氣流。自然對(duì)流具有簡(jiǎn)單易行，低成本， 散熱過(guò)程多以自然對(duì)流為主等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)為風(fēng)力不可控。強(qiáng)制對(duì)流相比自然對(duì)流更可靠，更易于維護(hù)， 因此成為常見(jiàn)的電池冷卻方式。強(qiáng)制對(duì)流的缺點(diǎn)是電池內(nèi)的溫度分布不均勻，由于空氣本身的特性， 冷卻效果有一定的局限性。3.1.1 電池排列方式為提高電池溫度分布的均勻性與冷卻效率，電 池組內(nèi)單體電池排列方式的研究是必不可少的。常見(jiàn)的電池排列方式有順排、叉排和梯形排列三種，如圖 2 所示。順排方式為單體電池在電池箱內(nèi)呈整齊有序的 排放，如圖 2a 所示。外部冷空氣從電池縫隙穿過(guò)，優(yōu)點(diǎn)為氣流阻力較小，缺點(diǎn)為不易受到擾動(dòng)而產(chǎn)生湍流漩渦，與電池接觸面較小，對(duì)流換熱較小，因此散熱效率不高，一般不采用。

圖 2 常見(jiàn)的電池排列方式

叉排方式是將相鄰的兩個(gè)電池彼此錯(cuò)開(kāi)排列， 如圖 2b 所示。外部冷空氣通過(guò)上一層電池后直接穿過(guò)下一層電池的表面，然后繞過(guò)該電池表面流向電池兩側(cè)的間隙。增加了冷空氣與電池接觸的面積， 提了電池表面的對(duì)流換熱系數(shù)，進(jìn)而提高了散熱效率，缺點(diǎn)為流動(dòng)阻力損失較大。梯形排列方式在氣流尾部減少電池的個(gè)數(shù)，縮小冷空氣流通方向的截面積，從而增加換熱系數(shù)， 如圖 2c 所示。采用梯形排列方式能夠平衡上下游電池的散熱效果，可使電池組中的單體電池溫度分布呈現(xiàn)出較好的一致性。但是在使用 32(4×8)個(gè)鋰電池進(jìn)行強(qiáng)制風(fēng)冷試驗(yàn)研究中，將電池組分別采用順排、交錯(cuò)和交叉三種方式進(jìn)行排列，交錯(cuò)和交叉方式如圖 3 所示。采用三種典型排列方式的鋰電池組在 20 ℃工作環(huán)境下進(jìn)行試驗(yàn)，放電速率為 2C。風(fēng)洞設(shè)置在 4 列電池側(cè)，當(dāng)進(jìn)氣速度從 0.6 m·s ?1增加到 1 m·s?1時(shí)， 順排、交錯(cuò)和交叉排列的電池組最大溫升分別降低了 10 ℃、7 ℃和 7 ℃。隨著進(jìn)氣速度的增加，三種排列方式的電池組溫度呈負(fù)指數(shù)形式減少。該結(jié)果與文獻(xiàn)截然不同，在電池組中順排方式表現(xiàn)出更好的冷卻性能，其次是交錯(cuò)排列，最后是交叉排列。通過(guò)上述兩個(gè)風(fēng)冷熱管理散熱性能的試驗(yàn)結(jié)果 對(duì)比可知，電池組的排列順序、進(jìn)出風(fēng)口的位置以及風(fēng)速的大小等因素都會(huì)影響電池的散熱效果。電池組個(gè)數(shù)較少時(shí)，風(fēng)速的提高和電池組的排列順序?qū)ι岬男阅芎蜏囟确植嫉木鶆蛐杂绊懽兓淮蟆．?dāng)電池組個(gè)數(shù)較多、電池包密度較大時(shí)，三種排列方式的上下游風(fēng)壓的不同會(huì)導(dǎo)致每種方式的散熱效果呈現(xiàn)出不一致性，甚至?xí)蝻L(fēng)速的增加加劇風(fēng)冷系統(tǒng)能量的二次消耗，與提高電池組效率和散熱性能相矛盾。電動(dòng)汽車中電池個(gè)數(shù)往往成千上萬(wàn)，數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)比試驗(yàn)的多。因此當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)中電池個(gè)數(shù)較少時(shí)， 可采用圖 2 中梯形排列方式；當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)電池個(gè)數(shù)較多時(shí)，可采用圖 3 中的順排方式。

圖 3 交錯(cuò)、交叉陣列的電池組

3.1.2 串行通風(fēng)與并行通風(fēng)單體電池間的溫度差異與其在電池組內(nèi)的位置有很大關(guān)系，一般情況下，下邊緣位置相對(duì)于 中心位置散熱較好，溫度較低。因此在布置散熱設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量保證單體電池的溫度均勻性。根據(jù)通風(fēng)方式，可分為串行通風(fēng)和并行通風(fēng)，如圖 4 所示。

圖 4 串行通風(fēng)和并行通風(fēng)方式

在串行通風(fēng)的電池模塊中，使用由 8 塊 26650 動(dòng)力電池(2.3 A·h，3.3 V)進(jìn)行 4 個(gè)串聯(lián)和 2 排并聯(lián)組成的電池組模型，電池模塊的電壓為 14.8 V，容量為 4.6 A·h。該試驗(yàn)平臺(tái)包含充放電裝置，溫度、風(fēng)速、壓力檢測(cè)器，風(fēng)洞裝置等，風(fēng)洞裝置能 夠有效控制風(fēng)速大小，風(fēng)速的大小范圍為 0.5 m·s?1～30 m·s?1。試驗(yàn)借助 ANSYS/FLUENT 軟件對(duì)該模塊進(jìn)行二維數(shù)值模擬研究，CFD 模型示意圖和網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖 5 所示，網(wǎng)格采用四邊形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，但該數(shù)值模型未考慮到流體參數(shù)和流場(chǎng)在 z 軸的變化。

圖 5 CFD 模型示意圖和網(wǎng)格劃分

CHEN 等進(jìn)行了各種關(guān)于提高空氣模塊冷卻效率的研究。使用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法的數(shù)值解決方案以及優(yōu)化算法來(lái)改進(jìn)由棱柱形電池組成的風(fēng)冷電池組，如圖 6 所示。電池間距分布、氣流速率、入口和出口的寬度、增壓室長(zhǎng)度和位置是數(shù)值函數(shù)中要優(yōu)化的目標(biāo)。電池系統(tǒng)由 8 個(gè)方形電池組成， 在 5C 放電倍率下進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)入口和出口位于增壓室的中間時(shí)可以實(shí)現(xiàn)電池的高效冷卻。與 Z 型熱管理模型相比，電池間的最高溫度和最大溫差分別降低了 4.3 ℃和 6.0 ℃。

圖 6 風(fēng)冷電池組模塊

基于風(fēng)冷熱管理的優(yōu)點(diǎn)包括：運(yùn)行過(guò)程中的安 全性與可靠性、所需材料簡(jiǎn)單且易于實(shí)現(xiàn)、產(chǎn)生有害氣體時(shí)能夠及時(shí)有效通風(fēng)；與液體和相變材料相比，空氣作為冷卻介質(zhì)的降溫能力明顯不足，且僅適用于低密度電池。表 2 對(duì)風(fēng)冷系統(tǒng)中的一些重要參數(shù)進(jìn)行了總結(jié)。表 2 風(fēng)冷系統(tǒng)的進(jìn)展總結(jié)

龐大的電池組產(chǎn)生的熱量使得主動(dòng)式風(fēng)冷系統(tǒng) 隨之增加體積，從而影響電動(dòng)汽車的性能和乘客的舒適度。為解決風(fēng)冷系統(tǒng)面臨的問(wèn)題并提高其性能， 眾多學(xué)者開(kāi)始研究將其他冷卻介質(zhì)加入到風(fēng)冷系統(tǒng)中。

3.2 液體冷卻系統(tǒng)

與基于風(fēng)冷的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)相比，基于液 體的熱管理具有更高的傳熱系數(shù)和比熱容，對(duì)提高電池組能量密度和熱管理能力有著更顯著的效果。表 3 為水在不同溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)。根據(jù)電池與冷卻液接觸的方式，液冷系統(tǒng)可分為直接接觸式和間接接觸式兩種。根據(jù)電池液冷散熱的結(jié)構(gòu)又可分為主、被動(dòng)兩種方式，被動(dòng)式系統(tǒng)中， 冷卻液與外界空氣進(jìn)行熱量交換，將電池?zé)崃克统?；主?dòng)式系統(tǒng)中，電池?zé)崃客ㄟ^(guò)液-液交換的方式送出。
表 3 不同溫度下水的導(dǎo)熱系數(shù)

3.2.1 直接接觸式冷卻冷卻液直接與電池或電池模塊表面接觸為直接 接觸式液冷，相較于風(fēng)冷能夠更好地進(jìn)行電池散熱。冷卻液的特點(diǎn)為導(dǎo)熱率高且絕緣，但由于使用的冷卻液體流動(dòng)性不強(qiáng)，因此散熱效果也會(huì)受到一定的影響。兩相冷卻技術(shù)在直接接觸式液冷系統(tǒng)中是一種 較前沿的冷卻技術(shù)。選擇 3M 公司濃度為 99.5% 的 Novec7000 電子氟化液作為冷卻劑，冷卻劑液體在常壓下沸點(diǎn)為 34 ℃。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，即使在放電倍率為 5C 的條件下，冷卻劑也可將電池組的溫度保持在 35 ℃左右。同時(shí)試驗(yàn)結(jié)果還證明了，在沸點(diǎn)以下的冷卻液的冷卻效果超過(guò)了基于空氣的熱管理系統(tǒng)，當(dāng)冷卻液的溫度達(dá)到沸點(diǎn)時(shí)，沸騰過(guò)程可進(jìn)一步將電池的溫度趨于一致。在冷卻液沸騰過(guò)程中會(huì)受到大氣壓的影響，因此有必要研究如何通過(guò)控制冷卻液周圍的壓力來(lái)主動(dòng)控制沸騰強(qiáng)度。3.2.2 間接接觸式冷卻間接接觸式冷卻系統(tǒng)是通過(guò)裝有冷卻液的翅片 或熱沉等物質(zhì)與電池接觸帶走熱量，從而達(dá)到使電池降溫的目的。對(duì)于圓柱形電池，可設(shè)置成環(huán)形夾套式結(jié)構(gòu)，其液體的流速不受限制，因此可使用導(dǎo)熱率高的液體材料。間接接觸式冷卻系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖 7 所示，液管設(shè)置在電池周圍通過(guò)液體流動(dòng)進(jìn) 行熱量傳遞。

圖 7 間接接觸式冷卻系統(tǒng)原理圖

(1) 單進(jìn)式冷板與圓柱形電池相比，方形電池形狀整齊，表面平整，在相鄰電池單體之間可以通過(guò)插入板式散熱組件，在冷板上焊接各種形狀的管道，使液體從管道內(nèi)流過(guò)，對(duì)電池進(jìn)行冷卻。也可采用扁平管式結(jié)構(gòu)，將壓平的管道置于相鄰電池之間。冷板式液冷系統(tǒng)中，冷卻液與電池間接接觸， 能夠有效避免短路風(fēng)險(xiǎn)，提高電池組運(yùn)行的安全性。冷板中的流道根據(jù)進(jìn)出口形式可分為單進(jìn)單出、單進(jìn)多出、多進(jìn)單出和多進(jìn)多出式流道，冷卻液為水或其他冷卻液與水的混合物。如圖 8 所示，為單進(jìn)單出式流道示意圖，其中冷卻液進(jìn)出口可同側(cè)進(jìn)出，也可異側(cè)進(jìn)出。單進(jìn)單出式流道結(jié)構(gòu)冷板的主要優(yōu)點(diǎn)為安裝方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)為因電池尺寸的限制而導(dǎo)致管內(nèi)冷卻液流動(dòng)阻力較大，增加了電池消耗，且當(dāng)流速較低時(shí)，進(jìn)出口的溫差較大，增 加了電池溫度的不一致性。

圖 8 單進(jìn)單出式通道冷板

(2) 多進(jìn)式冷板多進(jìn)式通道冷板液冷系統(tǒng)中，冷卻液進(jìn)出口均 為兩個(gè)及以上，如圖 9 所示。當(dāng)電池尺寸較大或者電池密度較高時(shí)，采用單進(jìn)式通道，冷卻液流速越大，電池溫差越小，但同時(shí)壓力耗能也就越大。為減小液體流動(dòng)時(shí)的阻力，研究者們采用了多進(jìn)多出式通道冷板。多進(jìn)多出式冷板的優(yōu)點(diǎn)為冷卻速度快， 效率高，缺點(diǎn)為進(jìn)出口的設(shè)置越多，復(fù)雜程度就越 大，同時(shí)漏液的可能性就越大。

圖 9 雙進(jìn)雙出式通道示意圖

在方形鋰離子電池冷卻系統(tǒng)中添加冷板式微型 通道，如圖 10 所示。冷板為鋁制材料，具有高 導(dǎo)熱系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，冷卻液采用液態(tài)水，電池使用 5C 倍率恒流放電進(jìn)行模擬試驗(yàn)。模擬結(jié)果表明，在冷卻板上增加的冷卻通道越多，放電結(jié)束后的電池最高溫度越低；同時(shí)在進(jìn)口流量為 5×10?6kg·s?1時(shí)， 電池最高溫度下降至 58.40 ℃，局部減小為 9.02 ℃，當(dāng)流量增加到 5×10?4kg·s?1時(shí)，鋰離子 電池內(nèi)部的溫差逐漸減小。

圖 10 冷板系統(tǒng)模型示意圖

由于僅采用液態(tài)水來(lái)作為冷卻液材料，當(dāng)環(huán)境溫度極其惡劣時(shí)難以保證電池的正常使用，需要考慮其他的替代方法或者結(jié)合主動(dòng)制冷以降低通道口的進(jìn)液溫度。(3) 蛇形通道冷板在單進(jìn)單出流道的冷板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的基礎(chǔ)上，眾多學(xué)者研究出了單進(jìn)單出式的蛇形流道冷板，如圖 11 所示。流道在冷板上呈現(xiàn)出蛇形曲折回旋，能夠避免冷卻液在進(jìn)口端溫度低，出口端溫度高而導(dǎo)致電池組溫度不一致的問(wèn)題。

圖 11 蛇形流道分布示意圖

對(duì)于蛇形通道結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)產(chǎn)熱特性、熱量 傳遞和熱量分布的實(shí)際情況來(lái)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。同時(shí) JARRETT還對(duì)圖 12 的八種不同通道形狀進(jìn)行了數(shù)值分析，發(fā)現(xiàn)冷卻液進(jìn)出口的寬度、流道的形狀和分布等都會(huì)對(duì)電池的溫度造成很大的影響。即使在電池溫差較小時(shí)，電池不同部位的溫度分布也可能因?yàn)椴煌耐ǖ澜Y(jié)構(gòu)而呈現(xiàn)差異。所以在不同的蛇形流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，同樣要考慮電池的降溫以及其溫度分布的均勻性。

圖 12 不同結(jié)構(gòu)的蛇形冷板

(4) 超薄翅片微型通道冷板在傳統(tǒng)的直通冷板中，冷卻液沿著入口端流動(dòng) 到出口端，對(duì)流傳熱系數(shù)逐漸降低，導(dǎo)致最高溫度持續(xù)升高，溫度梯度變大。針對(duì)此問(wèn)題，JIN 等設(shè)計(jì)了一種超薄內(nèi)斜翅片微型通道冷板，當(dāng)流量和負(fù)載分別為 0.1 L·min?1、220 W 和 0.9 L·min?1、1240 W 時(shí)，該系統(tǒng)能夠使電池兩邊冷板的溫度降低到 50 ℃以下。斜翅片冷板模型如圖 13 所示。該模型由兩塊板組成，每塊板包含相同數(shù)量的斜翅片，如圖 13a所示，冷板中的流道呈 U 形結(jié)構(gòu)，如圖 13b 所示。

圖 13 斜翅片冷板結(jié)構(gòu)

冷板中的斜翅片可使電池內(nèi)部的熱量加速擴(kuò)散 到流動(dòng)中心，使兩端的對(duì)流換熱系數(shù)高于中心的對(duì)流換熱系數(shù)，從而使斜翅片微型通道冷板具有更好的對(duì)流傳熱系數(shù)，且冷卻液的流動(dòng)比直通道下的更加均勻。3.2.3 夾套結(jié)構(gòu)液冷在電池外套上一層環(huán)形腔體，使電池與外殼間構(gòu)成流體通道，稱為夾套式液冷系統(tǒng)。夾套式 液冷系統(tǒng)能夠滿足多種情況下的電池散熱情況， 甚至可在低溫環(huán)境下對(duì)電池組進(jìn)行加熱。電池組 夾套式液冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由電池組、套管式換熱器和管道等組成。利用夾套式液冷系統(tǒng)通過(guò)有限體積法對(duì)電池進(jìn) 行數(shù)值分析，使用的電池組模塊為 5×5 的圓柱 形鋰離子電池。分析對(duì)比電池組在 0.5C、1C、2C、 3C、4C 和 5C 不同放電倍率下的熱分布。在未添加 冷卻系統(tǒng)時(shí)，在 5C 放電倍率下仿真時(shí)間進(jìn)行到 720 s 內(nèi)電池組達(dá)到的最高溫度為 61.449 ℃，電池組內(nèi)的最大溫差為 37.626 ℃，如圖 14 所示。加入夾套式冷卻系統(tǒng)后，5C 放電倍率下的最高平均溫度 為 27.862 ℃，電池組內(nèi)的最大溫差為 2.894 ℃。

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圖 14 不同放電倍率下夾套式冷卻系統(tǒng)電池溫度曲線

3.2.4 其他液冷系統(tǒng)液冷散熱系統(tǒng)能夠有效降低電池的工作溫度和 局部溫差，但同時(shí)也存在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，或發(fā)生漏液等不良情況。為此 TANG 等對(duì)液冷系統(tǒng)和熱泵空調(diào)系統(tǒng)(Heat pump air conditioning system，HPACS) 進(jìn)行了耦合設(shè)計(jì)，建立了基于液冷與熱泵空調(diào)系統(tǒng) 的自動(dòng)校準(zhǔn)模型。通過(guò)模型試驗(yàn)表明，設(shè)計(jì)的液冷 系統(tǒng)在環(huán)境溫度為 42 ℃時(shí)，入口處的溫度可降低 至 19.8 ℃，此時(shí)系統(tǒng)性能參數(shù)為 2.36。由于空氣的傳熱系數(shù)相對(duì)較低使得風(fēng)冷系統(tǒng)不 適用于大部分的高性能電動(dòng)汽車，為克服空氣冷卻的缺點(diǎn)，可應(yīng)用二次回路液冷系統(tǒng)。二次回路液冷系統(tǒng)示意圖如圖 15 所示。該系統(tǒng)由兩個(gè)循環(huán)組成，虛線標(biāo)示的制冷劑回路與實(shí)線標(biāo)示的液體冷卻劑回路由冷水機(jī)連接，液體冷卻劑的流量和流速由冷負(fù)荷和周圍環(huán)境來(lái)決定并通過(guò)三通膨脹閥控制。當(dāng)電池需要低冷卻性能或環(huán)境溫度低于液體冷卻劑溫度時(shí)，液體冷卻劑就會(huì)流向外部的散熱器；當(dāng)電池需要高冷卻性能或環(huán)境溫度高于冷卻劑溫度時(shí)，冷卻劑就會(huì)流向冷凝器與制冷劑進(jìn)行熱交換。優(yōu)點(diǎn)為在極端氣候條件下還可保持電池適當(dāng)?shù)臏囟炔M足充放電要求，缺點(diǎn)為該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，隨之產(chǎn)生更多重量、增加維護(hù)工作量和液體泄漏等風(fēng)險(xiǎn)。

圖 15 二次回路液冷系統(tǒng)

液冷散熱系統(tǒng)效果良好，能夠有效降低電池的 工作溫度和局部溫差，同時(shí)也存在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，質(zhì)量相對(duì)大，存在漏液以及常常需要維護(hù)等不利影響。但在對(duì)電池工作條件要求相對(duì)嚴(yán)格、熱管理優(yōu) 先的電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)中，液冷系統(tǒng)電池散熱方式具有比風(fēng)冷更明顯的優(yōu)勢(shì)，表 4 在上述文獻(xiàn)和調(diào) 研的基礎(chǔ)上對(duì)散熱性能進(jìn)行了總結(jié)。表 4 液體冷卻系統(tǒng)總結(jié)

3.3 熱管冷卻系統(tǒng)

熱管(Heating pipe，HP)是利用管內(nèi)介質(zhì)相變進(jìn) 行吸熱和放熱的高效換熱元件，廣泛應(yīng)用于工業(yè)等眾多領(lǐng)域。常用的熱管有三部分組成：封閉式金屬管、吸液芯和端蓋，將熱管內(nèi)抽成真空，充入適當(dāng)?shù)睦鋮s液體，使管內(nèi)壁的吸液芯毛細(xì)多孔材料內(nèi)充滿冷卻液后加以密封。工作原理圖如圖 16 所示，熱管的吸熱端為蒸發(fā)端，散熱端為冷凝端。當(dāng)熱管的加熱端受熱時(shí)，工作介質(zhì)受熱蒸發(fā)并在管內(nèi)流體的受力下流向冷凝端，然后蒸汽在冷凝端散熱重新變?yōu)橐后w，冷凝端的液體受重力或多孔材料的毛細(xì)力作用下流回蒸發(fā)端，以達(dá)到散熱的目的。如此循環(huán)，將電池產(chǎn)生的熱量傳遞到外界空氣，從而實(shí)現(xiàn)小溫差大熱流的傳輸，使電池溫度降低。

圖 16 熱管工作原理

熱管由于具有良好的熱流密度可變性、導(dǎo)熱性、 密度可變性、熱流方向可逆性、優(yōu)良的恒溫?zé)嵝院铜h(huán)境適應(yīng)性等特點(diǎn)，已成為電子設(shè)備重要的散熱技術(shù)之一。此外，熱管需要在一定的條件下才能正常工作，從熱管的蒸發(fā)端到冷凝端的汽相與液相之間的靜壓差都應(yīng)與該處的毛細(xì)壓差保持線性關(guān)系。

式中，ΔPc為熱管內(nèi)部液體流動(dòng)時(shí)的推動(dòng)力；ΔPv為熱管內(nèi)蒸發(fā)端到冷凝端的蒸汽壓降；ΔP1為冷凝端回到蒸發(fā)端的壓降；ΔPg為由重力勢(shì)能引起的流體壓降，由熱管環(huán)境所決定，數(shù)值可正可負(fù)。熱管相比于其他冷卻系統(tǒng)具有更強(qiáng)的傳熱能 力，但并不意味著可以無(wú)限增大其熱負(fù)荷，熱管的 熱效率受眾多因素制約。影響熱管的傳熱的極限如 圖 17 所示，當(dāng)熱管達(dá)到極限時(shí)，傳熱量將不再 繼續(xù)增加，傳熱極限取決于熱管的形狀、內(nèi)部吸芯液的結(jié)構(gòu)、工作介質(zhì)和周圍環(huán)境。

圖 17 影響熱管傳熱的各種極限

3.3.1 扁平熱管扁平熱管(Flat heat pipe，F(xiàn)HP)與普通熱管相比，可以更充分的接觸電池表面，能夠更快速、均勻的傳遞熱量。扁平熱管系統(tǒng)如圖 18 所示，使用可再現(xiàn)電池模塊產(chǎn)生的熱量進(jìn)行 FHP 的冷卻系統(tǒng)的試驗(yàn)，研究了 FHP 冷卻系統(tǒng)的熱性能，并與各種傾斜位置和多種冷卻條件下的傳統(tǒng)散熱器進(jìn)行了比較。試驗(yàn)結(jié)果表明，帶有熱管的普通散熱器通過(guò)自然對(duì)流熱阻降低了 30%，在風(fēng)速較小的情況下，熱阻降低了 20%，從而使電池溫度保持在 50 ℃以下。根據(jù)電動(dòng)汽車中為電池組分配的空間，可將扁平熱管進(jìn)行垂直或水平放置。

圖 18 扁平熱管散熱系統(tǒng)

3.3.2 重力型熱管重力型熱管又稱為熱虹吸管，結(jié)構(gòu)如圖 19 所示，從傳熱角度可由冷凝端、絕熱端和蒸發(fā)端三部 分組成。液體工質(zhì)在蒸發(fā)端受熱后汽化進(jìn)入冷凝端， 在冷凝端釋放潛熱并在管壁上形成液膜，液態(tài)工質(zhì)在重力的作用下沿管壁回到蒸發(fā)端，如此循環(huán)。由于重力熱管具有方向性，蒸發(fā)端需設(shè)置在冷凝端的下方， 利用液體工質(zhì)自身重力回到蒸發(fā)端，因此重力型熱感結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、成本便宜且穩(wěn)定性較好。

圖 19 重力型熱管

3.3.3 燒結(jié)熱管針對(duì)在微重力下熱管內(nèi)冷卻液難回到蒸發(fā)端的 問(wèn)題，學(xué)者們采用了具有吸液芯結(jié)構(gòu)的燒結(jié)熱管。燒結(jié)熱管能夠在毛細(xì)力的作用下將冷卻液從冷凝端送到蒸發(fā)端，同時(shí)吸液芯結(jié)構(gòu)在循環(huán)中的速度更快， 有利于熱量的傳遞和擴(kuò)散，提高了熱管的傳熱效率。近年來(lái)，燒結(jié)熱管所遇到的問(wèn)題為其結(jié)構(gòu)和材料難以滿足高熱流密度環(huán)境下的散熱，尤其在傳熱過(guò)程中由于真空腔厚度的增加導(dǎo)致局部燒干的情況。因此合理的布置熱管結(jié)構(gòu)，選取適當(dāng)?shù)墓べ|(zhì)提高熱管的傳熱率是今后的研究熱點(diǎn)。在進(jìn)行基于扁平式燒結(jié)熱管的方形電池散熱試驗(yàn)，研究了燒結(jié)熱管對(duì)電池的散熱特性和電池組的溫度分布一致性。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，在電池溫升和局部溫差的控制中，必須同時(shí)考慮熱管的有效散熱能力和均熱能力；電池局部溫差隨熱管傾斜角的減小而增大，當(dāng)熱管垂直安裝時(shí)，電池局部溫差受 路面坡度影響較小，傳熱熱阻可忽略不計(jì)；在周期性散熱的工況下，扁平式燒結(jié)熱管仍能保持良好的散熱能力和熱量均勻性。3.3.4 環(huán)路熱管環(huán)路熱管由20 世紀(jì)蘇聯(lián)科學(xué)家MAYDANIK 首次提出，結(jié)構(gòu)如圖 20 所示?；芈废到y(tǒng)通常由蒸發(fā)器、冷凝器和補(bǔ)償室組成。環(huán)路熱管具有反重力性能好、傳熱能力強(qiáng)和布置方便等特點(diǎn)。

圖 20 環(huán)路熱管結(jié)構(gòu)圖

常見(jiàn)的環(huán)路熱管有兩種結(jié)構(gòu)形式，分別為圓柱 型和平板型。圓柱型的特點(diǎn)為蒸發(fā)受熱均勻，且毛細(xì)芯能夠得到充分的濕潤(rùn)。與圓柱型熱管相比，平板型接觸的電池面積更大，散熱更加均勻，傳熱能力更為優(yōu)秀。3.3.5 脈動(dòng)熱管脈動(dòng)熱管又稱振蕩熱管，結(jié)構(gòu)如圖 21 所示。脈動(dòng)熱管可分為閉合型和開(kāi)放型，開(kāi)放型為單向流動(dòng)，閉合型則兩端形成回路，且中間可加一個(gè)或多個(gè)單向閥進(jìn)行衍生。

圖 21 脈動(dòng)熱管基本結(jié)構(gòu)

與傳統(tǒng)的熱管相比，脈動(dòng)熱管具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳熱性能良好、適應(yīng)性強(qiáng)、可對(duì)形狀進(jìn)行任意彎曲等優(yōu)點(diǎn)。綜上文獻(xiàn)分析，總結(jié)基于熱管的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的顯著優(yōu)點(diǎn)為在不消耗任何功率的情況下降低最大溫升，同時(shí)具有更高的導(dǎo)熱性、安靜無(wú)噪音、重量輕、 結(jié)構(gòu)靈活、輕維護(hù)和循環(huán)使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)為熱管的容量小、接觸面積小，對(duì)大型電池組需要使用更多的熱管進(jìn)行散熱，以及無(wú)法對(duì)電池組進(jìn)行加熱。

3.4 相變材料冷卻系統(tǒng)

相變材料(Phase change materials，PCM)的物理 狀態(tài)隨溫度而變化，相變過(guò)程中溫度變化范圍小， 但吸收或釋放的潛熱大。相變材料具有體積變化小、潛熱大、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。常見(jiàn)的 PCM 材料可分為有機(jī)材料、無(wú)機(jī)材料 和共晶材料，有機(jī)材料包括石蠟(PA)和石蠟化合物，如硬脂酸和長(zhǎng)鏈烷烴等；無(wú)機(jī)材料包括水合鹽和金屬等材料；共晶材料是兩種或多種具有特定原子比的有機(jī)和無(wú)機(jī)化合物的混合，具有較高的潛熱和較高的熔點(diǎn)。3.4.1 有機(jī)相變材料常見(jiàn)的有機(jī)相變材料包括石蠟、脂肪酸、醇、 酯、二酯和其他有機(jī)化合物。有機(jī)材料中由于石蠟具有高潛熱、穩(wěn)定性好、 耐腐蝕和低成本的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用與電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中。由于易燃性和泄露風(fēng)險(xiǎn)使得熱管理系統(tǒng)中不會(huì)使用純石蠟作為相變材料。針對(duì)這一問(wèn)題，學(xué)者們提出一種有效方法，就是將膨脹石墨(EG)、金屬泡沫銅、納米流體和石墨氈等導(dǎo)熱材料引入到純有機(jī)相變材料中。將有機(jī)材料正二十烷 PCM 與銅納米顆粒、翅片和泡沫金屬混合，形成具有更高熱導(dǎo)性的復(fù)合 PCM，結(jié)構(gòu)如圖 22 所示。

圖 22 納米顆粒、翅片與金屬泡沫的電池?zé)峁芾砟Ｐ?/strong>

試驗(yàn)結(jié)構(gòu)表明，納米顆粒的加入對(duì)電池散熱特 性影響很小，而翅片的添加使得電池溫度顯著下降， 高導(dǎo)熱性和三維結(jié)構(gòu)的金屬泡沫在降低電池溫度方面相對(duì)最有效。利用 PA、EG、聚磷酸銨(APP)、紅磷(RP)和環(huán) 氧樹(shù)脂(ER)組成的新型復(fù)合 PCM，可增強(qiáng)熱物理和阻燃性能。PCM 電池?zé)峁芾砟Ｐ腿鐖D 23 所示， 其中圓柱形電池放置在孔中且被 PCM 材料包裹。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng) PCM 材料中 APP 和 RP 比例為 2.3:1 時(shí)，電池模塊能表現(xiàn)出更優(yōu)良的阻燃性。

圖 23 具有阻燃復(fù)合 PCM 材料的鋰電池模塊

3.4.2 無(wú)機(jī)相變材料與有機(jī)材料相比，無(wú)機(jī)材料因其易腐蝕、易脫 水和過(guò)冷特性導(dǎo)致在電池?zé)峁芾碇惺褂煤苌?。近年?lái)，也有不少學(xué)者開(kāi)始對(duì)其進(jìn)行研究。典型的無(wú)機(jī)材料有水合鹽和金屬相變材料。為解決無(wú)機(jī)材料易脫水問(wèn)題，LING 等設(shè)計(jì)出一種新型多尺度封裝 的無(wú)機(jī) PCM，優(yōu)點(diǎn)為具有高穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)如圖 24 所示?？紤]到安全性和低成本，使用了一種不易燃的三水乙酸鈉-尿素?zé)o機(jī)相變材料。EG 的添加能提高 PCM 的導(dǎo)熱性，有機(jī)硅膠的封裝可提高復(fù)合 PCM 的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

圖 24 多尺度封裝的無(wú)機(jī) PCM

3.4.3 共晶材料共晶材料是有機(jī)和無(wú)機(jī)的混合物，因此具有更高的潛熱和尖銳的熔點(diǎn)等特性。共晶材料的特點(diǎn)為不同化合物的層狀結(jié)構(gòu)，在熔化和凝固過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)偏析現(xiàn)象，可阻止成分發(fā)生變化。通過(guò)物理結(jié)合六水硝酸鎂和硝酸鋰制備的共晶混合物中添加膨脹石墨，制備一種復(fù)合共晶材料。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得共晶混合物的相變溫度為 72.46 ℃，潛熱為 170.32 kJ/kg，在容器選擇上使用鋁制或不銹鋼為最佳材料。所制備的共晶相變材料具有良好的吸熱能力，可為電池儲(chǔ)能領(lǐng)域散熱器的候選材料。3.4.4 與 PCM 耦合冷卻PCM 依賴于自身高潛熱的能力，然而當(dāng)溫度超過(guò)自身的熔點(diǎn)后 PCM 冷卻性能就會(huì)顯著下降。因此將 PCM 與常用冷卻方法耦合起來(lái)構(gòu)成混合系統(tǒng)，確保長(zhǎng)期使用。表 5 總結(jié)了近些年 PCM 與其他冷卻系統(tǒng)耦合的方案。圖 25a 在鋁制框架中添加石蠟材料，空氣通過(guò)框架的間隙流動(dòng)來(lái)冷卻和固化石蠟。圖 25b 將復(fù)合 PCM 的一側(cè)連接電池，另一 側(cè)連接到帶有風(fēng)冷系統(tǒng)的散熱器。在高溫環(huán)境和高放電倍率下，電池模塊溫度仍能保持在 60 ℃以下， 具有良好的熱性能。表 5 PCM 耦合冷卻系統(tǒng)綜合比較

圖 25 PCM 與風(fēng)冷系統(tǒng)結(jié)合的熱管理

與風(fēng)冷相比，液冷能夠表現(xiàn)出更優(yōu)秀的熱性能 和能源效率。圖 26a 為集成 PCM 與液冷系統(tǒng)結(jié)合的熱管理。當(dāng)環(huán)境溫度為 40 ℃，放電倍率為 3C 下，液體冷卻系統(tǒng)管理下的電池組的最高溫度和電池間的梯度分別為 47.6 ℃和 4.5 ℃。圖 26b 在 PCM 系統(tǒng)中結(jié)合了可控液冷策略，可根據(jù) PCM 的溫度和環(huán)境溫度來(lái)調(diào)節(jié)冷卻液的流速和入口溫度，避免 了電池組在不同環(huán)境溫度下出現(xiàn)的過(guò)熱問(wèn)題。PCM 與熱管耦合以降低電池組的溫度，在電池 組的熱管理系統(tǒng)中通過(guò)填充PCM可減低約33.6%的溫差，將熱管嵌入到 PCM 中可進(jìn)一步下降 28.9%。圖 27 為 PCM 與脈動(dòng)熱管耦合的熱管理系統(tǒng)，脈動(dòng)熱管夾在電池之間，將 PCM 填充至電池和熱管的縫隙中，由于 PCM 耦合熱管系統(tǒng)既有 PCM 的固液相變蓄熱，又有脈動(dòng)熱管工質(zhì)的液汽傳熱，因此在各種工況下，PCM 耦合熱管的系統(tǒng)具有更好的散熱性能。

圖 26 PCM 與液體結(jié)合的熱管理系統(tǒng)

圖 27 PCM 耦合脈動(dòng)熱管的熱管理系統(tǒng)

表 5 總結(jié)了近些年其他冷卻系統(tǒng)與 PCM 耦合的方案。

4 總結(jié)與展望

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儲(chǔ)能電池作為電動(dòng)汽車的核心，散熱問(wèn)題是電 池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一?；陔姵厣岬难芯楷F(xiàn)狀和研究趨勢(shì)，未來(lái)的熱管理系統(tǒng)可從以下方面展開(kāi)。

(1) 風(fēng)冷方式的散熱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)輕巧便捷， 但冷卻效率較低，很多情況不適于電動(dòng)汽車的電池散熱。氣流通道和電池排布的優(yōu)化是未來(lái)的研究方向。

(2) 相比于風(fēng)冷，液冷具有更高的散熱效率， 能使電池組溫度保持在正常溫度范圍內(nèi)，且使單體電池呈現(xiàn)出更好的溫度均勻性。由于需要額外的冷卻劑循環(huán)器件，增加了電路的復(fù)雜性、整車的重量與能耗，且有漏液的風(fēng)險(xiǎn)。通道形狀和數(shù)量?jī)?yōu)化是重點(diǎn)研究方向。納米流體作為冷卻劑的性能還需進(jìn) 一步研究。

(3) 熱管作為一種導(dǎo)熱工具，具有更高的導(dǎo)熱率，但由于蒸發(fā)器和冷凝器部分的接觸面積小和體積較大等原因，在實(shí)際應(yīng)用中難以集成。額外能源消耗的削減和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

(4) 大多數(shù)的 PCM 導(dǎo)熱系數(shù)較低，直接影響到 電池的散熱效率。因此尋找高導(dǎo)熱率的 PCM 一直是研究重點(diǎn)。如果在連續(xù)的高倍率充放電循環(huán)中僅使用 PCM 來(lái)控制電池溫度，可能無(wú)法達(dá)到理想的效果。因此，需要額外的冷卻系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行輔助，以協(xié)助散熱。PCM 與其他冷卻系統(tǒng)的結(jié)合是電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)之一。

目前 PCM 材料正慢慢向直冷靠近，相變材料 使用制冷劑 R134a。通過(guò)制冷劑的相變過(guò)程將熱量帶走。典型的例子有 BWM i3，散熱效果比液冷高出 3-4 倍，且避免了乙二醇液體在電池內(nèi)部流動(dòng)造成的氧化腐蝕。當(dāng)然直冷方式只能進(jìn)行散熱，需要安裝加熱器來(lái)進(jìn)行加熱。

未來(lái)，對(duì)高功率、高能量密度和高充電效率電 池的需求將持續(xù)增長(zhǎng)，隨之而來(lái)的是對(duì)更高效、更穩(wěn)定、更經(jīng)濟(jì)、更緊湊的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的需求。從低能耗和結(jié)構(gòu)角度來(lái)看，PCM 的散熱系統(tǒng)更具有潛力，需要進(jìn)一步研究來(lái)提高商業(yè)應(yīng)用性。首先， 尋找高導(dǎo)熱率的 PCM 來(lái)代替；其次，設(shè)計(jì)以 PCM 為主體，其他散熱系統(tǒng)為輔助的協(xié)同機(jī)制，以保證電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的耐久性。

來(lái)源：電氣工程學(xué)報(bào)

作者：于仲安 陳可怡 張軍令 胡澤洲

江西理工大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院