锂离子电池热管理技术

毛妮佳

天津力神电池股份有限公司，天津市，300384

摘要：能源紧缺和环境污染促进了能量存储技术的不断革新。为了实现车辆减排和控制污染的目标，许多国家的车企都在努力从传统的燃油汽车向绿色、环保的新能源汽车转变。在我国“双碳”目标、高油价的大背景下，电动汽车正逐渐成为人们出行的首选交通工具。三电（电池、电机、电控）是电动汽车的核心，电池又是电动汽车的动力来源，其使用性能的好坏，深刻影响车辆的续驶里程。车辆在行驶和充放电过程中电池内部将产生反应热和焦耳热，引起电池温度升高，电池单体和模块之间形成温差，如果不能及时有效散热，均衡电池温度，不但会造成电池容量减退，降低动力电池的性能，缩短使用寿命，而且还会导致电池包内不稳定，引起热失控。此外，极端快速充电和寒冷的气候等恶劣的运行条件会加速电池的老化，老化的电池内部电阻变大，产生过多的焦耳热，造成温度失控。温度对电池综合性能影响很大，为了安全、高效地利用电池能量，将电池组的温度保持在最佳范围内，以保证电池组的热均匀性，并平衡充放电状态，开发一套性能优良、可靠的电池热管理技术势在必行。

关键词：锂离子电池；热管理技术；策略

1风冷技术

电动汽车最初普遍采用结构简单的风冷系统。利用鼓风机的抽吸作用，把外部空气吸入动力电池总成，空气流过电池模组周边，最后动力电池产生的热量随空气从出风口排出，达到对电池散热的效果。风冷因通风方式不同可被划分为自然对流和强制对流两种散热方式。自然对流是利用外部冷空气流经每个电池单元表面，进行热交换实现冷却的目的。强制对流冷却是在此基础上加上机械装置，需要消耗电池的部分能量加以驱动。强制对流比自然对流更可靠，维护更简便，因此强制对流在不同车型上比较常见。然而，电池间温度的不均匀性是强制对流亟待解决的一个大问题。根据通风模式的不同，风冷有串行和并行两种通风模式。串行通风时，空气进入通风管路依次流过每个电池单体表面，在空气流动过程中，空气温度逐渐升高，和电池之间的温差持续缩小；由于电池模组两侧的温度和流速不同，气流先流过的一侧电池温度低、空气流速大；气流到达另一侧时传热效率降低，这时电池表面温度变化不大，导致两侧电池组之间温度不均匀。并行通风时，空气同时流过不同电池表面，流速相对一致，各电池的热交换情况几乎相同，改善了模组温度均衡性，因此并行通风被广泛应用。电池的排列方式也会影响风冷效果，顺排布置的电池模组，虽然冷却气流的流动阻力较小，但电池单元的接触面积少，对流效果不佳，散热效率较差，通常不采用。交叉布置增大流经电池之间的气流扰动，提高了散热效果，但流动阻力损耗较大。采用梯形布置方式可提高传热系数，均衡电池两端散热效果，使电池组整体温度基本保持在比较稳定的水平。

2相变冷却

相变材料冷却是一种新型的冷却方式，相变材料能够在一定温度范围内改变自身的物理状态，在改变物理状态的过程中有能量储存，从而对电池组起到散热的作用。目前，相变材料技术正处于发展初期阶段，发展潜力大。相变材料技术散热效率高，散热不需要消耗过多的能源，因此相变冷却是一种具有广泛应用前景的冷却方式，也是近年来电池冷却研究的热点之一。温度是影响相变冷却的因素之一，高温下相变材料的热管理性能，在3C的放电速率下，发现相变材料翅片结构具有改善其内部自然对流和热传导的优势。由于相变材料冷却属于主动散热，一般会与其它冷却方法组合使用。

3液冷技术

风冷不能达到散热要求时，引入液冷散热。在液冷过程中传热流体从电池中吸收热量，通过不断循环及时将热量传递到外部空气，降低电池组温度，比风冷散热效率更高，冷却速度更快。液冷系统有主动和被动方式。在主动式液冷中，热流体与外界的热交换主要是由发动机冷媒或空调系统的组合来完成，受环境温度的影响较小；但其结构复杂，增加了制造和维护成本，耗能组件也造成电池能量的二次损耗。被动式液冷中，液体介质流经电池吸收热量，热流体被泵送至热交换器，将热量散发到外部环境中，进而使电池温度降低。介质（冷却液）可以重复利用，其结构简单，成本低。由于被动式液冷主要依靠外部环境空气进行热交换，当外部环境温度较高时，无法实现有效的散热。被动液冷系统的散热效果逊于主动式液冷。根据液体介质与电池的接触方式可分为直接接触和间接接触液冷。当电池与液体介质直接接触时，介质可以是水、乙醇以及制冷剂等，应保障绝缘以避免短路；介质通常是具有高导热系数的电绝缘液体（油），以解决模块温度均衡问题；这类介质黏度高、流速低，消耗了更多能量，冷却效率降低。因此可以通过介质的导热系数、流速、黏度、密度等参数的变化进行改善，提高热交换率。在间接液体冷却系统中，液体在与电池接触的管路或集成通道中流动，带走电池产生的热量达到散热的目的。该系统中通常使用低黏度流体（水、乙二醇等）来传递热量，因此需要较少的功耗，不受流速限制，但其均温性较差。虽然直接液冷比间接液冷效率更高，但间接液体冷却系统由于实用性、稳定性和可靠性而普遍用于电动汽车。

4空气冷却

空气冷却是保持电池在工作环境内，通过空气进行换热，主要包括强制风冷和自然风方式。风冷的优点在于成本低、适应性广、安全性高，但对于锂离子电池组而言，风冷的换热效率低，而且容易形成电池组的温度分布不均匀，即均温性差。风冷由于比热容低，具有一定局限性，因此需要搭载其它冷却方式同时进行。空冷的冷却效果主要与电池的排列方式和空气流道与电池接触面积有关。

5PCM冷却技术

PCM在物质状态发生变化时能够吸收或放出大量潜热，并确保温度在一段时间内保持恒定。PCM冷却技术是利用这种特性，电池与PCM直接接触，由电池向PCM传递热量，在物质状态发生变化过程中储存和释放热量，实现对动力电池的低温加热、高温散热的效果。PCM包括有机、无机和复合PCM三种。有机PCM价格低廉、稳定性好、毒性低、无腐蚀性、无过冷和相分离等特性，然而具有导热性差和易燃的缺点。为了解决上述问题，研究人员尝试在有机PCM中添加高导热材料和阻燃材料，这是电池热管理领域的热点问题。由于相变温度的限制，可用的无机PCM大多为水合盐，其热物理性质不稳定。无机PCM是完全不可燃的，成本比有机PCM低得多。无机PCM因相分离、脱水或过冷导致的导热性和稳定性差问题，阻碍其广泛应用。为改善有机PCM和无机PCM的这些缺点，综合了以上两者的优势研制出了复合PCM，具有更好的热传导性和相变潜热。

6结论

在空冷、液冷和相变冷却3大类型中，空冷的应用场所最为广泛，但是散热效果较差；液冷的散热效果最好，也是目前各个新能源汽车的首选散热方式；相变冷却的应用前景可观，目前多数学者在从事相变材料在汽车动力电池冷却方面的应用技术研究。液冷散热的技术研究中需要考虑流道数量、形状、流体速度和冷却介质参数，在实际的散热系统中，液体冷却还要考虑漏液的问题。相对于空冷散热，液冷散热的换热效果更佳，而且散热效率可以根据冷却介质的热导率的不同而发生改变。相变材料冷却属于主动散热，不消耗额外能量，相变材料热密度高、潜热量大，导热率高类似无机水合盐相变材料以及有机物混合体。相变材料在固态和液态之间转变过程中转变速度快、散热速度快，与其它散热复合使用，更能增强电池组热传递性能。

参考文献：

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