车用锂离子电池冷却技术研究进展

图1是锂离子电池冷却技术的分类。根据冷却方式的特点，锂离子电池冷却技术可分为主动式冷却和被动式冷却。其中，主动冷却技术主要包括强制对流空气冷却、冷却液冷却和制冷剂直接冷却，其需要额外的能量驱动风扇或泵。被动冷却系统包括自然对流空气冷却、相变材料冷却和热管冷却。被动冷却系统需要电池表面的特定结构来散热，比如相变材料或热管。另外，基于相变材料的被动系统也可用于改善电池包内的温度均匀性。相对于被动冷却系统，主动冷却系统具有更好的散热能力，但结构较为复杂。

图 1 电池冷却技术分类

空气冷却技术可分为自然对流冷却和强制对流冷却。其中，自然对流冷却系统是利用外部空气的自然对流或利用机械结构的改进增加进风量，使外部冷空气流经动力电池的各个电池表面进行热交换，达到冷却的目的。自然对流具有结构简单、成本低的优点。但由于自然风的不可控性，存在着散热能力弱的缺点。利用风扇进行强制对流散热比自然对流更加可靠，散热能力更强，更容易维护， 因此成为新能源汽车早期常用的一种电池冷却方法。图2是带有波纹板的Z型流道强制对流系统。由图2可知，系统通过风扇增加电池包内部的进风量，使空气与电池发生强制对流。对于空气冷却技术，其关键是增强进风量和建立高效的空气通道， 增强电池包的散热效率。因此，近年来空气冷却技术的研究主要集中在电池布置方式、新型通风形 式、风道结构优化等方面。

Sun等研究了风冷结构对电池包散热效率的影响。研究发现，进口和出口通道的几何形状对冷却通道的流动均匀性起着重要作用，进而显著影响锂离子电池的温度均匀性；其在Z型流道设计的基础上，在冷却板之间插入波纹，增加电池包内空气的湍流强度和接触面积，从而提高电池组的散热效率和温度均匀性。与传统Z型流道相比，该流道的冷却效率可提高93%左右。

Chekuri等研究了强制对流对于电池温度均匀性的影响。通过对电动汽车的锂离子电池冷却系统进行模拟，在强制对流条件下，引入锥形入口和锥形出口可以降低电池温度。Zhang等提出了一种基于并联空气冷却系统的新型冷却技术，研究发现在电池组的冷却通道中添加扰流板可以进一步提高电池的冷却性能和温度均匀性。实验结果表明，扰流板的数量和位置对电池组的散热性能有很大影响，与未添加扰流板的电池相比，电池组的最高温度和最大温差降低1.86°C和2.51°C。锂离子电池的最高温度、最大温差以及均温性受热导率各向异性的影响。安等研究了锂离子电池热导率各向异性对电池冷却性能的影响。结果表明，低热导率条件下，增大热导率后电池最大温差由3.33K减小至0.61K。同时，锂离子电池直径缩小44%时，电池组的最大温差减小了44.8%，优化锂离子电池的结构能够有效改善电池组的均温性。

风冷系统是所有冷却系统中结构最简单、制造成本较低的一种，但存在着冷却效果差、冷却速度慢、温度分布不均等缺点，导致风冷系统不能很好地满足目前电动汽车电池模块的散热要求。由于空气具有低热容和低导热系数的特性，自然对流在电池组中会产生很大的热梯度，并且高度依赖于环境条件，因此目前很少单独使用自然对流来冷却锂离子电池组。对于强制对流，需要解决温度场分布不均匀问题，但由于空气本身的热物理特性，其冷却效果有一定的局限性。但是，在储能领域，风冷系统凭借结构简单、容易维修等特点，能够很好满足需求。因此，综合考虑流道的几何形状、电池组的布置和气流形态等对风冷系统的散热速率的影响，结合实验和数值分析方法，对现有结构进行优化或开发新的冷却结构，以提高其冷却性能，使其能够应用于大规模储能领域，也是目前锂离子电池热管理系统需要重点研究的内容。

液冷系统是指冷却液直接或间接与动力电池模块接触，然后通过冷却液的连续循环带走电池产生的热量的冷却系统。由于冷却液的换热系数较高，其比风冷系统的冷却效率更高、更有效。液冷系统根据冷却液与电池的接触方式可分为直接接触和间接接触。直接接触液冷系统将锂离子电池完全浸入冷却液中，对电池包的温度均匀性具有良好的效果。但是，对电池包的密封性要求较严格。由于电池的绝缘要求，直接接触方式需要具有绝缘性质的冷却剂，比如硅油、矿物油等。间接式液体冷却系统主要由冷凝器、蒸发器、压缩机、冷板和电池组成，如图3所示。其原理为在电池表面布置冷板或水套，冷却液通过流道流经电池表面，达到循环和热交换的目的。间接接触方式常用的冷却剂是乙二醇和水，相比直接液体冷却，冷却液的粘度要低。虽然，液冷热管理系统技术已经相当成熟，在新能源汽车冷却系统中得到了广泛的应用，但仍有很大的发展空间。液冷技术的关键是有效冷却面积的增加和湍流强度的增强。因此，国内外电动汽车液冷技术的研究主要集中在冷却介质流道结构设计。

YatesM等研究了小冷却通道和大冷却通道的冷却性能。研究结果表明，在放电速率为5C和环境温度为24.85°C的条件下，两种通道的最高温度可以控制在34.85°C，温差可以控制在3.15°C。冷却通道的数量、孔径、流量和入口位置都会影响两种液体冷却技术的性能。采用小冷却通道的电池组最高温度相比于大冷却通道更低，但其温度一致性差，且制造工艺复杂，成本较高。

波浪形通道是圆柱形锂离子电池热管理系统的一种冷却方案，该结构被特斯拉等使用圆柱电池的公司采用。Zhao等研究了圆柱形电池波浪形通道冷却与液体流动的热行为。结果表明，在冷却液进口速度为0.5m/s以及25°C的环境下，波浪式通道液冷系统能够保持电池的最高温度低于35°C，最大温差低于1°C。通过增加电池与波浪形通道外壁的接触面积，可以显著降低电池模组内的最高温度。但是，靠近液冷系统出口处电池的温度相对较低增加了电池包内温度不均匀性的风险。因此，其又提出了使用多组短通道代替长波状单通道增强换热的方法。李等研究了多算法结合的液冷结构优化对锂离子电池冷却效率的影响，利用神经网络算法以及多目标遗传算法对液冷结构进行优化，从而得到电池组液冷结构合理设计参数。结果表明，优化后电池组最高温度降低14.3%，最大温差降低51.5%。

与风冷系统相比，液冷系统具有更高的散热效率和更明显的散热效果，也是目前新能源汽车电池热管理系统的主流冷却方法。由于液冷系统需要泵、热交换器、冷凝器和蒸发器等部件，不仅结构复杂，增加了生产、维护和使用的成本，还会额外增加能量的损耗以及增加整车质量。况且，传统的冷却介质的散热效果差。由于直接接触式液冷在运行过程中可能发生电气短路和电化学反应，因此在动力电池冷却系统中运用较少。间接接触式液冷的综合性能较好，且适用于各种类型的电池组，但系统复杂度较高，需要优化液冷系统结构来降低其成本和复杂度。因此，液冷系统未来的研究方向更倾向于高导热率的传热介质、高效的散热效率和温度均匀性控制和系统的轻量化设计等。

相变材料冷却技术采用相变材料（PhaseChangeMaterial，PCM）作为传热介质，在相变过程中储存和释放能量，达到动力电池高温散热的效果，无需额外的能量消耗，如图4所示。根据相变材料的相变方式可分为固-固相变材料（无机盐）、固-液相变材料（石蜡）、固-气相变材料和液-气相变材料。其中，固-液相变材料具有潜热大、体积变化小、原料易获取等特点，目前是行业研究的重点，比如石蜡和熔融盐等。基于以上原因，相变材料冷却技术的主要研究集中在相变材料的改进和优化，以提高其导热系数，比如在基础相变材料中加入高导电的基体。

Azizi等研究了一种由相变材料和铝丝网板制成的电池热管理系统作为导热增强剂，以控制高温区域（50-55°C）下电池的温升。在相变过程中，高孔隙率的金属丝网板比泡沫铝板更有利于孔隙的填充。结果表明，在电池之间使用相变聚乙二醇和铝丝网板可以显着降低电池表面温度，在1C、2C和3C的放电速率下，最高电池表面温度分别降低了19%、21%和26%。Zhang等研究了一种使用饱和PCM的铜金属泡沫的电池热管理系统。在5C的放电速率下，相比于PCM冷却的情况下最高温度由54.12°C降低到47.86°C，而其温度不均匀性增加速率也较小，金属泡沫铜能够增强PCM的低导热性并改善电池组的温度均匀性。Jiang等通过将具有增强导热性的石蜡以不同质量分数吸收到膨胀石墨制备具有不同质量分数的膨胀石墨复合相变材料(CompositePhaseChangeMaterial,CPCM)，解决了石蜡导热系数低的问题，使得锂离子电池的温升显著降低。

Ling等通过制备具有高导热率的膨胀石墨和具有低导热率的气相二氧化硅两种复合材料，研究了具有不同导热系数的CPCM在低温运行时的温度控制能力。锂离子电池组在-10°C和5°C的条件下工作，导热系数低的PCM会导致电池组内的温差显著（>12°C），采用膨胀石墨的复合材料防止了电池过热，改善了温度均匀性。提高PCM的导热性对于实现均匀的温度分布以提高电池热管理性能起着关键作用。另外，电池组中单体电池的排布方式同样会影响锂离子电池组的热管理性能。张等研究了不同单体电池间距以及相变材料用量下电池组温度场变化情况。实验结果表明，电池组中电池单体的间距在10mm时温度均匀性最优，在优化电池组排布的基础上减少12%的相变材料用量，电池组的最高温升不变，而最大温差下降了34%。减小电池组的间距和相变材料用量能有效降低电池包的最高温升和最大温差。

相变材料冷却系统具有结构简单和制造成本低的优点，但仍存在一些技术问题，如导热系数相对较低，温度过低时相变材料的热稳定性相对较差，没有得到广泛的应用。此外，PCM很难满足大型电池组充放电的温度控制需求，所以多适用于小型电池组。此外，热管、直冷等主动冷却技术也使用到PCM，但其结构复杂，制造成本高，散热能力却优于被动热管理系统，且非常适用于大容量电池组。在实际应用中，应综合考虑选择合适的热管理系统。此外，充分利用PCM的特性，可以实现对过冷条件下电池热量进行有效回收的热管理系统设计。由于相变过程的温度不均匀性，在高速率连续充放电循环的条件下，PCM存在完全熔化的风险。PCM融化时会增加其体积，且PCM的热稳定性较差，进而导致PCM的泄露。相变材料冷却技术需要解决高温融化造成的泄露问题，通过优化控制策略以及加入复合相变材料，以提高其安全性能。

热管冷却技术最早应用于航空航天和军事等领域，其工作原理在于热管内部工作流体间的相变反应，在蒸发段吸收热量，在冷凝段释放热量，一般 沿轴向分为蒸发段、绝热段和冷凝段，如图 5 所示。因此，热管冷却能通过工作流体的往复循环和相变反应进行有效的传热，而蒸发段通常连接到热源。但由于使用过程中冷凝剂的压力过高，从而导致管 道、生产标准、生产设备等方面的要求过高，目前仍处于研究阶段。因此，热管冷却系统在动力电池 热管理方面的应用也大多处于研究阶段，尚未广泛使用。

Zou等研究了热管-液体耦合综合热管理系统，既可实现电池低温加热也可以用于高温冷却。管道内的制冷剂经过PTC加热，然后通过热管将热量传递给电池。在加热的初始阶段电池升温较快，随着热管的冷、热端温差逐渐减小，其换热能力减弱，最终换热量趋近于定值，约900秒后电池温度上升至20°C。Zhang等[34]研究了一种基于被动热管的方形电池热管理系统，该系统采用带翅片的扁平热管。结果表明，与自然对流冷却和铝板冷却相比，最大温差分别降低73.7%和50.1%，使用扁平热管可以有效降低电池的最高温度和温差，同时能量消耗较低。

研究新型热管能够充分发挥热管的高导热性。Chen等研究了基于改进的TiO2纳米流体为工质的脉动热管（PulsatingHeatPipe,PHP）。电池产热量的增加导致了帽管冷凝和蒸发部分之间的温度梯度增加，进而加速启动PHP，电池表面的最高温度为42.22℃，最大温差低于2°C。基于PHP的热管理系统具有良好的散热性能，可以最小化温度梯度，提高电池表面的热均匀性。王等研究了重力热管在变放电倍率和变环境温度下的热性能。结果表明，在高倍率放电时，电池中心的温度下降12.69%，最大温差为1.2°C。在3C高倍率放电情况下，电池最高温度保持在50°C以内。

Feng等研究了使用热管的锂离子电池管理系统，该系统采用热和应变管理，以降低工作温度和应变。电池组在安装热管冷却装置后，热和应变在放电过程中减小，并且在充放电循环过程中具有相同的温度变化趋势。结果表明，在强制对流条件下使用热管冷却，以在多次循环试验中使整个包的平均温度降低到36°C。但是，受到冷却工质冷却能力的影响，在自然对流的条件下采用热管冷却装置不足以使电池保持在正常的工作温度范围内。Liang等在不同的环境温度下，通过改变冷却剂流量、冷却剂温度和产热速率，测量了使用热管的电池热管理系统的性能。研究发现，采用间歇冷却和持续冷却可以达到相似的电池冷却性能，这表明可以通过减少热管冷却系统的运行时间来达到降低功耗的目的。

热管除了拥有传热导热系数高、优良的等温性能、热流密度可变和热流方向可逆的优势，还能与其他冷却方式耦合，如热管-空气冷却，热管-液冷以及相变材料等。热管冷却系统具有很好的发展前景，但仍存在着生产和维修成本高、换热介质的用量不易控制、散热效率受电池组形状影响较大等问题。当前研究侧重于降低电池组温升及温差，对于系统能耗与成本考虑较少，未来研究应集中在系统多目标优化，以及降低系统能耗和成本等方面。因此，综合考虑热管内部结构设计及其在电池包内的布置方式，优化其传热性能，是未来冷却系统重点研究的方向之一。

制冷剂直接冷却技术（又称直冷技术）是一种新型高效的电池热管理方法，其原理为制冷剂利用相变传热直接吸收电池产生的热量。如图6所示，制冷剂直接冷却技术的冷却板通常与空调系统的内部蒸发器并联，并通过前置节流阀（如电子膨胀阀）调节制冷剂流量和控制冷却温度。直冷系统通常由电池直冷板、压缩机、冷凝器、蒸发器和膨胀阀组成。电池直冷系统与空调系统共用一个制冷循环，不仅简化了结构，还提高了冷却效率。目前，制冷剂直接冷却技术已经应用于宝马i3、X5、奔驰S400、比亚迪Dolphin、奥迪A6等车型。

Shen等研究了电动汽车的直冷式系统，在传统汽车空调系统的蒸发器侧设置平行板（冷板）。制冷剂在膨胀阀中节流减压后，直接引入电池包内的冷却管中，电池直接与制冷剂进行热交换。结果表明，直冷式系统具有较快的温度响应特性，电池可以从44°C冷却到30°C。该结构将空调系统和电池冷却系统结合，简化了整车的热管理系统。与液冷相比，制冷剂的导热系数更低，冷却效果更明显。另外，该系统虽然具有较高的能效比，但仅为46.17%，仍有一定的改进空间。

Shen等研究了一种新型的制冷剂热管理系统，利用Amesim建立了电池直冷系统模型，分析了其在不同工况下的性能。结果表明，通过乘员舱优先控制策略，能够提高系统性能以及整车热管理性能，该系统能有效降低电池的最高温度。即使在高温、高速的行驶条件下，电池之间的温差也可控制在3℃以内。王等研究了不同参数对直冷式电池热管理系统性能的影响。结果表明，冷媒充注量为250g时能效比达到最大，膨胀阀开度增大至46%时，电池的平均温度最低。在环境温度35°C的条件下，通过调节膨胀阀开度在47%~56%范围内，电池温度仍能被冷却至环境温度以下。

Cen等研究了采用翅片换热器结构的电池直冷系统，将基于制冷剂的热管理系统与电动汽车空调系统集成，分析了其在极端环境下的温度控制能力。将采用翅片管换热器结构的圆柱形锂离子电池集成到电动汽车空调系统中，使用两个电子膨胀阀通过自编程控制软件自动控制电池组的温度。结果表明，该系统可以在40°C的极端环境温度下，将电池组的温度控制在35°C以下。另外，通过优化制冷剂回路，可以减少电池包内部温度的不均匀性。在0.5C、1C、1.5C的恒放电倍率下，电池包内温差小于4°C。

制冷剂直接冷却系统具有散热效率高和结构简单的优点，还能保持良好的温度控制和均温性。与液冷系统相比，制冷剂的导电性较低，从而避免了电池短路导致冷却液泄漏的危险。在电动汽车发生碰撞的情况下，即使电池严重损坏，制冷剂泄漏也不会引起电池燃烧的风险。直冷技术具有很好的发展前景，但存在控制策略复杂且成本较高等缺点。电池直冷板在系统中起蒸发器和冷凝器的作用，其内部流阻均匀性、分配器设计等因素都会影响电池的温度均匀性，应该优化直冷板结构从而提升直冷系统的综合性能。另外，直冷技术无法将热能传递给电池，因此不能有效地实现电池加热，需要额外的加热元件。因此，设计双功能制冷剂回路系统，分别使用低温制冷剂或高温制冷剂对电池进行冷却或加热，设计合理的控制策略来克服电池与乘员舱之间需求的冲突，是未来直冷技术重点研究的方向之一。

综上所述，不同的冷却系统具有各自的优缺点，如表 1 所示。

从表中可以看出，空气冷却系统结构简单、成本低、重量轻，但其导热系数低，电池均匀性控制差；液体冷却系统具有导热性好，散热效果好，散热比较均匀等优势，目前在动力电池热管理系统中广泛应用，但存在液体泄漏风险、维护困难、重量大、结构复杂等问题；相变材料冷却系统的热密度高、潜热大、稳定性好、散热快、高温控制均匀，但相变材料所吸收的热量不能很好地散到外部环境且过冷会影响相变材料的热性能和热稳定性，且存在相变材料泄漏风险，影响系统的安全性和可靠性，且附加质量高；热管冷却系统有导热系数高、散热效率高、加热速度快、均匀性好、安全性好、可靠性高等优势，但其制造成本高、换热介质量难以控制、结构复杂、安装不便，因此在新能源汽车中应用并不广泛；直冷系统具有较高的传热能力，且相对容易集成到现有的车辆空调系统中，其冷却温度能够低于环境温度，但存在成本高且难以实现电池加热等问题。此外，混合电池热管理系统是目前开发的主要趋势，适用于更多工况，特别是对于极端工作环境。同时，将主动与被动的热管理系统结合会有很大的潜在实用效果。但混合电池热管理系统需要在成本和性能之间找到平衡，被动热管理系统适用于低负荷或短暂运行时间的工况，而主动热管理系统则适用于更高负载的工况。常见的混合热管理系统的组合有：PCM加风冷或液冷、热管加风冷或液冷、PCM加热管、TEC(ThermalElectricCooler,TEC)热电冷却加其它基本热管理系统。

通过总结目前锂离子电池的热管理技术，并对比分析不同热管理技术的优缺点，未来热管理系统的发展主要集中在以下几个方面：

1)目前电池热管理系统的主流冷却方式仍然是液体冷却，其技术相对成熟，但重量和传统冷却介质的散热效果差是限制液冷系统发展的主要原因，因此需要研究更高传热效率的冷却介质。另外，在冷却介质发展受到限制的前提下，研究高效率的冷却结构也是未来的发展方向之一。随着新能源汽车不断向高能量密度和高集成度的方向发展，混合电池热管理系统将适用于更多工况，比如以液冷-相变材料、风冷-相变材料、液冷-高频加热等高效一体化的冷却-加热系统将是未来热管理系统的主要发展趋势之一。

2)基于空调系统的直接冷却技术利用压缩蒸汽制冷，并通过工质蒸发吸热带走电池热量，实现电池冷却，高效利用了现有热管理结构，降低了成本和结构复杂度，相比于液冷技术，直冷技术的安全性更高。同时，整车空调系统也是基于直冷技术。因此，将空调系统和电池冷却系统合二为一，即整车集成式热管理系统，也将是未来电池冷却技术最佳的方案之一，也是未来整车热管理系统的发展方向之一。