锂离子动力电池热管理方法研究进展

王 雅，方 林



锂离子动力电池热管理方法研究进展

王 雅，方 林

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

动力电池组是电动车船的关键部件，电池温度过高造成的电池性能下降乃至热失控会使整车面临严重的安全风险。本文从传统热管理方法（空气冷却、液体冷却）和新型热管理方法（相变材料冷却、热管冷却、喷雾冷却和液态金属冷却）等几个方面对电池热管理方法进行综述，给出目前电池热管理方法的研究进展，为后续的研究方向提供参考。

动力电池 电池热管理 研究进展

0 引言

作为电动汽车与船舶的关键部件，动力电池组的性能决定了整机的性能。目前制约动力电池发展的一个重要因素是它的热管理问题。锂离子电池在充放电过程中会产生一定的热量，这些热量如果得不到及时的疏散，就会使电池温度上升，导致电池组产生温差，性能受损，而动力电池组数量越多功率越大，其产生的热量就越多越难疏散，聚集的热量使电池温度持续上升，当温度超过安全上限时，将会触发热失控等安全问题，甚至造成爆炸等连锁反应[1]。

因此电池热管理成为电动汽车、船舶研发的关键技术，日益受到研究人员的重视。本文综述了近几年来电池热管理方法的研究进展，指出传统热管理方法和新型热管理方法当前的研究现状，以期对今后的研究方向产生启发。

1 传统电池热管理方法研究进展

1.1 空气冷却

空气冷却又称风冷，指利用空气的流动带走电池产生的热量，按照驱动方式分为自然对流式风冷和强迫对流式风冷[2]。作为结构简单、成本较低的一种热管理方法，空气冷却的发展已经较为成熟，研究人员在送风策略、电池布置方式等方面已经进行了大量的研究，在商业上也具有比较成熟的应用。

近年来，学者对空气冷却的研究主要从发展新模型、提高设计的准确性和速度，发展新的配风策略，优化结构等方面进行。华南理工大学的汪双凤等人[3]针对风冷电池系统尝试将流阻网络模型与遗传算法、贪婪算法[4]等结合，对系统结构进行优化，使电池组温差得到了进一步的控制。西安交通大学的路昭等人[5]将电池正负极固定件加入三维空冷模型，研究了电池正负极固定件热导率对电池组温度性能的影响规律，得出了最优固定件热导率，并通过添加翅片的方式进一步改善了温度的均匀性，对实际工程具有指导意义。

Zhou等人[6]提出了一种基于气体分配管道的圆柱形锂离子电池冷却策略（图1），采用数值模拟的方法研究了不同放电速率下电池组件的热行为和空气流场，分析了孔板参数、进气压力和放电速率对空冷策略性能的影响，这是一种有效和实用的冷却策略，不需要改变电池模块的分布。

图1 带有配风管道的电池模块原理图

Chen等人[7]研究了不同送风口和出风口位置对空冷电池热管理系统性能的影响，发现送出风口位于台中时冷却效率更高，并对电池间距进行了优化[8]。

1.2 液体冷却

与空气相比，水的比热容和导热系数较高、粘度系数较低，保证了水在消耗较少泵送功率的情况下能够更有效地传热。因此，水常被用作液冷系统的工作冷却剂，为了防止冷却水在冬季凝固，通常采用水/乙二醇混合物来降低冷却剂的冰点。为了防止短路，通常采用管道、夹套、冷板等措施避免水与电池直接接触，这样电池组产生的热量经对流换热由管道中的冷却液导出称为间接接触式液冷系统[9]。目前对间接接触式液冷系统的研究，主要还是从发展新结构、研究换热规律、优化性能的角度进行。

Shang等人[10]设计了一种变接触面锂离子电池液冷系统（图2），接触面由冷却板的宽度决定，增加进口质量流量可以有效地限制最高温度，但不能显著改善温度均匀性。温度与进口温度成正比，但与冷却板宽度成反比。

Zhao等人[11]针对采用蛇形通道的液体冷却电池模块提出使用多个蛇形通道缩短了流动路径或沿着流向增加电池与蛇形通道之间的接触面积两种方法来改善热均匀性，数值模拟结果表明，这两种方法可以将5C放电操作下电池模块的热不均匀性降低到2.2 K和0.7 K以下，效果明显。Deng等人[12]建立了u形管蛇形通道结构的冷却板。分析了冷却通道数、通道布置和冷却剂入口温度对电池热管理系统冷却性能的影响，提出了最佳分布策略，对实际冷板的设计具有指导意义。Xu等人[13]选取双进口双出口通道的液体冷却系统作为研究对象，研究了不同环境温度、进冷量和充放电率下电池的散热性能，为电池液体冷却系统的设计提供了参考。直接接触式液体冷却方法是另一种典型的液冷方法，在变压器等电子器件的冷却中曾有着广泛的应用。通常采用介电阻燃油作为冷却剂，将电子器件浸没于冷却油中，油与电子器件直接接触，可以有效地将热量导走。沉浸式油冷由于结构简单，导热性能较好，而且具有阻燃性，对热失控具有潜在的抑制作用，得到了研究人员的重视。

图2 变接触面液冷电池模块原理图

Pesaran等人[14]指出，在相同条件下，由于边界层较薄、导热系数较高，导热阻燃油的传热效率远远高于空气，然而由于油的粘度较高，油冷却系统会消耗更多的泵功。Kim等人[15]比较了相同通道直径和质量流量下导热阻燃油冷却和水/乙醇溶液夹套冷却的效果。结果表明，油冷系统的压降明显高于水冷系统。但是，水冷系统由于夹套的存在，电池与冷却剂之间的热阻增大，有效传热系数减小，油冷系统的传热系数要高于夹套水冷系统。Chen等人[16]指出在相同的流动速度下，由冷却剂粘度决定的油冷系统压降是水冷系统压降的几倍。为了降低压降，油冷系统应采用低流量。

2 新型电池热管理方法研究进展

随着高新技术的日益发展以及不同学科的交叉融合，一些新材料、新技术也被研究人员应用到电池热管理系统中来，或将新材料与传统方法结合，或从别的领域技术迁移，为电池热管理方法提供了新的思路。

2.1 相变材料冷却

相变材料作为一种储能材料得到学者的广泛研究，也被应用到电池热管理系统中。目前研究者主要利用相变材料具有相变潜热的特性将其与别的方法相结合提出新型有效的冷却结构，另外也尝试对相变材料的制备和性能做出相应的改进。 Zhu等人[17]针对高功率锂离子电池组开发了一种新型热管理结构（图3），提出了将金属冷却管和相变材料嵌入到高导热系数和孔隙率的铜微纤维介质中，铜微纤维介质极大地改善了界面传热，有效地在锂离子电池、冷却管和相变材料之间传导热量。相变材料在高峰使用时储存电池产生的多余热量，在非高峰使用时释放到冷却管中，经过预测模型对电池热失控的阻断具有明显作用。

Ping等人[18]提出了一种新型相变材料（PCM）耦合翅片结构用于电池组热管理系统（图4），以降低最高温度改善温度均匀性，采用数值模拟的方法研究了PCM种类、翅片厚度、翅片间距和PCM厚度对电池组件冷却性能的影响，并进行了实验验证。

Zheng等人[19]提出了一种液冷和相变材料冷却相结合的锂离子电池组热管理系统（图5）。主要散热方式为液冷散热，在热不透明区域填充复合相变材料，提供相对较小的吸热量。为了保证电池组内的温度均匀，冷却剂采取交替流动，这对系统的散热有不利影响。为了解决这个问题，在冷却管之间添加了聚氨酯绝热夹层。

图3 相变材料新型冷却结构示意图

图4 相变材料耦合翅片结构新型热管理系统原理图

Zou等人[20]采用石墨烯、碳管和膨胀石墨等材料添加到石蜡中制备出新型复合相变材料，其具有良好的防泄漏性能和较高的热导率，局部强化传热效果几乎与泡沫铜/相变材料相同。

2.2 热管冷却

热管作为一种有效的传热元件，由于其导热高效、结构小巧布置方便，也被研究人员提出应用到电池热管理系统中。

Rao等人[21]设计了一种带有热管的热管理系统。实验结果表明，在合适的发热功率下，非稳态工况和循环试验工况，最大温度和温差均保持在理想范围内。采用热管为基础的动力电池热管理是实现电动汽车节能的有效方法。

Smith等人[22]提出了一种基于热管的8个棱柱形单元的大功率电池热管理系统（图6），并对其进行了400 W的热负荷测试和设计。热管系统由两部分组成:热管冷却板从电池模块的各个棱柱状单元中提取热量，以及远程传热热管将热量从模块传输到300 mm外的液冷冷板。与传统的液体冷却系统相比，基于两相热管的热控制将提供更好的电池温度均匀性，更简单安全的结构设计。

图5 电池组热管理系统原理图

图6 基于热管的大功率电池热管理系统原理图

2.3 其他冷却方法

传统液冷存在冷却效率有限的问题，Yang等人[23]提出使用液态金属作为新型冷却剂，用于电池组的热管理。通过数值模拟比较了液态金属冷却系统与水冷系统的冷却能力、泵功耗和模块温度均匀性。结果表明，在相同的流动条件下，液态金属冷却系统可以获得更低、更均匀的模块温度和更少的泵功耗。此外，液态金属可以应对高功率拉伸、电池缺陷、环境温度高等压力条件，这使其成为一种有前途的冷却剂。

Saw等人[24]提出了一种适用于电池组热管理系统的喷雾冷却方法（图7）。通过实验和数值模拟，研究了常规干空气冷却和喷雾冷却的热工性能。结果表明，与干空气冷却相比，喷雾冷却能提供更低、更均匀的温度分布。

3 总结及展望

随着电动汽车、船舶向着大功率、长航时发展，动力电池组的工作环境将变得更加恶劣，对电池热管理系统的要求也更为苛刻，发展高效、安全、简单、低成本的热管理方法具有十分重要的意义。本文对近几年电池热管理方法的研究进展进行了综述，可以看到，当前研究的主要趋势是通过研究换热规律对传统热管理系统进行结构的创新与优化；发展完善数值模型，提供更快速更准确的模拟和设计方法；引入新技术、新材料，将多种冷却方法进行耦合，提供更新的热管理思路，进一步提高冷却性能。其中灵活运用新材料新技术，多种冷却方式的交叉融合是今后发展的重要方向。

图7 喷雾冷却热管理系统原理图

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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，工程师。研究方向：情报研究。E-mail: wendy007888@sohu.com