李龍，李科群，王學(xué)章

（200093 上海市 上海理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院）

0 引言

嚴(yán)重的環(huán)境污染和化石燃料的枯竭，使得發(fā)展新能源汽車成為重要策略之一[1-2]。新能源汽車的能源和環(huán)境效益越來越顯著，體現(xiàn)在節(jié)能、污染小等方面[3]。傳統(tǒng)燃料汽車大都以汽油、柴油為燃料，行駛中的排放給環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染；新能源汽車以高能蓄電池的電能為動力，行駛中基本沒有排放污染。因此，新能源汽車將逐漸取代傳統(tǒng)燃油汽車[4]。鋰離子電池具有容量大、壽命長、能量密度高、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，是新能源電動汽車最先進(jìn)的電能存儲和轉(zhuǎn)換技術(shù)之一[5]。但鋰離子電池的缺點(diǎn)也較為明顯，在低溫環(huán)境下，鋰離子電池的容量變小，高溫環(huán)境下會導(dǎo)致鋰離子電池的熱量聚集，影響其安全運(yùn)行[6]，嚴(yán)重時甚至?xí)?dǎo)致設(shè)備燃燒爆炸[7-9]，因此電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)（BTMS）對電池保持在最佳溫度范圍（20～45℃）[10]，并將溫差控制在5℃以下是必要的[11-12]。

目前電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)成熟的冷卻方式有空冷[13]、液冷[14]、相變冷卻[15]和熱管冷卻[16]，無論是單一散熱方式還是耦合的多種散熱方式都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。為了進(jìn)一步提高鋰離子電池散熱效率及經(jīng)濟(jì)性，給研究人員提供更多參考，本文整理有關(guān)文獻(xiàn)，對鋰電池散熱方式進(jìn)行了分析介紹。

1 產(chǎn)熱機(jī)理

鋰離子電池有2 種熱源，即可逆熱源和不可逆熱源[17]。當(dāng)鋰離子插入電極中的活性材料時，電化學(xué)反應(yīng)的熵會隨鋰離子濃度的變化而變化?？赡鏌崤c電池的熵有關(guān)，熵的變化取決于活性材料自身的離子運(yùn)動過程。可逆熱既可以是吸熱效應(yīng)，也可以是放熱效應(yīng)；不可逆熱與電池的內(nèi)阻有關(guān)，總是放熱的[18]。

電池單體的能量方程為

式中：ρb——電池的密度，kg/m3；Cpb——電池的比熱容，J/(kg·K)；T——電池的溫度，K；t——時間，s；k——電池的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；r ——電池的半徑，m；φ——電池的圓周角，rad；z ——電池的長度，m；Qg——電池內(nèi)部單位體積的熱生成率，W/m3。

電池的熱產(chǎn)生或熱損失主要是由可逆熱（Qrev）和不可逆熱（Qirr）組成，公式如式（2）[19]：

總產(chǎn)熱速率計(jì)算如式（3）[20]：

式中：I——工作電流，mA；E——電池在充放電過程中的實(shí)際工作電壓，V；Eoc——平衡狀態(tài)下電池的開路電壓，V；T——電池的溫度，K。

產(chǎn)熱速率也可以表示為：

式中：I——工作電流，mA；Rf——電池?zé)嶙?，Ω；T——電池的溫度，K。F——法拉第常數(shù)，96 485 C/mol；ΔS——化學(xué)反應(yīng)焓變，kJ/mol。

2 單一冷卻方式概述

2.1 空冷

空氣冷卻主要是以空氣為介質(zhì)進(jìn)行熱交換，通過空氣的流通對發(fā)熱的鋰電池組進(jìn)行降溫處理，因其成本低、結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于早期電池?zé)峁芾碓O(shè)計(jì)中[21]?？绽淇煞譃樽匀粚α骼鋮s和強(qiáng)制對流冷卻。自然對流冷卻是指利用空氣的自然流動來達(dá)到散熱的目的；強(qiáng)制對流冷卻是指利用風(fēng)扇或?qū)ｉT設(shè)計(jì)的風(fēng)管在特定空間內(nèi)形成相應(yīng)的氣流，以達(dá)到散熱的目的[22]。兩者的區(qū)別就是空氣流動的速度即風(fēng)速不同，而在設(shè)計(jì)中也常采用對比不同風(fēng)速比較散熱效果的方法。不同的風(fēng)口設(shè)計(jì)將會導(dǎo)致速度場和溫度場的分布不同。為探究其中的規(guī)律，YI Yang[23]等人研究了不同出風(fēng)口模式的熱流場。結(jié)果表明，隨著速度場和溫度梯度場協(xié)同度的提高，風(fēng)冷電池包的散熱性能會有所提高；SHAHABEDDIN K[24]等人進(jìn)行了鋰離子電池組件強(qiáng)制對流空氣冷卻實(shí)驗(yàn)。研究發(fā)現(xiàn)，通過增加進(jìn)風(fēng)速度或減小電池間的距離，可以使電池模塊的溫升較??；XU X M[25]等人研究了不同風(fēng)道模式下的散熱性能。研究發(fā)現(xiàn)，縱向電池組相比于水平電池組，散熱性能因?yàn)闅饬髀窂降目s短而提高。由于增加底部風(fēng)道，可以增加接觸導(dǎo)熱面積，以及自然對流會發(fā)生在電池包頂部區(qū)域，因此底部風(fēng)道方式的散熱性能更優(yōu)越。對于底部風(fēng)道模式的電池包，采用雙“U”型風(fēng)道比雙“1”型風(fēng)道散熱性能有所提高。以上是從散熱結(jié)構(gòu)或氣流速度方面進(jìn)行研究，尋找最佳散熱效果的方法。

除了對散熱機(jī)組本身進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)整，還可以添加輔助散熱裝置增強(qiáng)散熱效果，翅片是一種不錯的選擇。WEI Tonga[26]等人研究了移動鋰離子電池旁邊的一種特殊的鋁銷鰭翅片散熱器，通過其高度的增加、氣流通道的寬度方向的改變研究鋰離子電池組熱管理。

風(fēng)冷在電池的熱管理系統(tǒng)中是最簡單的冷卻方式，在流道、風(fēng)速、進(jìn)出口數(shù)量和位置以及流型等方面已廣泛討論。但因空氣的比熱容較低，故空氣冷卻難以處理大量熱量，其應(yīng)用具有一定的局限性。

2.2 液冷

液體冷卻是指電池模塊可以用液體冷卻介質(zhì)如水、礦物油、乙二醇、電介質(zhì)等進(jìn)行冷卻[27]。由于液體冷卻具有較高的換熱系數(shù)，與空氣冷卻系統(tǒng)或PCM 冷卻系統(tǒng)相比，液體冷卻系統(tǒng)可提供更好的熱交換能力。

由于液冷中冷卻介質(zhì)的密度比空氣大得多，所以液冷散熱結(jié)構(gòu)的質(zhì)量遠(yuǎn)高于風(fēng)冷結(jié)構(gòu)。為解決這一問題，LEI Sheng[28]等人研究了以輕型液體冷卻技術(shù)進(jìn)行熱管理，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了輕型液體冷卻設(shè)計(jì)與常規(guī)熱設(shè)計(jì)的冷卻效果相似，最重要的是，前者比后者降低57%的冷卻板質(zhì)量。同時實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，增大流體流量和通道寬度可以提高冷卻板的性能。除了對流體的研究，多數(shù)學(xué)者從液冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)入手。LEI Sheng[29]等人研制了一種蜂窩型液冷夾套，通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M和蜂窩夾套的優(yōu)化設(shè)計(jì)的無量綱分析，發(fā)現(xiàn)交錯流動方向可以獲得較低的溫度標(biāo)準(zhǔn)差和更均勻的熱分布，且其研制的單體冷卻夾套對21700圓柱形單體的熱態(tài)有較好的控制效果。與風(fēng)冷相同的是，結(jié)構(gòu)的差異會導(dǎo)致散熱效果不同，液冷通道數(shù)也會對散熱效果產(chǎn)生影響；YUZHANG Dinga[30]等人研究了電池在不同放電速率和散熱條件下的瞬態(tài)熱行為和溫度分布特性。研究發(fā)現(xiàn)，通道數(shù)對鋰離子電池組的最高溫度和溫差有明顯影響，但這種影響有限。增大矩形通道的長徑比可以降低鋰離子電池組的最高溫度和溫差。通過多組實(shí)驗(yàn)研究對比，得出了采用C 型液冷系統(tǒng)，在通道入口布置中采用交變布置，可以獲得最平衡的溫度分布。

在進(jìn)行液冷冷卻實(shí)驗(yàn)與研究時，往往會考慮其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過改變流道數(shù)目、進(jìn)出口方向以及設(shè)置折流板等，改善散熱。液冷相比于風(fēng)冷，有著優(yōu)良的散熱效果，但是其結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，還要密封，否則就會產(chǎn)生漏液的問題。

2.3 相變材料（PCM）冷卻

相變材料根據(jù)材料組成可以分為無機(jī)相變材料、有機(jī)相變材料、復(fù)合相變材料等。其中無機(jī)相變材料主要有石墨、熔融鹽、結(jié)晶水等，其優(yōu)點(diǎn)是高相變焓、高熱導(dǎo)率，但是過冷度也較高，而且熱穩(wěn)定性差；有機(jī)相變材料，例如石蠟、醋酸等，具有無腐蝕性、過冷度低、化學(xué)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)；復(fù)合相變材料是將有機(jī)材料和無機(jī)材料復(fù)合在一起使用，各取所長。相比之下，復(fù)合相變材料對鋰電池的熱管理有更好的效果。

復(fù)合相變材料的研究很早就已經(jīng)成熟了，LUO Mingyun[31]等人研究了一種導(dǎo)電石蠟/膨脹石墨復(fù)合相變材料（cPCM）用于惡劣環(huán)境下鋰離子電池的熱管理。該cPCM 集加熱和冷卻于一體，利用焦耳熱效應(yīng)對電池進(jìn)行預(yù)熱，利用蓄熱器對電池進(jìn)行冷卻，可用于-40～50℃極端條件下，且提供20～50℃舒適的環(huán)境；LV Youfu[32]等人研究了相變材料冷卻200 次電池模塊的熱電化學(xué)性能，結(jié)果表明，耦合相變材料冷卻后，模塊的溫度和溫度梯度可以得到很大程度的降低。由于相變材料（PCM）的低導(dǎo)熱系數(shù)極大地阻礙了基于相變材料的熱管理系統(tǒng)（BTMSs）的發(fā)展，LIN Chunjing[33]等人采用膨脹石墨基體和石墨片補(bǔ)償PCM 的低導(dǎo)熱系數(shù)，提高了電池的溫度均勻性。翅片散熱效果的強(qiáng)化，不僅用于風(fēng)冷、液冷，相變材料也可以用翅片增強(qiáng)散熱冷卻效果；FAN Ruijin[34]等人提出了一種用于鋰離子電池組件熱控制的金屬翅片強(qiáng)化PCM系統(tǒng)，金屬翅片增加了換熱面積且使導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)更加均勻。研究表明，在環(huán)境溫度為20℃、30℃和40℃時，與PCM 系統(tǒng)相比，翅片強(qiáng)化PCM 系統(tǒng)的工作時間分別增加了1.48、1.49 和1.81 倍，表明翅片強(qiáng)化PCM 系統(tǒng)優(yōu)于PCM 系統(tǒng)。

通過以上介紹可以發(fā)現(xiàn)，單一PCM 的使用在電池?zé)峁芾碇胁⒉荒軡M足散熱要求，為鋰電池工作提供安全且高效的環(huán)境，PCM 大都會與多孔、高導(dǎo)電材料[35]復(fù)合使用，以增強(qiáng)電池的熱擴(kuò)散[36-37]。

2.4 熱管冷卻

熱管冷卻是充分利用了熱傳導(dǎo)原理與制冷介質(zhì)的快速熱傳遞性質(zhì)，透過熱管將鋰電池的熱量迅速傳遞到冷端。熱管具有更高的安全性，而且相比于風(fēng)冷、液冷、相變材料冷卻，熱管冷卻有著高效的散熱效率和散熱速度。

為了研究對比熱管的散熱冷卻效果，ZHANG Zhuqian[38]等人設(shè)計(jì)了一套包含扁平熱管的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，建立了模型實(shí)驗(yàn)，并與空氣自然對流和鋁板冷卻兩種冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，采用平板熱管可以有效地降低最高溫度和溫差，且能耗最低；CHI Riguang[39]等人提出了一種長蒸發(fā)段、短冷凝段、八圈的鋰離子電池OHP 冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并且熱管冷凝器段的底端外表面與冷卻板系統(tǒng)的頂表面直接接觸。通過對各參數(shù)的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)工質(zhì)的填充速率決定了熱管系統(tǒng)的傳熱性能，即加熱速率越大，最佳VF 越大。熱管技術(shù)不僅用于電池放電過程中的散熱冷卻，對充電中鋰電池的散熱冷卻也有突出表現(xiàn)，KLEINERA J[40]等人研究了一種基于熱管輔助冷卻的單電池級熱管理新概念，將一個25 A·h 的鋰離子電池擴(kuò)展為2 個彎曲的熱管原型，用于額外的終端冷卻。實(shí)驗(yàn)研究表明，該系統(tǒng)對于快速充電的鋰電池散熱有明顯幫助，可以顯著降低并聯(lián)串中不同單元位置母線對熱均勻性的影響，降低模塊內(nèi)每個單元的整體溫度。

國內(nèi)雖然對熱管冷卻已經(jīng)有諸多研究，但因成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維修困難、性價比較低等原因，熱管的研發(fā)在國內(nèi)尚未成熟，沒有得到廣泛應(yīng)用。

3 復(fù)合散熱冷卻方式概述

單一的散熱冷卻方式往往不能滿足電池組的散熱需求，復(fù)合散熱冷卻時將單一的冷卻方式設(shè)計(jì)耦合使用，將多種單一散熱冷卻的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，有著比單一散熱冷卻方式更好的散熱冷卻效果和均溫相性。

復(fù)合散熱冷卻有熱管-風(fēng)冷、熱管-液冷、熱管-pcm、pcm-液冷等方式的耦合。LEI Shurong[41]等人設(shè)計(jì)了燒結(jié)銅粉熱管結(jié)合冷凝段噴水的方法解決這一問題。將燒結(jié)銅粉熱管夾在電池之間，在正常熱條件下通過空氣對流的方式來消除電池?zé)崃浚?dāng)室溫超過40℃時，電池運(yùn)行惡化，此時通過水噴霧功能，液滴蒸發(fā)快速散熱。與其他基于熱管的BTM 相比有著更好的冷卻效果，同時保護(hù)了鋰離子電池在惡劣的熱環(huán)境下大電流放電。ZHANG Wencan[42]等人采用混合相變材料和液體冷卻技術(shù)，結(jié)合PCM 和液體熱管理方案的優(yōu)點(diǎn)，充分滿足極端工況下的散熱需求。該系統(tǒng)還具有良好的散熱能力，可通過優(yōu)化PCM 的導(dǎo)熱系數(shù)和水流速度等參數(shù)避免系統(tǒng)的熱失控。

有些散熱思路源于生活事物，YANG Wen[43]等人設(shè)計(jì)了集六邊形冷卻板、仿生液體微通道和相變材料于一體的新型蜂窩電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，采用正交實(shí)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化，與傳統(tǒng)的散熱空冷相比，優(yōu)化的熱特性有了明顯的提高；AAMER[44]等人將相變材料、泡沫銅和重力輔助熱管進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。將熱管和泡沫銅集成到相變材料中，通過延緩相變材料的相變，有效地降低了基溫，從而使相變材料以較小的溫升儲存更多的熱量，冷卻程度也可以調(diào)控。HEKMAT[45]等人以冷卻管道作為主動部分，以PCM 作為被動部分，對比了7 種不同的冷卻方式進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)表明，空氣自然冷卻需要較長的時間，增加孔道數(shù)的冷卻管和與PCM 結(jié)合的冷卻效果最佳，且發(fā)現(xiàn)PCM 在電池模塊中有均勻溫度分布的有效作用。

復(fù)合散熱冷卻的方式較多，且有著更為優(yōu)越的散熱性能，對鋰電池的熱管理系統(tǒng)有著更為突出的效果，同時也有著更好的發(fā)展前景。

4 結(jié)語

不同散熱冷卻方式有各自的優(yōu)缺點(diǎn)?？绽浞绞诫m然具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但散熱冷卻效果不理想限制了空冷系統(tǒng)的發(fā)展，可將空冷與熱管冷卻這種高效散熱冷卻方式相結(jié)合，或者采用PCM 與空冷相結(jié)合的方法，這種耦合的散熱冷卻方式結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計(jì)也不太過于復(fù)雜。

空冷和液冷很難結(jié)合，因?yàn)橐豪湫枰粋€相對密封的工作環(huán)境以防止漏液，而空冷則需要空氣流通，二者的工作條件使得它們很難結(jié)合到一起。液冷設(shè)計(jì)大多從散熱冷卻結(jié)構(gòu)入手，改變其流速、流道數(shù)等。液冷與PCM 的結(jié)合較為常見，因?yàn)镻CM能有效均勻溫度分布，且可以儲存熱量，而液冷的換熱效果較好，可以在相變材料未達(dá)到極限之前將熱量帶走，從而避免熱失控的發(fā)生。PCM 首先要研究材料成分，不同的材料和配比制成的PCM 有著不一樣的散熱冷卻效果。目前，PCM 散熱冷卻在國內(nèi)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。熱管冷卻很少單獨(dú)使用，高效的換熱效果使熱管多出現(xiàn)于復(fù)合散熱冷卻方式中，成本過高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不易維修等缺點(diǎn)使它很少出現(xiàn)在大眾視野。

在諸多散熱方式中，復(fù)合散熱冷卻的熱管理性能是較好的，解決了單一散熱冷卻方式存在的缺點(diǎn)。在未來的研究中，可以嘗試將4 種單一散熱方式相結(jié)合，雖然這種散熱冷卻設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本過高，且不易維修，但是散熱冷卻效果卓越，可以多種擋位工作，在以后的設(shè)計(jì)中可簡化結(jié)構(gòu)進(jìn)而降低成本，復(fù)合散熱冷卻方式是未來電動汽車鋰電池?zé)峁芾淼拇笾纶厔荨?/p>