鋰離子電池熱管理系統綜述

劉小杰，張 英，劉 洋，李 琪*

(1.武漢理工大學安全科學與應急管理學院，湖北 武漢 430070；2.武漢電力職業技術學院電力工程系，湖北 武漢 430074)

鋰離子電池的理想工作溫度為25～40 ℃，電池模組內的最大溫差應低于5 ℃[1]。溫度過高會加快固體電解質相界面(SEI)膜的分解，造成熱失控隱患；而低溫會增加電解液的黏度，影響電池充放電性能，還會加快鋰沉積反應速率，形成鍍鋰層或鋰枝晶。此外，模組溫度梯度過大，會導致單體電池之間放電性能的差異，影響模組的整體放電性能[2]。需要設計一種較好的熱管理系統，以維持電池的溫度及均勻性。

根據是否有額外能源消耗，熱管理技術可分為被動技術和主動技術。根據傳熱介質不同，熱管理技術可進一步細分為風冷、相變材料、液冷和熱管[3-5]。許多學者都對鋰離子電池熱管理技術的研究進展進行了回顧和探討[3-8]，但鮮有文獻從各類技術的特點出發，根據成本、適用范圍和控溫效果等因素，進行多方面的綜合評價，并在此基礎上分析各類技術之間的兼容性，以及結合多種技術形成耦合系統的可行性。

各類技術擁有不同特點，且與不同類型電池間的契合度不同，因此應根據電池模組的實際需求和幾何形狀，設計相應的熱管理系統。此外，隨著電池能量密度的增加，模組熱積蓄問題愈加嚴峻，僅采用一種技術很難同時保證模組溫度及均勻性，結合多種技術的耦合式系統成為研究熱點。有必要在分析各類技術特點及兼容性的基礎上，對各種形式的耦合系統進行深入研究，以促進鋰離子電池的安全發展。

本文作者首先對鋰離子電池的產熱機理進行分析，再總結幾種鋰離子電池熱管理系統，展望今后的研究方向。

1 鋰離子電池產熱機理分析

鋰離子電池工作時產生的熱量可分為4個部分：反應熱、歐姆熱、極化熱和副反應熱[9]。反應熱是電池內部發生電化學反應時，Li+轉移生成的熱量；歐姆熱是電池歐姆內阻產生的熱量；極化熱是電池極化效應產生的熱量，計算時，通常假設為存在一個極化內阻，以產生的熱量等價替代[10]；副反應熱是電池自放電等副反應所產生的熱量，一般很小，可以忽略不計[11]。

目前常用的電池產熱計算方法是D.Bernardi等[12]提出的電池產熱速率模型：

(1)

2 鋰離子電池熱管理系統

熱管理研究中比較常見的技術包括風冷、相變材料、液冷和熱管[3-5]，技術的特征和性能列于表1。

表1 不同熱管理技術的特征和性能

2.1 風冷技術

風冷根據驅動方式可分為自然對流風冷和強制對流風冷。在實際應用時，鋰離子電池以并聯或串聯的形式封裝在電池盒中，自然對流的方式很難及時散熱。K.H.Yu等[13]提出一種交錯式的電池組排列方式，并比較自然對流和強制對流兩種情況下，電池放電過程中的溫度變化。自然對流無法滿足電池散熱需求，而強制風冷可將電池溫度控制在理想范圍內。強制風冷作為一種成熟的主動式冷卻技術，利用風扇來驅動空氣進行循環冷卻，可以在電池低充放電倍率運行時進行降溫，已經投入商業應用，如應用于本田Insight和豐田C-HR電動車。由于空氣導熱系數較低，風冷系統需要搭建通風管道，導致風機能耗高，且噪音較大。

改善風冷系統散熱效果的辦法，按照原理可以分為3種：①優化電池組布局；②提高傳熱介質導熱率，如利用霧化方式形成細液霧，以增大空氣傳熱特性[14]；③優化通風路線。A.A.Pesaran[1]利用Fluent軟件分析了串聯和并聯兩種排風設置對電池冷卻效果的影響。在串聯方案中，電池組兩側最大溫度差達到18 ℃；在并聯方案中降至8 ℃。盡管這些優化方法在一定程度上提高了風冷系統的冷卻效率，但風冷系統依舊無法滿足電池在高放電倍率下的散熱需求[15]。

2.2 相變材料

相變材料利用相變潛熱實現廢熱回收，被廣泛應用于儲能和建筑保溫行業，近年來作為一種無源熱管理技術發展迅速。與有源熱管理技術相比，相變材料無需外部能源驅動，可吸收電池廢熱并在低溫環境下實現電池預熱，研究前景較好。相變材料主要分為3類：有機化合物(石蠟、脂肪酸和月桂酸等)、無機化合物(水合鹽、金屬化合物等)和低共熔混合物[16]。相變材料的選擇條件為：首先，材料的相變溫度范圍應在鋰離子電池的理想工作溫度范圍內；其次，材料應具有高潛熱、相變過程中體積變化小和高循環穩定性，不會出現明顯過冷和相分離的現象；此外，應難燃且無毒[17]。石蠟可滿足以上需求，成為熱門研究材料，但是純石蠟存在一些缺陷，因此基于相變材料的熱管理系統僅處于實驗室研究階段。純石蠟的應用限制有：①導熱系數低，過低的導熱系數(0.10～0.25 W/m·K)導致有效傳熱厚度小；②泄漏，石蠟發生固液相變后存在泄漏風險；③飽和失效，材料全部發生相變后，無法及時恢復至固態，導致熱管理系統失效；④高溫失效，當環境溫度高于相變溫度時，相變材料完全失效。

針對石蠟導熱系數低和泄漏的問題，一些文獻提出向純石蠟中添加膨脹石墨、熱塑性材料作為支撐材料，以避免液態石蠟泄漏，如添加納米銀/銅、碳納米管和碳纖維板等改性材料，提高相變材料的導熱系數[18-22]。還有研究者將金屬翅片和金屬泡沫加入到相變材料中，以期提高石蠟的導熱系數[23-24]。部分復合相變材料的熱物性列于表2。

表2 部分復合相變材料的熱物性

向材料中添加金屬或石墨烯，可提高相變材料的導熱系數，但從微觀角度來看，顆粒無規律分布在相變材料中，提升效果有限，很難突破5 W/(m·K)。隨著固-液相變循環次數的增加，復合材料的結構逐漸不穩定，松散的高導電性材料使電池模塊存在外短路風險。金屬泡沫可提高相變材料的導熱系數，但使電池模塊質量成倍增大。此外，金屬泡沫很難避免材料泄漏。在相變材料內部構建三維導熱網絡結構，可以提高復合相變材料的導熱系數，并利用微觀空隙的毛細作用來吸附液相材料，以防止泄漏和變形[21]。除利用低熔點(30～45 ℃)有機相變材料控制電池溫度外，一些研究嘗試采用高熔點(60 ℃以上)無機相變材料抑制電池組中的熱失控傳播。G.Yana等[27]對電池組進行針刺以施加機械濫用，并使用MgCl2·6H2O、Mg(NO3)2·6H2O和石墨矩陣混合物抑制熱失控傳播，發現無機相變材料能抑制熱失控的傳播。在高溫環境下，相變材料會因提前達到相變溫度而失效，因此，將復合材料與其他熱管理技術耦合的混合系統，逐漸成為研究熱點。Z.Y.Ling等[30]設計了由相變材料、熱管和噴淋系統耦合而成的混合熱管理系統，發現在低溫(-10 ℃)環境下，相變材料能將電池溫度保持在0 ℃超過6 h，從而在一定程度上避免冷啟動，但仍無法完全滿足電池預熱的需求。隨著復合相變材料導熱系數的提高，低溫對電池的影響更明顯。僅利用相變材料廢熱再利用的特點，很難完全解決電池冷啟動的問題，因此，耦合系統還需要進一步研究。

2.3 液冷技術

液冷技術可分為直接接觸式和間接接觸式。直接接觸式是將電池組浸泡在工程冷卻液中，利用工程液體液-氣相變的潛熱吸收電池熱量[28]。將電池組浸泡在冷卻液中，可以提高電池表面的換熱面積，具有較好的溫度均勻性；但冷卻液存在泄漏的風險，工藝要求和成本費用較高。

間接接觸式液冷采用泵送循環系統驅動冷卻液流過電池表面的液冷管或冷板的內部通道，利用強制對流換熱的方式對電池進行散熱或加熱。液冷循環系統所用的冷卻液通常為水、礦物油或水/乙二醇混合物。這些冷卻液主要是利用顯熱來吸收熱量，因此儲能密度偏低，需要較高的泵輸送功率，方能滿足鋰離子電池在高放電倍率下的冷卻需求。T.Amalesh等[31]通過實驗發現，冷板進出口之間溫差較大。J.H.Cao等[32]通過實驗發現，冷板入口處溫度過低會導致電池組溫度均勻性變差。為了更好地改善液冷系統的冷卻效率和溫度均勻性，人們提出了各種改進方法，如：研究冷卻液、優化通道設計、研究液冷技術和耦合其他冷卻技術等。

為了提高液冷系統的冷卻性能且不增大輸送能耗，需要使用高比熱容、低黏度的冷卻液。H.Q.Liu等[33-34]向相變材料中添加碳納米管，增強納米乳液的導熱性，研究乳液對18650型電池的散熱效果，但發現碳納米管會大幅度增加冷卻液的黏度。

許多研究針對液冷系統的結構進行優化，以增強冷卻效果。Y.T.Huo等[26]設計了一種微通道冷板并建立電池模塊的三維熱模型，分析通道數量、流動方向、進口質量流量和環境溫度對放電過程中電池溫升和均勻性的影響。模擬結果顯示，冷板的冷卻性能隨著進口質量流量的增大而上升，但存在流量飽和值，因此液冷系統流量過大時，不但會增加泵送功率消耗，而且提升效果有限。T.Amalesh等[31]設計了不同通道內壁形狀的冷板，并利用Fluent軟件模擬研究內部流體狀態對冷板效果的影響，發現鋸齒形D6和圓形槽通道D7中冷卻液的邊界層更薄，冷卻性能更好。

為應對電池高放電倍率時的產熱問題，需要提高泵輸送功率。這不但會加大輸送能耗，而且無法保障電池表面溫度分布的均勻性。可將其他冷卻技術與液冷技術相耦合，形成耦合式液冷系統，以滿足電池高放電倍率時的散熱需求。A.Mohsen等[35]提出了一種填充式液冷板，并結合三維(3D)模型對冷板的性能進行研究。實驗結果顯示，混合液冷板比同體積的傳統鋁冷板輕36%，在同等冷卻效果下，泵送能耗降低了約30%。耦合系統可以發揮各種技術的優勢，提高系統的輕便性，但有些耦合系統制作技術要求較高，進而提高了系統成本。在研究高效、低成本的耦合系統時，應考慮各技術的特點和相容性。

2.4 熱管

熱管是一種無源傳熱裝置，由管殼、毛細網狀的吸液芯和傳熱工質組成，具有高導熱率和低成本等優點。與傳統的液冷系統相比，熱管不消耗額外能源，結構簡單且成本低。此外，熱管可基于電池表面溫度分布進行針對性降溫，使電池溫度分布更均勻，也能根據電池幾何形狀設計多熱管板狀結構。A.Greco等[36]基于熱回路法和Fluent軟件建立熱管均溫板模型，提出一種適用于方形電池的熱管冷卻系統，并對有效性進行分析。H.Behi等[37]設計了扁平熱管，對8C放電的方形單體LiCoO2鋰離子電池進行冷卻，并使用COMSOL軟件模擬電池組的充放電過程。實驗結果表明：單根熱管可滿足電池29.1%的所需散熱效率。模擬結果顯示，放電結束時，空氣冷卻、液體冷卻和熱管冷卻的電池的最高溫度分別為56.7 ℃、39.7 ℃和38.2 ℃。熱管可實現熱管理系統低能耗化，但也會增大電池組的整體體積，而且無法實現電池預熱。基于熱管高導熱系數的特點，結合相變材料，開發適用于低散熱需求的無能耗熱管理系統，或將熱管與風冷或液冷相耦合以提高有源冷卻技術的冷卻效率等方案，都有一定的研究意義。

3 結論

鋰離子電池工作性能對溫度較敏感，開發熱管理系統是當前的必要之舉。熱管理技術主要分為風冷、液冷、相變材料和熱管等。相變材料和熱管具有無能耗的特點，可以降低熱管理系統的運行成本。相變材料持續性能差，且在高溫環境下會失效，而熱管導熱效果依賴于冷熱兩端的溫差，因此這兩種技術都無法滿足高溫環境或高產熱情況下的散熱需求。風冷和液冷技術需要消耗外部能源驅動風扇或泵循環系統輸送傳熱介質，持續性能強且可控程度高。風冷技術的散熱效果有限，無法滿足高散熱需求；液冷系統散熱效率高，但無法維持電池組的溫度均勻性。在設計熱管理系統時，應根據各技術的優缺點、適用范圍和兼容性，將部分技術耦合為高性能的混合熱管理系統。

今后的研究需要對電動汽車電池的熱行為進行分析，并在系統層面采取更安全的電池設計。對于不同的溫度條件，制定針對性的熱失控預防策略。在低溫環境下，對鋰離子電池施加加熱或保溫措施，以防止析鋰和鋰枝晶現象；在常溫和高溫環境下，需要對電池進行高效冷卻，以降低熱量積蓄，防止熱失控。基于不同的應用需求，選擇合適的熱管理技術，可保證電池熱安全。考慮到電池發生熱失控時外部供能系統的局限性，以及高倍率放電下的劇烈產熱，應該進一步研究無源技術(相變材料、熱管等)和有源技術(液冷系統)的耦合系統。此外，在研究電池熱失控特征溫度和其他特征參數的基礎上，可以建立神經網絡模型或電化學-熱模型，預測電池實際應用中可能出現的熱風險問題，依據電池實際應用需要和模型預測結果，建立合適的熱管理系統，以保障電池的安全運行。隨著電動汽車節能高效性的不斷提高，動力電池熱管理系統中的熱收集、熱回收等問題，也是未來要討論的方向。