來源：汽車文摘
作者：許炫皓 李軍
摘要：為尋找合適的電池熱管理系統(tǒng)對電池進行溫度控制，降低車用鋰離子電池熱失控風險，基于文獻挖掘，在明確了鋰離子電池熱管理研究出發(fā)點的基礎(chǔ)上，對目前鋰離子電池熱管理技術(shù)進行綜述。闡述了車用電池空冷、液冷、熱管冷卻、相變冷卻和復(fù)合冷卻方式研究現(xiàn)狀和進展，總結(jié)了不同冷卻方式的優(yōu)缺點，進而提出動力鋰離子電池熱管理技術(shù)未來的發(fā)展方向。空氣冷卻和液體冷卻技術(shù)雖使用較多，但控溫效果較差；熱管冷卻和相變冷卻技術(shù)雖控溫效果較好，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。復(fù)合冷卻技術(shù)將主動冷卻與被動冷卻結(jié)合，有效降低峰值溫度的同時也提高了電池包溫度的一致性，可滿足不同工況的需求，應(yīng)用前景較好。
近幾年，節(jié)能減排的觀念受到越來越多的關(guān)注，國家也在 2020 年正式提出了雙碳目標，在此大背景下，交通領(lǐng)域中新能源電動汽車的發(fā)展也必將是大勢所趨。鋰離子電池由于其具有高功率、大容量、低放電率和長循環(huán)壽命的優(yōu)點在電動汽車電池組上的應(yīng)用越來越廣泛。眾所周知，動力電池組受溫度的影響很大，其適宜工作溫度區(qū)間僅為0～50 ℃，單體電池間溫差也不應(yīng)大于5 ℃，溫度過高會破壞電池內(nèi)部化學平衡，嚴重的情況甚至會導(dǎo)致熱失控，溫度過低電池內(nèi)阻增加，會影響電池功率和能量輸出。因此，為了使電動汽車始終保持在安全高效的工作條件下，設(shè)計一款適宜的熱管理系統(tǒng)非常有必要，目前電池熱管理系統(tǒng)主要包括主動式和被動式以及主被動聯(lián)合的方式。
本文首先確定電池熱管理的出發(fā)點，接著分別從不同冷卻方式入手，闡述近幾年的熱管理研究進展，分析不同冷卻方式的優(yōu)缺點，對鋰離子電池散熱技術(shù)的應(yīng)用進行展望，為未來熱管理相關(guān)方面的研究提供一些幫助。
2 電池熱管理研究概況
電池的性能、壽命和安全問題一直是阻礙電動汽車不能快速發(fā)展的原因，而這些問題大都與電池的溫度相關(guān)。電池內(nèi)部的化學反應(yīng)只有在特定的溫度下才會發(fā)生，溫度過高或過低都會導(dǎo)致鋰電池在充放電時電池容量下降，嚴重影響鋰電池的使用壽命。溫度過高會破壞電池內(nèi)的化學平衡，增加電化學反應(yīng)極化，降低電池倍率性能，經(jīng)過高溫循環(huán)后電芯的化學活性衰減，電池性能和壽命降低。溫度過低時電解液粘度增大，電極反應(yīng)率下降，導(dǎo)致電池內(nèi)部正負極化學物質(zhì)反應(yīng)變慢，電池內(nèi)阻增加，低溫下對鋰電池進行充電甚至會出現(xiàn)析鋰現(xiàn)象，不僅會使電池性能下降，還會大大縮短電池的循環(huán)壽命。電池溫度過高嚴重的情況下還會致使電池模組發(fā)生熱失控，引起電池自燃，導(dǎo)致爆炸甚至火災(zāi)。熱失控現(xiàn)象的發(fā)生很大一部分原因都是因為電池內(nèi)部短路，當鋰電池外部受力時，其內(nèi)部膈膜破裂，正極和負極相接觸，便會引發(fā)電池短路，從而產(chǎn)生大量的熱，儲存在材料內(nèi)的電化學能量會隨著熱量的產(chǎn)生而進一步釋放，當熱量累積到一定程度時，便會引發(fā)熱失控。熱失控的能量會引發(fā)模組乃至系統(tǒng)的熱蔓延，嚴重的情況下，導(dǎo)致整車燒毀。由此可見，當電池內(nèi)部溫度升高，熱量得不到釋放時，為使電池溫度盡可能保持在適宜溫度區(qū)間，保證電池性能和壽命的同時，防止電池發(fā)生熱失控現(xiàn)象，進行熱管理研究是非常有必要的。
3 電池熱管理研究進展
目前，在車用鋰離子電池熱管理方面，國內(nèi)外學者已經(jīng)做了大量研究，電池熱管理系統(tǒng)主要包括空氣冷卻、液體冷卻、熱管冷卻、相變冷卻和復(fù)合冷卻，空冷和液冷因為研究起步較早，技術(shù)較為成熟，已實現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用；熱管冷卻和相變冷卻雖然效果較好，但現(xiàn)仍處于試驗階段，尚未做到產(chǎn)品應(yīng)用。近幾年，越來越多的學者關(guān)注到可以將兩種或多種冷卻方式耦合起來，對電池進行復(fù)合冷卻熱管理，這種冷卻方式不僅效果更好，其適用范圍也得到增加，具有良好的發(fā)展前景。
空氣冷卻也稱風冷，主要是通過外部空氣的高流速給電池降溫，常見的風冷有2種方式：（1）被動風冷，是利用汽車行駛時空氣的高流速帶走熱量；（2）強制風冷，主要是通過添加風扇來增強空氣流速，從而帶走電池內(nèi)多余熱量。
對于風冷系統(tǒng)，影響其冷卻效率的主要因素有：電池排列方式、風道的設(shè)計、進出風口位置的設(shè)計以及空氣流速和溫度。在電池排列的研究方面，李康靖等比較了 3 種電池排列方式:順排、錯位和交叉。圖1是錯位和交叉排列的平面結(jié)構(gòu)圖，相比于錯位和交叉排列，電池組以順排排布時不僅最高溫度較低，而且電池組間溫差也較小，此外電池間距的大小也影響溫度均勻性，當間距控制在 4 mm 時溫均性最好。在風道設(shè)計研究方面，陳凱等針對Z形的空氣流道，采用數(shù)值模擬的方法對流道進行了優(yōu)化，對比發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的空氣流道在壓降不改變的情況下，電池組溫差減小了48%以上。在進出風口位置設(shè)計研究方面，E J等模擬了3個入口/出口位置以獲得最優(yōu)解:上入口和下出口、同側(cè)入口和出口和不同側(cè)入口及出口。結(jié)果表明，將入口和出口放置在電池組的相對兩側(cè)是最佳解決方案，使用額外的擋板結(jié)構(gòu)來防止空氣通過外殼和電池之間的距離，可以大大提高橫向進氣冷卻策略的性能。在空氣流速的研究方面，任詩皓等[11]采用數(shù)值模擬方法發(fā)現(xiàn)，增加進風口空氣速度或者降低進風口空氣溫度也能有效提高電池散熱能力。
圖1 錯位和交叉結(jié)構(gòu)俯視圖
空冷系統(tǒng)具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高的特點，但其導(dǎo)熱系數(shù)低，溫度均勻性控制較差，只能滿足一些低功率電池組的熱管理要求，市場上采用風冷方式冷卻的主要是電池容量較小的新能源汽車，比如五菱宏光MINI、豐田普銳斯、歐拉黑貓、哪吒等車型。當環(huán)境溫度過高或風速較低時，空氣冷卻無法達到降溫的作用。目前，空冷系統(tǒng)在市場上雖然還有一席之地，但隨著電池組開始向高能量密度方向發(fā)展，單獨使用空氣冷卻已無法滿足要求。
3.2 液體冷卻
液體冷卻的工作原理是通過設(shè)計將某一冷卻介質(zhì)放進特定的流道，使其流經(jīng)電池表面從而帶走熱量。液體冷卻主要分為直接冷卻和間接冷卻，主要的區(qū)別在于冷卻液與電池間接觸方式的不同。
液冷板和流道布置的改進是提高液體冷卻效率的主要方式，王明悅提出了一種基于蛇形通道的液體冷卻熱管理方案并進行了優(yōu)化，優(yōu)化后的液冷結(jié)構(gòu)可以使電池溫度保持在20~35 ℃之內(nèi)。蔡森林等設(shè)計了一種并聯(lián)非等長直流道的液冷板結(jié)構(gòu)，在保證最高溫度和溫差在適宜范圍內(nèi)的同時也較好的控制了液冷板的壓降。宋德才等設(shè)計了一種新型細小通道冷卻板，與傳統(tǒng)冷卻板相比，采用串并聯(lián)結(jié)合的流道具有更好的溫度表現(xiàn)，而且隨著流速的增大，散熱效果也越好，但這一趨勢在流量達到 5 g/s 時逐漸失效，如圖2是串并聯(lián)結(jié)構(gòu)流道示意圖。安治國等研究了液冷管道數(shù)量、管道間距對液冷散熱效果的影響，管道數(shù)量增加散熱效果變強，管道間距設(shè)計過大或過小都不利于散熱，最優(yōu)管道間距為65 mm。
圖2 串并聯(lián)結(jié)構(gòu)式液體流道圖
液體冷卻雖然存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、質(zhì)量大的缺點，但相比較于空氣冷卻，液體冷卻不僅換熱系數(shù)較高，而且可以使電池組的溫度分布更均勻，目前市場上主流的新能源汽車大都采用液冷作為熱管理方式，如特斯拉設(shè)計的波浪形液冷板已經(jīng)申請了多項專利，小鵬P7冷卻液不僅能夠降溫也能夠升溫，還有諸如理想ONE、比亞迪元 EV360、廣汽傳祺 GE3 等眾多車型。液體冷卻仍是目前大多數(shù)新能源電動車的首選，通過改變冷卻板結(jié)構(gòu)，流道結(jié)構(gòu)以及液體流速是目前優(yōu)化液體冷卻效率的有效手段。
3.3 熱管冷卻
熱管冷卻早期多應(yīng)用于核冷卻領(lǐng)域和航天領(lǐng)域，近些年隨著新能源電池的發(fā)展，熱管冷卻技術(shù)也被作為一種電池冷卻的有效方法。熱管主要由蒸發(fā)器、絕熱器和冷凝器3部分構(gòu)成。管內(nèi)介質(zhì)在蒸發(fā)段蒸發(fā)，蒸氣通過絕熱段流向低溫冷凝器段，管內(nèi)介質(zhì)在該段內(nèi)進行冷凝，由此一個工作循環(huán)。
在熱管冷卻的結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，曾健等對所設(shè)計的一種基于熱管的散熱模塊中熱管的幾何尺寸進行研究，對比發(fā)現(xiàn)當熱管蒸發(fā)段中水平段與豎直段比例為1時，散熱效果最好。甘云華等研究發(fā)現(xiàn)在熱管中加入導(dǎo)熱元件可以增大電池與熱管之間的接觸面積，提高熱管的冷卻效率，增加導(dǎo)熱元件厚度的也能夠降低電池溫度，一般將厚度控制在 4 mm 以下。田晟等設(shè)計的熱管-鋁板嵌合式散熱結(jié)構(gòu)如圖3所示，在2 C放電倍率下，有效地將單體電池間溫差控制在3.2 ℃，同時運用雙因素方差分析法，比較得出鋁板厚度的增加相比于熱管數(shù)量的增加能更有效的控制電池最高溫度。周海闊等針對大功率電池模組，設(shè)計了一款熱管-翅片-集熱板的組合，通過有限元計算模擬和試驗發(fā)現(xiàn)，在1 C放電倍率下可以將電池組溫度始終保持在15 ℃以內(nèi)。
圖3 熱管-鋁板嵌合式結(jié)構(gòu)模型
熱管技術(shù)在電池冷卻方面的研究目前多停留在模擬仿真和試驗階段，還未達到實車應(yīng)用的要求。熱管冷卻技術(shù)不僅冷卻效率比風冷和液冷高，而且可以滿足高溫和低溫的雙工況要求，雖然目前其成本較高，結(jié)構(gòu)也較復(fù)雜，但其仍然具有很好的發(fā)展前景，未來的研究將重點放在降低系統(tǒng)能耗和輕量化方面。
3.4 相變冷卻
相變冷卻是一種冷卻效果較好的被動式冷卻，主要是利用相變材料在物質(zhì)狀態(tài)變化過程中，溫度保持不變的同時吸收熱量，也叫相變潛熱。目前相變材料大致可以分為3類：無機材料、有機材料和復(fù)合相變材料，而鋰電池的相變冷卻中采用的多是石蠟和石墨的復(fù)合相變材料。
基于石蠟和石墨復(fù)合相變材料的研究眾多，王海民等設(shè)計了一種正六邊形的電池模組，并在其電池周圍填充石墨-石蠟的復(fù)合相變材料，其結(jié)構(gòu)如圖4所示，分析了相同放電倍率下，不同電池間距相變材料的散熱特性，結(jié)果表明間距小的模組溫升高于間距較大的電池模組。林裕旺等通過在石蠟相變材料中添加不同質(zhì)量分數(shù)的膨脹石墨，研究其冷卻效果發(fā)現(xiàn)增加膨脹石墨的質(zhì)量分數(shù)可以提高系統(tǒng)的散熱能力。吳偉雄等將石蠟與膨脹石墨復(fù)合制備成一種導(dǎo)熱性極佳的復(fù)合相變材料板，與純石蠟材料相比導(dǎo)熱系數(shù)提高了近30 倍，采用該方法電池組在5 C放電倍率下最大溫差僅為2 ℃。凌子夜等將石蠟RT44HC與膨脹石墨復(fù)合，導(dǎo)熱率比純相變材料提升了20~60 倍，可以將電池溫度很好的控制在適宜溫度內(nèi)。
圖4 相變冷卻結(jié)構(gòu)模型
相變冷卻與其它冷卻方式相比不需要大量的附件設(shè)備，安全性高，而且能更好的控制電池組間的溫差，可以避免出現(xiàn)局部過熱的現(xiàn)象。目前對相變材料的研究大多依賴于有機相變材料，鑒于有機相變材料的低導(dǎo)熱性，未來的研究重點可能轉(zhuǎn)向?qū)嵝愿玫臒o機材料。隨著電動汽車的發(fā)展，電池功率越來越大，單靠基于相變材料的熱管理已經(jīng)無法滿足散熱要求，因此，未來研究重點要放在將相變材料與其它冷卻方式結(jié)合方面。對相變材料的研究目前主要集中在吸熱制冷方面，但隨著新能源汽車向高寒地區(qū)的推廣，未來也需要對相變材料低溫蓄熱能力方面進行更多的研究。
3.5 復(fù)合冷卻
前文介紹的4種冷卻方式都是較為單一的熱管理技術(shù)，都具有各自的優(yōu)缺點，為了進一步提高電池冷卻效率，很多熱管理研究開始選擇將多種冷卻方式復(fù)合起來，使不同的冷卻方式取長補短，克服單一冷卻方式的缺點，保留其優(yōu)點，以此達到更好的熱管理效果。目前大多數(shù)的復(fù)合冷卻是將主動冷卻與被動冷卻相結(jié)合起來。
Yang 等提出了一種將空氣冷卻和相變冷卻相結(jié)合的熱管理系統(tǒng)，研究比較了自然對流、自然對流與相變復(fù)合和強制對流與相變復(fù)合3種不同熱管理方式，對比發(fā)現(xiàn)強制對流與相變復(fù)合的熱管理方式可以很好的將電池組最高溫差控制在2 ℃。吳學紅等為了提高電池散熱能力，在相變材料和液冷板復(fù)合的電池表面添加了導(dǎo)熱翅片，該復(fù)合冷卻方式可以保證電池組溫度維持在 33 ~38 ℃的安全范圍內(nèi)。黃菊花等設(shè)計了一種相變材料與液冷水套耦合的散熱結(jié)構(gòu)模型，探究了不同流道對電池溫升的影響，不同流道結(jié)構(gòu)模型如圖 5 所示，比較發(fā)現(xiàn)在 3 C 放電倍率下 ，6 流道結(jié)構(gòu)可以控制電池表面最高溫度 為33.78 ℃，比單一的相變冷卻溫度降低了 7.23 ℃。Huang 等設(shè)計了一系列基于相變材料的熱管理系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)將熱管與液冷以及相變材料結(jié)合的熱管理方式可以在 3 C 放電倍率下，將最高溫度控制在 50 ℃內(nèi)，并且與另外兩種方式相比溫差下降了3 ℃。
圖5 相變材料與液冷水套耦合結(jié)構(gòu)模型
復(fù)合冷卻將主動冷卻與被動冷卻相結(jié)合，與其他單一冷卻方式相比不僅冷卻效率得到提高，適用范圍也得到進一步擴大。目前復(fù)合冷卻存在的主要問題是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，質(zhì)量和體積偏大，如何在保證其冷卻效率的前提下減小其質(zhì)量是一個亟待解決的問題。不同的電池熱管理效果對比如表1所示。
表1 5種冷卻方式效果對比
當前，新能源汽車技術(shù)發(fā)展迅速，電池熱管理系統(tǒng)在保證電池性能和使用壽命方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，電池熱管理的主要功能是對電池進行實時的溫度監(jiān)控、保持電池間溫度一致性、溫度過高時有效散熱、低溫時能夠快速加熱。目前，市場上的新能源汽車多采用風冷和液冷2種方式對電池進行降溫，而熱管冷卻和相變冷卻作為新型被動冷卻仍然停留在試驗研究階段，在新能源車上還未得到大批量應(yīng)用，隨著電池容量和充放電倍率的增加，單一的電池熱管理方式已經(jīng)不足以滿足電池散熱的要求，因此使用多種方式耦合的熱管理系統(tǒng)必定是未來的發(fā)展趨勢。
鋰離子電池正在向高能量密度、長循環(huán)壽命方向發(fā)展，與此同時，電池產(chǎn)熱速率增加導(dǎo)致峰值溫度增高，溫度一致性變差，因此，未來重點將主要放在對單體電池峰值溫度和電池模組間溫度均勻性控制的研究。
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