車用鋰離子電池散熱技術綜述

劉念 張世義

（重慶交通大學航運與船舶工程學院,重慶 400074）

主題詞：鋰離子電池 液體冷卻 熱管理 空氣冷卻 相變冷卻

1 前言

目前全球污染日劇加重，傳統燃油車尾氣排放加劇了空氣污染、增加了全球溫室氣體排放，節能減排已經成為國際社會關注的重點問題。新能源汽車因電能高效、清潔無污染，使其在汽車市場中占據較高份額。鋰離子電池作為純電動汽車的主要動力源，因其比能量高且壽命長而被廣泛運用。

鋰離子在工作放電的過程中會產生大量的熱量，而這些熱量會嚴重影響鋰離子電池的工作性能和壽命。鋰電池的工作溫度為0～50℃，最佳工作溫度在20～40℃，超過50℃電池組熱量聚集，將直接影響電池壽命，而當電池溫度超過80℃后可能就會引發電池組爆炸[1-3]。

本文圍繞電池的熱管理問題，綜合國內外多種散熱方法和技術，對鋰離子電池在工作狀態時冷卻散熱技術進行綜述。主要圍繞空冷、液冷、相變冷卻梳理當前電池冷卻技術進展，當前技術發展難點，并提出電池熱管理未來研究課題。

2 散熱方法

2.1 空氣冷卻

空氣冷卻是保持電池在工作環境內，通過空氣進行換熱，主要包括強制風冷和自然風方式。風冷的優點在于成本低、適應性廣、安全性高，但對于鋰離子電池組而言，風冷的換熱效率低，而且容易形成電池組的溫度分布不均勻，即均溫性差。風冷由于比熱容低，具有一定局限性，因此需要搭載其它冷卻方式同時進行[4-6]。空冷的冷卻效果主要與電池的排列方式和空氣流道與電池接觸面積有關。Chen等[7]提出了一種并聯風冷式電池熱管理系統結構，通過改變并聯風冷系統中電池組的電池間距分布，提高系統的冷卻效率。結果表明，間距優化后，電池組的冷卻效率比原間距最高溫度降低了4℃，不同進氣流速下電池最大溫差降低了69%以上。張攀光等[8]構建了一種電池組相變系統，對比均勻排布與非均勻排布對電池性能的影響。電池與相變材料結構如圖1所示，研究人員共設計了25個電池組順序排布，電池單體間填充相變材料，密度為880 kg/m3，電池比熱容為2 000 J/(kg·K)，電池導熱系數為0.2 W/(m·K)。研究結果表明，隨著電池間距變大，系統溫度先降低后升高，當間距為10 mm電池溫度最優。Xie等[9]設計了一種強制風冷鋰離子結構，通過研究進風角、出風角和流道寬度對散熱效果的影響。氣流通道結構如圖2所示，整個結構里共有10個電池組和11個氣流通道。氣流由Air in進入，從Air out流出，A為進氣區末端高度，B為出氣歧管高度。通過改變A和B值最后得出在2.5°進氣角和2.5°出氣角，最高溫度和溫度差異分別下降低了12.82%和29.72%。

圖1 電池與相變材料結構示意[8]

圖2 氣流通道結構示意[9]

2.2 液體冷卻

2.2.1 流道數量及流速對散熱效果影響

液體冷卻因散熱性能好，能夠保持電池具有良好的均溫性而被廣泛應用于汽車電池散熱中。與空氣冷卻相比，液體冷卻的傳熱性能更好，液體冷卻通過冷卻介質在電池周圍的通道中流動或者讓電池浸泡在冷卻介質里面帶走熱量而實現散熱[10-13]。液體冷卻在冷卻效率及能耗方面具有多種優勢，已成為目前電池熱管理的主流[14]。目前，市面上如奧迪A3、Tesla Model S均使用了液冷技術[15]。影響液冷效果的因素有很多，其中包括液冷管形狀、材料、冷卻介質、流量和出口處壓力下降的影響[16-19]。Ding等[20]以流道數、流道長徑比為變量，通過變更流道入口布置，研究了2 C放電速率下這些結構參數對系統冷卻能力的影響，研究結果表明，隨著流道數增加、通道寬高比增加，鋰離子電池組的最高溫度降低，但是流道數增加到一定程度，電池溫度降幅度也變小。Wang等[21]針對鋰電池快速充放電場景和惡劣工作環境，設計了一種硅熱板新型電池冷卻系統，圖3是通過溫度模擬確定在0.1 m/s的流速時7通道冷卻效果最佳，因此把流道數量確定為7。然后優化入口冷卻液流量，試驗結果表面，當冷卻液流速達到2.5 m/s時，在5 C放電過程中電池最高溫度只有42.00℃，持續增高到5 m/s只能降低到40.70℃，流量繼續增加并不會大幅度減小最高溫度，反而會增加能耗。除了通道數量和進出口流速外，液冷散熱也與冷卻板和電池的接觸面積有關。

圖3 7通道水冷結構[21]

2.2.2 流道布置及形狀對散熱效果影響

萬長冬等[22]對雙層水冷板的散熱效果進行了研究，對比了單層水冷和雙層水冷的散熱效果。模型如圖4（a）所示，上層為水冷版，下層為硅膠墊，在電池間隙之間安裝鋁制冷條。在雙層水冷版的冷卻情況下，電池溫度如圖4（c）所示，其最高溫度為43.95℃，最低溫度為31.12℃，溫差為12.83℃，對比圖4（b）的單層水冷板的18.41℃的溫差，二者相差5.58℃，說明在同等流速下，冷卻板的接觸面積將直接影響冷卻效果。液冷液散熱效果與通道數有關時，也與流道的串并聯方式有關。Wang等[23]基于實際模塊化結構冷卻性能研究，提出了一種新型并聯冷卻系統，整體系統結構如圖5（a）所示。在電池組兩側嵌入鋁制通道，連接方式為并聯，通道形狀如圖5（b）所示。與串聯流道相比，在其它條件相同的情況下，串聯流道中靠近進口處電池組溫度最低，而出口處溫度最高，原因是在串聯模式下，由于冷卻介質從進口處開始工作，在整個工作過程中沒有良好的換熱，導致后續的冷卻過程中冷卻介質溫度逐漸升高，冷卻效果變差。并聯流道的最大溫度最高溫度能夠控制在37.67℃，溫差為5.76℃，比串聯冷卻最高溫度和溫差分別降低了7.55℃和6.74℃。相比于串聯結構，并聯結構的冷卻性能更好，但是結構更復雜，布置也較為麻煩，冷卻效果與冷卻管道的均勻分布相關。賈明正等[24]設計了一種包裹式液冷系統，將液冷管平均包裹在電池模組上，研究包裹方式對動力電池溫度的影響。劉倩等[25]基于電池形狀與排列特點設計了一種棋盤拓撲分流結構，如圖6（a）所示，電池組均勻排布，冷卻液流動較為均勻，電池均溫性好，圖6（b）為電池模型模組，冷卻液從上端流入，下端流出，最后通過仿真驗證得出，同側與異側冷卻液出入口溫度不同，在同側能夠具有更好冷卻效果。除了流道式液冷散熱，目前有學者提出了全浸入式散熱。馮能蓮等[26]設計出一種全浸入式蜂巢液冷散熱結構（圖7），電池周圍包裹著硅膠膜層，硅膠膜外空間充滿冷卻液，浸泡電池全表面。在電池充電加熱過程中電池持續產生的熱使產熱量大于散熱量。恒溫階段充電后，在冷卻液不流動時，電池模塊最高溫度為30.66℃，高溫區出現在電池模組中心區域。充電中期，由于冷卻液處于流動狀態，與電池間的換熱得到加強，電池最高溫度開始降低，高溫區主要出現于出口導流板附近，局部高溫面積小于冷卻液不流動的情況。

圖4 雙層水冷結構[22]

圖5 新型并聯結構[23]

圖6 棋盤拓撲分流[25]

圖7 蜂巢式散熱結構示意[26]

2.3 相變冷卻

相變材料冷卻是一種新型的冷卻方式，相變材料能夠在一定溫度范圍內改變自身的物理狀態，在改變物理狀態的過程中有能量儲存，從而對電池組起到散熱的作用。目前，相變材料技術正處于發展初期階段，發展潛力大。相變材料技術散熱效率高，散熱不需要消耗過多的能源，因此相變冷卻是一種具有廣泛應用前景的冷卻方式，也是近年來電池冷卻研究的熱點之一[27-28]。溫度是影響相變冷卻的因素之一，Ping等[29]研究了高溫下相變材料的熱管理性能，在3 C的放電速率下，發現相變材料翅片結構具有改善其內部自然對流和熱傳導的優勢。由于相變材料冷卻屬于主動散熱，一般會與其它冷卻方法組合使用。朱波等[30]提出了一種相變材料結合液冷的冷卻系統，散熱結構如圖8所示。研究人員將相變材料制成容器，在其內部嵌入U型冷卻管道，讓冷卻液進入管道，與相變材料實現熱量交換。朱波等[30]的結果表明，加入相變材料后，對于原單一液冷散熱，其溫度最高可降低7℃，并且節約了大量能源，且電池均溫性好。

圖8 相變-液冷散熱結構示意[30]

3 結束語

在空冷、液冷和相變冷卻3大類型中，空冷的應用場所最為廣泛，但是散熱效果較差；液冷的散熱效果最好，也是目前各個新能源汽車的首選散熱方式；相變冷卻的應用前景可觀，目前多數學者在從事相變材料在汽車動力電池冷卻方面的應用技術研究。液冷散熱的技術研究中需要考慮流道數量、形狀、流體速度和冷卻介質參數，在實際的散熱系統中，液體冷卻還要考慮漏液的問題。相對于空冷散熱，液冷散熱的換熱效果更佳，而且散熱效率可以根據冷卻介質的熱導率的不同而發生改變。相變材料冷卻屬于主動散熱，不消耗額外能量，相變材料熱密度高、潛熱量大，導熱率高類似無機水合鹽相變材料以及有機物混合體。相變材料在固態和液態之間轉變過程中轉變速度快、散熱速度快，與其它散熱復合使用，更能增強電池組熱傳遞性能。

當前研究人員采用多種散熱方式組合的方案是主流，提高整個電池組的散熱效率從而提升安全性，同時，相變冷卻以其冷卻效果高、成本低的優點成為當前的研究熱點，解決相變冷卻的結構復雜以及質量的問題，再思考如何與空冷、液冷復合使用達到結構簡單緊湊，散熱更優的效果。