电动汽车电池热管理系统发展现状及分析
时间：2023-06-18 20:15:04 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
胡祖贤，王可，干宏程，曾恩
（1.200093 上海市 上海理工大学；
2.330095 江西省 南昌市 江西制造职业技术学院）
据中国汽车工业协会近3 年新能源汽车的月度销量统计（如图1 所示），在推进绿色低碳转型的新时代背景下，电动汽车的产销量逐年攀升。然而在电动汽车快速发展过程中，热失控问题越来越显著，研究电动汽车电池热管理技术对解决这一问题具有积极意义。动力电池内部温度超过正常工作温度会影响其工作性能，而且环境温度对动力电池的正常工作也具有一定的影响。高温天气时，如果动力电池散热不及时，严重时会产生热失控，导致安全事故的发生；
低温天气时，动力电池会发生损耗，减小电池寿命。动力电池热管理系统利用加热或冷却技术对电池组温度进行管理与控制，使电池组工作在正常温度范围内并减小单体电池间温度差。
图1 新能源汽车月度销量Fig.1 Monthly sales of new energy vehicles
磷酸铁锂电池、三元锂电池、钴酸锂电池、燃料电池等几类电池应用比较广泛。比亚迪刀片电池采用磷酸铁锂电池，特斯拉电动汽车主要采用钴酸锂电池，本田和丰田等汽车采用燃料电池。磷酸铁锂电池或三元锂电池在国内应用广泛，因此本文主要就这2 种电池（下文统称为锂离子电池）的热管理系统发展现状进行讨论。以动力电池生热和传热机理为理论基础，分析不同冷却技术和加热技术的电池热管理系统的特点，并介绍发展现状及未来发展方向。
锂离子电池热管理系统冷却技术的实质是通过冷却媒介把电池内部的热量传递到外界环境中，从而降低电池内部温度的热交换过程。根据冷却介质的不同，电池冷却技术可分为空气冷却、液体冷却、相变材料冷却和热管冷却[1]。几种冷却技术的结构特点及优缺点对比如表1 所示。
表1 冷却技术结构特点及优缺点Tab.1 Structural characteristics,advantages and disadvantages of cooling technology
1.1 空气冷却技术
空气冷却也称为风冷，根据有无风扇等外部设备，将空气冷却分为自然风冷和强制风冷，其主要利用电池传热机理中的对流换热原理。按电池排列方式，空气冷却系统结构可分为串行通风和并行通风[2]，两种冷却结构如图2 和图3 所示。空气冷却系统的结构设计简单，成本低，但是其散热效果不明显，动力电池难以维持在正常温度范围内工作。通过改变电池的排列方式、风道、电池间距和风速等设计优化空气冷却系统，可以使电池热管理系统达到更好的散热效果。
图2 串行通风Fig.2 Serial ventilation
图3 并行通风Fig.3 Parallel ventilation
空气冷却技术研究方向主要有：（1）控制风量和风压2 个重要指标改善系统的冷却效果；
（2）改变单体电池的排列方式来合理规划电池包空间及风道。Zhang ZhuQing 等[3]建立非稳态三维热模型来模拟锂离子电池在不同工况下温度变化情况及空冷散热系统的冷却效果。结果表明，电池组温度变化受风量的影响；
眭艳辉[4]等发现平行排列和交错排列的电池组模块利用空气冷却技术，设置风速等参数保持不变。结果表明，初始时由于在进风口空气温度更低，进风口周围电池组温度降低。但随着换热的进行，空气到达出风口时，空气自身的温度升高，根据对流换热原理，空气与电池表面的换热效果变差。为解决平行排列和交错排列式电池组存在的这一问题，提出梯形排列的电池组布置形式如图4；
陈磊涛等[5]通过改变电池组通道宽度和空气进出口处集流板的倾斜角度探究通道内的流速分布，共设计15 种结构方案，采用ANSYS-Fluent 软件分析对比不同结构方案的散热效果，并利用CFD-Fluent 仿真计算，对比得到不同结构方案的温度分布情况和散热效果最好的结构形式。
图4 梯形排列电池组Fig.4 Trapezoidal battery pack
1.2 液体冷却技术
液体冷却和空气冷却都是利用对流换热原理，以冷却液是否接触电池组可分为直接冷却和间接冷却。液体比空气的对流换热系数大，散热效果更好，但结构复杂，密封条件要求高，设计维护成本相对较高。
液体冷却技术中，结构设计主要有流道结构设计、冷却板布置形式设计。为了改进传统冷却板的不足，邹晓辉等[6]设计了几种新型流道结构（如图5 所示），在冷却板上下布置这几种新型流道结构，分别位于冷却板上下的中心线上，流道宽度从入口到出口逐渐增大。
图5 新型流道变结构Fig.5 New channel variable structure
实验研究表明，增加出口流道的宽度能增强散热能力，温度变化较小。并且在流量相同时，新型流道结构比普通流道结构的散热能力好。冷却板中的流道是否对称分布会影响液体冷却的散热效果，对非对称和对称分布的流道进行仿真分析，得到冷却板对称性和电池组温度场的关系。比较最高温度和温度差，表明对称结构下冷却板散热能力更好。冷却板安装位置的对称性也是影响散热效果的因素。实验分析，非对称安装位置比对称安装位置散热效果更好，温度分布更加均匀；
Giuliano 等[7]研究发现，在水冷装置中加入铝换热板，能提高散热效果，并很好地控制电池组的温度；
谢金红[8]利用单因素控制变量法，分别控制冷却板管径、管距、板厚和布置形式等因素，设计电池热管理系统并进行仿真，找到冷板的较优结构。利用Fluent 进行仿真实验。结果表明，合理选择冷却板的板厚、管径、管距等能改善液冷散热系统的散热效果。
1.3 相变材料冷却技术
相变材料冷却是将相变材料作为冷却介质，利用其在相变反应过程中物理状态发生变化吸收（或释放）电池的热量。这种冷却技术温控效果和均温能力较好，但是材料价格昂贵。
相变材料在液态、固态、汽态之间转变时会吸收（或释放）大量的热，温度基本保持不变[9]。相变材料导热和吸热性能显著，当电池组内部某个单体电池温度超过正常工作温度范围时，其热量能够迅速传递，使单体电池间温度基本一致。靳鹏超等[10]对空气冷却和相同结构的填充相变材料的空气冷却系统的冷却性能进行对比，表明填充相变材料的电池组最高温度在安全温度范围内，温度差小于5 ℃。
1.3.1 复合相变材料的研究
相变材料冷却可由单一相变材料或复合相变材料作为冷却介质，区别是复合相变材料是由2 种及以上的相变材料或组合金属基材料制备而成。相变材料的种类和各成分的质量分数会影响热管理系统的散热性能。Temel 等[11]在相变材料中加入3%、5%、7%的石墨烯纳米片（GNP）制备复合相变材料。结果表明，复合相变材料的导热系数随GNP质量分数的增加而增加；
Sari 等[12]分析质量分数对复合相变材料的导热系数影响时，加入不同质量分数膨胀石墨（EG）制备石蜡/EG 复合相变材料。结果表明，导热系数随EG 质量分数的增大而增大；
张江云[13]选择泡沫铜/石蜡和石墨/石蜡2 种复合相变材料进行对比试验，在不同放电倍率和不同工况下测试散热效果。研究结果表明，2 种材料各有优缺点：泡沫铜/石墨具有高导热性和较强的机械物理性，可以弥补石墨/石蜡相变反应时易开裂的缺点；
而石墨/石蜡的物理状态呈胶态，绝缘性能更好。在研究泡沫铜/石蜡的基础上，对比空气、液体、相变材料三种散热方式的散热效果，结果显示相变材料的控温和均温效果较好。
1.3.2 相变材料耦合其他冷却方式
为提高相变材料的散热效果，相关学者设计研究了相变材料耦合其他冷却方式的热管理系统。吕少茵等[14]对相变材料（PCM）耦合空冷、液冷、热管3 种冷却方式进行综述分析。结果表明，PCM耦合其他冷却方式的热管理系统能满足电池的散热需求，散热效果较好。说明混合式相变材料的热管理系统是未来发展研究的方向，通过改变电池间距、电池组结构设计也会影响PCM-BTMS（相变材料热管理系统）的冷却效果；
朱波等[15]发现单一相变冷却的热管理系统不能适应电池极端放电的工况问题，在PCM 热管理系统增加2 根U 形冷却管道，并对热管理系统进行设计。实验结果表明，新改进的热管理系统无论是低温环境下的加热效果还是高温环境下的散热效果都优于传统热管理系统，且不同工况下均比传统热管理系统更加节能，为相变材料冷却和其他冷却方式结合提供了设计思路；
Wu[16]在石蜡/膨胀石墨复合相变材料中增加一种铜网，结果表明以铜网为骨架的新型结构可以提高整个模组的强度和导热性能，使热管理系统具有更好的散热性能。
1.4 热管冷却技术
热管是由蒸发端、绝热端、冷凝端组成的传热元件，具有高度导热性能，一般由管壳、吸液芯、端盖组成[17]。热管技术利用热传导原理把电池组充放电时产生的热量通过传热介质传递到热管，再通过热管的散热技术把热量带走，其导热能力较强。这种技术具有使用寿命长、换热系数大等优点，但是存在系统结构复杂、易泄漏等一系列问题[18-20]。
根据热管冷端冷却方式的不同，热管冷却技术可以分为风冷热管系统和液冷热管系统[21]。丹聃[22]等在热管技术研究中发现，热管冷端风冷散热可以通过改变冷端翅片数目、翅片结构设计、提高风冷流速、增大冷凝段长度来增强热管散热效果。为弥补风冷散热不足，通过液冷-热管耦合可使电池组达到较好的散热效果；
刘彬[23]等搭建基于大平板热管的动力电池热管理散热模型，大平板置于电池组下方，冷端采用风冷散热并设有矩形散热风道。通过改变放电倍率和环境温度仿真，验证模型的正确性，并进一步仿真分析了翅片数目、进口风速、进口风温对电池包散热效果的影响；
田晟等[24]利用正交实验层次分析法对设计的热管-铝板嵌合式散热结构进行数值模拟，分析散热性能受铝板厚度、热管排列间距、热管冷凝段长度和对流换热系数因素的影响程度。实验结果表明，增大对流换热系数和冷凝段长度可以显著提高热管的散热性能。
锂离子动力电池在低温环境下工作时会影响其使用性能，通过电池加热技术可以提升电池的性能。加热技术分为内部加热和外部加热2 种[25]。内部加热法通过内阻发热，结构简单，不需要添加额外的组件。从安全性考虑，外部加热法更加安全，但结构复杂、能耗高、温度分布不均匀。对内部加热法和外部加热法的优缺点分析如表2 所示[26]。
表2 内部加热和外部加热法对比Tab.2 Comparison between internal heating and external heating
2.1 内部加热技术
内部加热法是对通电导体产生的焦耳热对电池加热的方式。具体可分为充电加热法[27]、放电加热法[28]和交流激励加热法[29-30]。Zhang 等[31]基于等效电路建立产热模型，研究一种用正弦交流电对锂离子电池低温内部加热的方法。在不同加热条件下，对18650 电池进行加热实验，结果表明加热速率随电流振幅和频率变化而变化。在电流条件最优时，较短时间内电池温度可上升25 ℃左右，且多次加热电池容量不发生损耗；
Zhu 等[32]以电流频率、振幅和波形三个参数为变量，探究电流参数变化对温度造成的影响。通过建立模型对18650 电池进行不同频率、振幅和波形实验，结果表明低频高阻抗的电流可以使温度显著上升。
2.2 外部加热技术
外部加热法是在动力电池外部添加高温气体/液体、电加热膜、相变材料、热管，利用珀尔帖效应实现热量由外向内传递的加热形式[26]。具体加热方法有：循环高温气体加热[33-34]、循环高温液体加热[35]、内置加热板或加热膜[36-37]、填充相变材料或化学反应产热材料加热[38-39]、珀尔帖效应加热[40]、热管加热[40]。
循环高温气体加热法利用电流加热导体获得热空气，再通过风扇把热空气送入电池内部进行对流换热。Ji 等[29]采用电化学-热耦合模型模拟锂离子电池从零下温度加热的过程。研究过程中提出三种利用电池功率的加热策略，其中一种为外部功率加热策略；
郑林森[41]等研究了超低温锂电池组，预热装置与介质填充的管道连接，加热介质与电池组进行热交换后，通过管道进入预加热装置进行下一轮加热。液体加热过程较空气加热更复杂，管道密封性要求高、设计复杂；
Zou 等[27]设计了热管-液体耦合热管理系统，既可以对电池低温加热又可以高温散热；
朱建功等[26]通过测试不同材料、不同规格动力电池的低温充放电性能和阻抗特性，研究表明低温条件会降低电池的充放电效率和增加电池阻抗。低温交流充电加热策略存在不可逆的过充风险，而利用外部加热法虽然可以避免不可逆过充风险，但加热效率低、增加能耗。因此内部加热法和外部加热法都面临着各种难题。
锂离子电池热管理系统加热和散热技术是控制电池内部温度的2 个重要技术，也是电池热管理研究的重点。电池热管理系统的研究和设计中，不仅要使热管理系统具有较好的控温和均温能力，还要尽量减小电池包的质量，降低能耗。锂离子电池热管理技术的发展状况和未来发展方向总结如下：
（1）空气冷却技术通过控制风量和风压、改变电池组排列方式和风道宽度等方式来改善风冷系统的散热效果。但是一些电动汽车的风冷散热系统不能满足汽车在多种工况下的散热要求，可以利用风冷散热结构设计简单的优点，耦合其他冷却方式以提高热管理系统的散热能力；
（2）虽然液体冷却比空气冷却的散热效果好，但是液体冷却对结构的密封性能要求高、制造成本高。改变冷却板材料、冷却板位置、冷却液选择、管道形状、管道布置形式等都能提高液冷热管理系统的性能。热管和液冷耦合的热管理系统在未来具有巨大的发展潜力；
（3）相比单一相变材料，采用复合相变材料的电池热管理系统的散热性能更好。为增强相变材料散热系统的散热能力，相变材料可以耦合其他冷却方式，以提高热管理的控温和均温能力。对相变材料热管理系统研究较多的是相变材料的选择研究，但是相变材料的成本较高，所以相变材料和其他冷却方式耦合的研究更具长远意义；
（4）动力电池热管理系统采用热管技术时，由于单个热管换热面积较小，要达到理想的散热效果需要使用较多的热管，但目前研究的热管材料成本高，因此可以研究热管耦合其他冷却方式或材料来提高散热效果；
（5）相比外部加热技术，内部加热技术结构简单，加热速度快，温度均匀性好，但内部加热的控制机理较复杂和安全性较低限制了其在电池低温加热中的应用。外部加热技术已应用于实际中，但加热效率较低，增加电池的能耗，使电池寿命进一步衰减。为解决内部加热和外部加热技术面临的难题：其一，针对内部加热技术，可通过深入研究电流控制策略来提高电池加热速率和安全性；
其二，针对外部加热技术，可加强相变材料与其他冷却方式（集冷却和加热于一体）的耦合研究。
