锂离子电池热管理技术研究进展

摘 要：【目的】随着锂离子电池的广泛应用，需要对影响锂电池使用性能和安全性的热管理技术加以关注和研究。【方法】综合分析了被动式、主动式和基于相变材料的复合式等三种热管理技术的差异，总结了几种主流热管理方式包括自然冷却、强制风冷等的优缺点和应用场景。【结果】无论是浸没式液冷还是液冷机，冷却效果均优于强制风冷和自然冷却，但应用会受到产品成本和密封性能的限制。【结论】通过对三种热管理技术的比较可知，主动式热管理的冷却效果优于被动式；基于相变材料的复合式热管理技术因具更良好的换热潜能也将得到研究和应用。

关键词：锂离子电池；热管理；冷却技术

中图分类号：TM912 文献标志码：A 文章编号：1003-5168（2024）15-0081-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.15.018

Research Progress of Thermal Management Technology for Lithium-ion Batteries

ZHANG Pei YANG Liuqing

（Patent Examination Cooperation （Hubei） Center of the Patent Office， CNIPA， Wuhan 430000， China）

Abstract：[Purposes] With the widespread application of lithium-ion batteries， thermal management technology， which affects the performance and safety of lithium batteries， has received considerable attention and research.[Methods] This paper analyzes the differences among passive thermal management，active thermal management and composite thermal management based on phase change materials， and summarizes the advantages and disadvantages of free cooling， forced air cooling and so on.[Findings] Both immersion liquid cooling and liquid cooler have better cooling effects than forced air cooling and natural cooling， but their application is limited by product cost and sealing performance.[Conclusions] By comparing the three thermal management technologies， it is known that active thermal management has better cooling effects than the passive way. Composite thermal management technology based on phase change materials， with better heat transfer potential， will also be rapidly developed.

Keywords： lithium-ion batteries; thermal management; cooling technology

0 引言

随着新能源产业的快速发展，作为核心产品的锂离子电池也得到了广泛应用。锂离子电池的应用场景主要分为消费锂离子电池、动力锂离子电池和储能锂离子电池。但无论哪种应用场景，温度都是影响锂离子电池安全性能的关键指标。

锂离子电池正常的工作温度一般为充电时0～60 ℃，放电时20～45 ℃。温度过高易导致热失控和电池老化，温度过低会影响电池容量和效率。热管理技术作为能使锂电池系统保持正常工作温度的关键技术，按照效果可分为三类：第一类能够在电池系统温度高时进行有效冷却；第二类能够在外部环境温度低时进行预热；第三类能够有效减少电池模块间温度的不均衡。

温度升高容易导致电池系统热失控，造成安全性风险，因此，本研究主要侧重于电池系统的冷却技术。按照是否引入外部能源来进行分类，将热管理技术分为被动式热管理、主动式热管理和复合式热管理，并探讨分析了三种热管理技术的优缺点和应用场景。

1 被动式热管理

被动式热管理是指不使用外部能源的冷却技术，主要分为自然冷却技术和热管冷却技术。

1.1 自然冷却技术

自然冷却是指不使用外部冷却设备实现电池组的冷却，其冷却效果主要取决于外部环境温度和电池组的排布结构。赵韩等［1］通过建立锂离子电池组风冷散热结构的三维仿真模型，并提出电池组散热通道的改进方案，使电池组的散热效果显著提高。黄锡伟等［2］通过建立电池组热模型，对不同的散热方案进行对比，结果表明，自然冷却下串行通道结构优于并行通道结构。自然冷却具备结构简单、操作便捷、成本低等特点，但其冷却效果较差，不适用于对散热要求高的应用场景。

1.2 热管冷却技术

热管冷却的本质为液体工质相变导热，主要通过液体工质在蒸发端受热后蒸发气化，流向冷凝端进行凝结，从而实现热量的传递。热管因其良好的导热性能和较小的体积被广泛应用于电子设备的散热设计。影响热管冷却效果的因素包括热管与电池组间的换热面积、液体工质的种类，因此提升热管冷却效果的途径主要有以下三种。

第一种：合理设计热管的结构，增加换热面积。雷波［3］研究了热管结合导热板在空气冷却和液体冷却下的冷却效果，结果表明，导热板能有效增加电池与热管的接触面积，可以通过增加导热板厚度和与电池组接触角度明显提升热管的冷却效果。王建等［4］研究热管冷凝端长度对热管冷却效果的影响，试验结果表明冷凝端长度的增加能增加与电池组的接触面积，有效提升冷却效果，但冷凝端过长也会增加电池组内的温差。

第二种：选择热阻小且合适工作范围的液体工质，并采用合适的充液率和工质浓度。李燕等［5］建立通关脉动热管试验台，分析在水冷条件下，充液率、工质、倾斜角度等因素对热管传热性能的影响。试验结果表明，热阻会随着充液率增加而增大，且相对于无水乙醇和蒸馏水，丙酮的热阻最低。

第三种：采用相变材料作为液体工质，增加接触面积，提高温度一致性。刘军等［6］研究了热管类型和数量、环境温度、复合相变材料用量对热管冷却效果的影响。结果表明，通过改变PCM/泡沫铝/多空热管复合相变材料的用量能有效提高散热效率。

热管技术的优点在于不需要外部动力就能实现较高的导热性能，且维护简单。但由于热管的容量较小和接触面积小，并不适用于大规模电池模块的散热，同时热管也无法对电池系统进行加热。

2 主动式热管理

主动式热管理是指需借助外部能源驱动的冷却技术，包含强制风冷技术和液冷技术。

2.1 强制风冷技术

强制风冷技术是指利用空气作为冷却媒介，通过风扇或空调等外在风冷设备对锂电池组进行冷却。其冷却效果主要受风冷设备选型和布置，以及电池包内外部风道设计的影响。

尉孟涛等［7］设计了一种电池组并行通风冷却散热结构，证实了最优结构配合往复送风策略可实现最佳冷却效果。张鑫［8］通过建立锂电池组两种排列方式的三维模型，分析排列方式对散热的影响，结果表明电池组按列排列散热效果好。强制风冷设计简单、安全性高，且相对液冷成本较低，但受环境温度影响较大，且冷却效果不及液冷技术，无法满足高倍率下大规模电池组的散热需求。

2.2 液冷技术

液冷技术主要指利用冷却液与电池组间进行换热。根据冷却液是否直接接触电池又分为直接液冷和间接液冷。

间接液冷主要是指驱动冷却液流经电池包液冷板时与电池进行热量交换。通常电池组的间接液冷系统包括液冷机、液冷管路、液冷板和冷却液。相较于风扇和空调，液冷机的成本更高，且该冷却系统对液冷管路和液冷板的密封性能要求较高，否则在实际应用中存在漏液风险。间接液冷的冷却效果主要受液冷机的功率、冷却液的种类，以及液冷板的流道结构和液冷管路的排布与管径的影响。

许炳等［9］通过数值仿真的方法研究了改进型“凸包”“纵向”和“横向”流道的三种液冷板结构在驱动耐久冷却工况下的传热性能。在驱动耐久冷却工况下，采用“横向”流道液冷板相较于另两种结构的冷却效果更佳。黄兴华等［10］针对3-4排电芯的电池包提出了U形流道结构的液冷板。Tang等［11］设计基于15°梯度角的微通道扁管冷却装置，采用该装置的电池组在以2C倍率放电时其温度不高于35 ℃。

直接液冷主要为浸没式液冷。浸没式液冷是指将电池包浸没到冷却介质中进行换热，外部再设置冷却液循环泵和冷凝装置的冷却方式。因电池直接接触冷却介质，相较于间接液冷来说，换热效率会进一步提高，但同时对电池的密封性能要求也会更高。

根据不同换热机理，浸没式液冷又可分为单相浸没式液冷和两相浸没式液冷。相较于两相浸没式液冷来说，单相浸没式液冷的冷却介质不发生相变，仅为对流换热，原理相对简单，因此应用较广。单相浸没式液冷常用的冷却介质为氢氟醚、硅油和烃类等。影响单相浸没式液冷的冷却效果的三类因素包括冷却介质的种类、介质流速和电池组的排布。

卢乙彬等［12］对比分析了氟化液、硅油和矿物质油对电池组的冷却效果。王宁等［13］设计单管、双管、盘型三种不同冷却液分布箱的电池箱，数值仿真的结果表明，双管型分布器的电池箱冷却效果最优。Liu等［14］通过试验分析了矿物油在静态和流动下对电池组的冷却效果，结果表明，提高矿物油的流速能有效降低电池组表面温度，但随着流速进一步提升，其降温效果逐步减弱。试验研究表明，两种液冷技术的换热效率和冷却效果均优于风冷技术，但同时其密封要求和生产成本也会高于强制风冷，因此其应用场景主要为对温度稳定性要求高且对成本不敏感的领域。

3 复合式热管理

相较于主动式热管理和被动式热管理技术，因相变材料具有较高的导热系数，基于相变材料的复合式热管理技术日益得到广泛关注和研究，例如相变冷却+风冷、相变冷却+液冷等。由于相变材料高昂的材料成本和封装成本，且需与其他冷却方式相结合，基于相变材料的复合式热管理技术目前实际应用较少。

相变材料根据材料的类型可分为两类，一类是有机相变材料，包括石蜡、醋酸等，具有化学稳定性好、无腐蚀性和过冷度低等优点，但热导率低和熔融态易泄露；另一类为无机相变材料，包括石墨、熔融盐等，相变焓高、热导率高，但同时存在热稳定性差和过冷度高的缺点。两种材料各有优缺点，因此，有机-无机复合型相变材料成为研究的重点。

基于相变材料的复合式热管理系统的冷却效果主要受到两方面因素的影响：一方面是相变材料的种类及其容器内外部结构，会影响相变材料同电池间的换热效果；另一方面是相变材料的外部冷却装置，会影响相变材料自身的冷却效果。

贺春敏等［15］以新型纳米材料Mxene和石蜡结合构建复合型相变材料，当石蜡和Mxene质量比为1∶1时，该复合相变材料的冷却效果最好。Karimi等［16］通过向纯石蜡中添加铜、银和四氧化三铁纳米颗粒制备成复合相变材料并测试其散热性能，发现添加三种金属纳米颗粒的复合相变材料导热性能得到明显提升。

基于相变材料的复合式热管理技术虽然起步较晚且成本较高，但因其较高的换热效率和换热潜能，随着研究的推进，其冷却效果会优于主动式和被动式热管理技术，也将逐步应用于更多的场景。

4 三种热管理技术对比

无论是直接液冷还是间接液冷，其冷却效果均优于强制风冷和自然冷却，且风冷和液冷这两种热管理技术是目前应用最广和比较成熟的锂电池冷却技术。热管冷却和相变冷却因原理相对复杂，研究起步较晚，目前仍处于试验研究阶段，但热管和相变材料良好的导热能力，随着研究的进一步深入，将会得到更多的应用和发展。基于相变材料复合式热管理技术的换热潜能优于主动式热管理和被动式热管理技术，随着电池系统换热需求的提升，将得到更深入的研究和应用。

5 结语

温度作为影响锂电池系统使用性能和安全性的关键因素，通过发展高效的热管理技术对锂电池运行温度进行有效控制，对推动锂电池技术的快速发展和应用具有重要意义。随着锂离子电池在汽车、船舶甚至飞行器等动力领域、新能源储能和户用储能领域的广泛应用，锂电池产品也将朝着更高能量密度和高倍率的技术方向不断更新换代。而新一代的锂电池产品对热管理技术的要求也会越来越高，单一的热管理技术将无法满足实际应用的要求，基于相变材料的复合式热管理技术将会得到快速发展和应用。

参考文献：

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