電動汽車鋰電池冷卻方式綜述

吳博

（重慶交通大學 機電與車輛工程學院，重慶，400074）

主題詞：電動汽車 鋰電池 冷卻方式

1 前言

隨著傳統能源的日漸枯竭，空氣污染問題日益嚴重，新能源汽車行業受到各汽車廠商的關注和政府的大力扶持。而眾多新能源汽車中，電動汽車的技術相對成熟。電動汽車相對于傳統燃油車輛，杜絕了尾氣的排放。另外，隨著國家對電動汽車領域科研資金的投入加大，電動汽車的安全性能和傳統汽車的差距越來越小，逐漸得到了廣大人民的認可，在中國汽車市場的占比也越來越大。

同時由于電動汽車在行駛過程中，電池會產生大量的熱。如果不能快速有效地對電池進行散熱、均衡單體電池內部的溫差，就會造成熱堆積，嚴重的還會導致爆炸，所以明確動力電池的發熱和傳熱行為以及對電池熱管理進行研究設計，對整車安全以及電池熱管理的實施意義重大。

2 鋰電池生熱機理分析

鋰電池產熱機理主要是指電池內部進行的各種電化學反應而引起的熱行為和鋰離子在各組成結構材料內嵌入、脫嵌以及轉移時受到的物理阻力而產生的歐姆內阻熱。通過相關文獻發現，鋰電池產生的熱主要由4 部分組成[4-5]：反應熱(Qr)、極化熱(Qp)、焦耳熱(Qj)和副反應熱(Qs)。所以電池發熱的總熱量為

3 鋰電池散熱方式分析

根據熱力學第二定律可知，熱量不能自發地從低溫物體轉移到高溫物體。熱量的傳遞主要有3 種方式：熱傳導、熱對流和熱輻射。

熱傳導實質是由物質中大量的分子熱運動互相撞擊，而使能量從物體的高溫部分傳至低溫部分，或由高溫物體傳給低溫物體的過程[6]。

熱對流是指靠氣體或液體的流動來傳熱的方式。液體或氣體中較熱部分和較冷部分之間通過循環流動使溫度趨于均勻的過程。

熱輻射是指物體因自身的溫度而具有向外以電磁波的形式發射能量的能力。與其他2種傳遞方式不同的是它能不依靠媒質把熱量直接從一個系統傳給另一系統。

4 電池冷卻的方式

電池冷卻技術已成為各個電池生產廠商、汽車生產廠商、各研發和科研單位爭相投入的熱點技術。目前，鋰電池散熱形式主要采用風冷、液冷、相變材料冷卻、熱管冷卻和多種方式組合冷卻。

4.1 風冷

風冷系統結構簡單，重量輕，所以廣泛地應用于電池的熱管理系統[7-8]。目前國內汽車廠商廣泛采用風冷式散熱，風冷是以低溫空氣為介質，利用空氣和電池模組間的熱對流，降低電池溫度的一種散熱方式。該散熱方式雖然散熱效率較液冷散熱差，但結構相對簡單、維護方便、研發成本較低，廣泛應用于市場上的新能源車型。如日產聆風（Nissan Leaf）、起亞Soul EV 等，目前的城市大巴中也被廣泛應用。風冷按照通風方式可分為串行式風冷散熱和并行式風冷散熱[9]，其結構如圖1所示。

圖1 2種通風方式[9]

Park 等人[10]采用強制空氣冷卻對矩形電池進行降溫，最優的冷卻工況能夠保證電池的正常工作溫度，但卻消耗額外的能量。Na等人[11]在電池箱內加隔板，在2 邊通過反復式進風，如圖2 所示。電池組的最高溫度能降低0.5°C，同時電池之間的溫差能降低0.6 °C（55.5%）。強制的空氣冷卻效率受到空氣低熱導率的影響[12]，其限制了冷卻系統的性能。此外，空氣在出口和入口之間的溫度差會導致電池組內溫度分布的不均勻。綜上風冷系統的成本低，但冷卻效率不高，不適合高功率的動力電池和電子元器件。

圖2 往復式通風[11]

4.2 液體冷卻

與空氣冷卻技術相比，液體冷卻系統更加復雜，可以通過在電池之間插入微通道冷板或將電池浸沒在電介質流體中，從而提供更高的冷卻能力[13]。關于微通道冷板這個概念最早在1981 年被Tuckerman 和Paise[14]提出，傳統的液冷板結構，如圖3 所示。Huo[15]通過優化通道數，冷卻液的入口溫度、流向，使動力電池溫度分布更加均勻。針對EV（電動汽車）的動力電池的熱管理，Jin[16]設計了一種新的帶有陣列翅片的二維液體冷板模型，并對翅片的角度和寬度進行了優化，以獲得更好的傳熱性能，如圖4所示。

圖3 傳統液冷板三維模型[15]

圖4 二維液冷板模型[16]

Beng[17]，Li[18]等人提出了一種新穎的腔與肋結合的設計方案，它能引起微通道內部冷卻液的混合和流動中斷，從而提高傳熱效率。另外腔體的形成增加了流動面積，從而減小了微通道的壓降，即減小了泵的功率損失。Pan 等人[19]研制了一種扇形空腔微通道換熱器，并與傳統的矩形直管微通道換熱器進行了對比實驗研究。結果表明，采用扇形空腔的微通道換熱器性能優于不采用扇形空腔的微通道換熱器，且壓降較小。研究還表明，扇形空腔的偏離度、重合度和分布對傳熱性能有重要影響。也有如Abubakar[20]的相關學者從流體種類的角度進行了相關研究，提出了使用納米流作為冷卻劑來吸收熱量，并將熱流從熱表面擴散走。由于固體納米顆粒的導熱系數要高于流體和流體中的納米顆粒的存在增加了流體的傳熱系數，所以提高了冷卻效率。然而人們發現納米流體在高溫時能帶走大量熱量的同時，也容易聚集和沉積。又有Hung等人[21]提出了一種Al2O3/Water冷卻液在槽道散熱器中的使用,發現比純水的傳熱效率提高了21.6%。同時，Azizi 等人[22]在實驗中準備了水力直徑為0.56 mm 的喉式微通道，以不同濃度Cu-Water 的納米流體作為35 kW/m2和50 kW/m2熱流密度工況的冷卻劑。他們發現當流體的納米濃度為0.3%，其傳熱效率能增加23%。另一方面，也有一部分學者從二次流動的角度切入，大多通過在微通道內引入翅片。Shi等人[23]利用梯形狀翅片形成了2 次通道,并與傳統通道相比，在設定的冷卻液的質量流量范圍內，優化后的熱阻和配置泵的功率可以最大限度地降低28.7%和22.9%。Lin[24]提出了一種多孔翅片波狀微型通道散熱器，通過沿流動方向改變波長和振幅來進行優化，解釋了傳熱的增強是由于彎壁引起的通道截面渦的形成，從而促進了冷卻劑的混合，提高了冷卻劑與通道壁之間的對流換熱效率。Chai 等人[25]設計了5 種不同肋型和4 種沿流向的、不同長度肋型的微通道散熱器，并分析了在間斷室中的熱工水力性能。研究結果表明：相比直通道，帶間斷肋的微通道散熱器的總熱阻降低了4～31%，總熵產率降低了4～26%。而Zhai 等人[26]設計了雙層通道,每層具有不同的通道幾何結構,研究了平行流、逆流對不同通道結構換熱特性的影響,并從熱力學的角度解釋了傳熱的實質。總之，液體冷卻效率高，同時可以結合液體種類進行優化，是主流的冷卻方式。

4.3 相變材料冷卻

相變材料（PCM）是一類特殊的功能性材料，能在恒溫或近似恒溫的情況下發生相變，同時伴隨有較大熱量吸收或釋放。PCM 最初是用來作為儲存熱量的介質，主要的目的是平衡熱能的供需差異，PCM 應用的基礎有2個。

（1）PCM 相變過程的等溫性，這種特性有利于將溫度變化控制在較小的范圍內，可以用來控制溫度；

（2）PCM 有很高的相變潛熱，少量的材料可以儲存大量的熱量，在系統中的應用可以顯著減輕重量。

所以也有相關學者把它應用在電池熱管理領域。如Samimi 和Li[27-28]指出相變材料目前被認為是在BT?MS 應用的一種流行的冷卻方法，因為它可以在固液相變轉換中吸收大量的熱量,其在電池的應用如圖5所示。然而，相變前的低熱導率阻礙了電池的散熱，這可能會限制其作為BTMS 冷卻策略的應用[29]。總之，相變材料因其相變傳熱的遲緩性，會限制其在某些場合的應用。

圖5 相變材料冷卻[28]

4.4 熱管冷卻

近幾年，熱管冷卻在電動汽車BTMS 中的應用也越來越廣泛。熱管具有高效散熱的特點。從結構上，熱管可以分為蒸發段、絕熱段和凝結段。熱管可以在不使用活動部件的情況下，以比類似尺寸的固體金屬棒高出一個數量級的速度傳遞熱量[30-31]。Rao 等人[32]研究了振蕩熱管（OHP）的BTMS，并得出結論：電池最高溫度可控制在當發熱量小于50 W 時，低于50 °C。Thanh-Ha Tran[33]采用平板熱管作為一種有效的低能降溫裝置,研究了為混合動力汽車設計的蓄電池模塊，比較了平板熱管冷卻系統與常規熱管冷卻系統的熱性能，結果表明熱管在自然對流和低風速冷卻的條件下，比普通散熱器的熱阻要低20%,其熱管結構如圖6所示。綜上,熱管冷卻方式,其效率高,但結構復雜,制造成本較高。

圖6 熱管結構[33]

4.5 多種方式結合冷卻

針對多種冷卻方式結合的情況，部分學者認為組合式散熱效果更佳。Wu[34]介紹了一種基于熱管輔助相變材料的電池熱管理系統(BTMS)旨在實現電動汽車和混合動力汽車的綜合能源利用電動汽車。得出BTMS 中熱管輔助相變材料的方法是可行和有效的，能夠使動力電池的工作溫度維持在合理的范圍內。An[35]研究了不同放電速率下純相變材料和液冷系統中電池模塊的最高溫度分布，如圖7 所示。通過改變液體流速、通道布局、PCM、乙二醇質量分數和充放電倍率，分析電池模塊溫度。Song[36]提出了一種利用相變材料和液冷技術的新型共軛冷卻結構，并對電池模塊的熱性能進行了研究。106個圓柱電池通過散熱板和相鄰的熱柱連接到底部的冷板，在間隙之間填充相變材料，形成的冷卻系統。

圖7 液冷和相變材料耦合冷卻[35]

5 總結

不同的電池冷卻方式都存在優缺點。風冷方式，結構簡單，成本低，耗能較小，但對電池包溫度均勻性的控制差；液冷方式，結構相對較復雜，成本較高，導熱率高，單體鋰電池之間的溫度差較小，同時耗能較高；風冷和液冷這2種冷卻方式均屬于被動冷卻，都要消耗額外的能量；相變材料和熱管冷卻靠著本身的熱循環系統，不需要消耗額外能量，屬于主動冷卻方式。相變材料冷卻可以在固-液相變轉換中吸收大量的熱量，其效果好，但相變前的低熱導率阻礙了鋰電池的及時散熱，另外易泄露。這些問題目前還沒有得到有效的解決。至于熱管冷卻，其優點是熱傳導率較高，本身的熱阻較低，具有較好的等溫性，但結構復雜，從而導致整個的冷卻系統較復雜，成本高。

綜上所述，多種方式耦合冷卻能夠解決單一冷卻方式所存在的問題，同時能夠提升BTMS的效果，這也是未來電動汽車鋰電池熱管理的趨勢。