鋰離子電池熱管理技術研究進展

摘 要：【目的】隨著鋰離子電池的廣泛應用，需要對影響鋰電池使用性能和安全性的熱管理技術加以關注和研究。【方法】綜合分析了被動式、主動式和基于相變材料的復合式等三種熱管理技術的差異，總結了幾種主流熱管理方式包括自然冷卻、強制風冷等的優缺點和應用場景。【結果】無論是浸沒式液冷還是液冷機，冷卻效果均優于強制風冷和自然冷卻，但應用會受到產品成本和密封性能的限制。【結論】通過對三種熱管理技術的比較可知，主動式熱管理的冷卻效果優于被動式；基于相變材料的復合式熱管理技術因具更良好的換熱潛能也將得到研究和應用。

關鍵詞：鋰離子電池；熱管理；冷卻技術

中圖分類號：TM912 文獻標志碼：A 文章編號：1003-5168（2024）15-0081-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.15.018

Research Progress of Thermal Management Technology for Lithium-ion Batteries

ZHANG Pei YANG Liuqing

（Patent Examination Cooperation （Hubei） Center of the Patent Office， CNIPA， Wuhan 430000， China）

Abstract：[Purposes] With the widespread application of lithium-ion batteries， thermal management technology， which affects the performance and safety of lithium batteries， has received considerable attention and research.[Methods] This paper analyzes the differences among passive thermal management，active thermal management and composite thermal management based on phase change materials， and summarizes the advantages and disadvantages of free cooling， forced air cooling and so on.[Findings] Both immersion liquid cooling and liquid cooler have better cooling effects than forced air cooling and natural cooling， but their application is limited by product cost and sealing performance.[Conclusions] By comparing the three thermal management technologies， it is known that active thermal management has better cooling effects than the passive way. Composite thermal management technology based on phase change materials， with better heat transfer potential， will also be rapidly developed.

Keywords： lithium-ion batteries; thermal management; cooling technology

0 引言

隨著新能源產業的快速發展，作為核心產品的鋰離子電池也得到了廣泛應用。鋰離子電池的應用場景主要分為消費鋰離子電池、動力鋰離子電池和儲能鋰離子電池。但無論哪種應用場景，溫度都是影響鋰離子電池安全性能的關鍵指標。

鋰離子電池正常的工作溫度一般為充電時0～60 ℃，放電時20～45 ℃。溫度過高易導致熱失控和電池老化，溫度過低會影響電池容量和效率。熱管理技術作為能使鋰電池系統保持正常工作溫度的關鍵技術，按照效果可分為三類：第一類能夠在電池系統溫度高時進行有效冷卻；第二類能夠在外部環境溫度低時進行預熱；第三類能夠有效減少電池模塊間溫度的不均衡。

溫度升高容易導致電池系統熱失控，造成安全性風險，因此，本研究主要側重于電池系統的冷卻技術。按照是否引入外部能源來進行分類，將熱管理技術分為被動式熱管理、主動式熱管理和復合式熱管理，并探討分析了三種熱管理技術的優缺點和應用場景。

1 被動式熱管理

被動式熱管理是指不使用外部能源的冷卻技術，主要分為自然冷卻技術和熱管冷卻技術。

1.1 自然冷卻技術

自然冷卻是指不使用外部冷卻設備實現電池組的冷卻，其冷卻效果主要取決于外部環境溫度和電池組的排布結構。趙韓等［1］通過建立鋰離子電池組風冷散熱結構的三維仿真模型，并提出電池組散熱通道的改進方案，使電池組的散熱效果顯著提高。黃錫偉等［2］通過建立電池組熱模型，對不同的散熱方案進行對比，結果表明，自然冷卻下串行通道結構優于并行通道結構。自然冷卻具備結構簡單、操作便捷、成本低等特點，但其冷卻效果較差，不適用于對散熱要求高的應用場景。

1.2 熱管冷卻技術

熱管冷卻的本質為液體工質相變導熱，主要通過液體工質在蒸發端受熱后蒸發氣化，流向冷凝端進行凝結，從而實現熱量的傳遞。熱管因其良好的導熱性能和較小的體積被廣泛應用于電子設備的散熱設計。影響熱管冷卻效果的因素包括熱管與電池組間的換熱面積、液體工質的種類，因此提升熱管冷卻效果的途徑主要有以下三種。

第一種：合理設計熱管的結構，增加換熱面積。雷波［3］研究了熱管結合導熱板在空氣冷卻和液體冷卻下的冷卻效果，結果表明，導熱板能有效增加電池與熱管的接觸面積，可以通過增加導熱板厚度和與電池組接觸角度明顯提升熱管的冷卻效果。王建等［4］研究熱管冷凝端長度對熱管冷卻效果的影響，試驗結果表明冷凝端長度的增加能增加與電池組的接觸面積，有效提升冷卻效果，但冷凝端過長也會增加電池組內的溫差。

第二種：選擇熱阻小且合適工作范圍的液體工質，并采用合適的充液率和工質濃度。李燕等［5］建立通關脈動熱管試驗臺，分析在水冷條件下，充液率、工質、傾斜角度等因素對熱管傳熱性能的影響。試驗結果表明，熱阻會隨著充液率增加而增大，且相對于無水乙醇和蒸餾水，丙酮的熱阻最低。

第三種：采用相變材料作為液體工質，增加接觸面積，提高溫度一致性。劉軍等［6］研究了熱管類型和數量、環境溫度、復合相變材料用量對熱管冷卻效果的影響。結果表明，通過改變PCM/泡沫鋁/多空熱管復合相變材料的用量能有效提高散熱效率。

熱管技術的優點在于不需要外部動力就能實現較高的導熱性能，且維護簡單。但由于熱管的容量較小和接觸面積小，并不適用于大規模電池模塊的散熱，同時熱管也無法對電池系統進行加熱。

2 主動式熱管理

主動式熱管理是指需借助外部能源驅動的冷卻技術，包含強制風冷技術和液冷技術。

2.1 強制風冷技術

強制風冷技術是指利用空氣作為冷卻媒介，通過風扇或空調等外在風冷設備對鋰電池組進行冷卻。其冷卻效果主要受風冷設備選型和布置，以及電池包內外部風道設計的影響。

尉孟濤等［7］設計了一種電池組并行通風冷卻散熱結構，證實了最優結構配合往復送風策略可實現最佳冷卻效果。張鑫［8］通過建立鋰電池組兩種排列方式的三維模型，分析排列方式對散熱的影響，結果表明電池組按列排列散熱效果好。強制風冷設計簡單、安全性高，且相對液冷成本較低，但受環境溫度影響較大，且冷卻效果不及液冷技術，無法滿足高倍率下大規模電池組的散熱需求。

2.2 液冷技術

液冷技術主要指利用冷卻液與電池組間進行換熱。根據冷卻液是否直接接觸電池又分為直接液冷和間接液冷。

間接液冷主要是指驅動冷卻液流經電池包液冷板時與電池進行熱量交換。通常電池組的間接液冷系統包括液冷機、液冷管路、液冷板和冷卻液。相較于風扇和空調，液冷機的成本更高，且該冷卻系統對液冷管路和液冷板的密封性能要求較高，否則在實際應用中存在漏液風險。間接液冷的冷卻效果主要受液冷機的功率、冷卻液的種類，以及液冷板的流道結構和液冷管路的排布與管徑的影響。

許炳等［9］通過數值仿真的方法研究了改進型“凸包”“縱向”和“橫向”流道的三種液冷板結構在驅動耐久冷卻工況下的傳熱性能。在驅動耐久冷卻工況下，采用“橫向”流道液冷板相較于另兩種結構的冷卻效果更佳。黃興華等［10］針對3-4排電芯的電池包提出了U形流道結構的液冷板。Tang等［11］設計基于15°梯度角的微通道扁管冷卻裝置，采用該裝置的電池組在以2C倍率放電時其溫度不高于35 ℃。

直接液冷主要為浸沒式液冷。浸沒式液冷是指將電池包浸沒到冷卻介質中進行換熱，外部再設置冷卻液循環泵和冷凝裝置的冷卻方式。因電池直接接觸冷卻介質，相較于間接液冷來說，換熱效率會進一步提高，但同時對電池的密封性能要求也會更高。

根據不同換熱機理，浸沒式液冷又可分為單相浸沒式液冷和兩相浸沒式液冷。相較于兩相浸沒式液冷來說，單相浸沒式液冷的冷卻介質不發生相變，僅為對流換熱，原理相對簡單，因此應用較廣。單相浸沒式液冷常用的冷卻介質為氫氟醚、硅油和烴類等。影響單相浸沒式液冷的冷卻效果的三類因素包括冷卻介質的種類、介質流速和電池組的排布。

盧乙彬等［12］對比分析了氟化液、硅油和礦物質油對電池組的冷卻效果。王寧等［13］設計單管、雙管、盤型三種不同冷卻液分布箱的電池箱，數值仿真的結果表明，雙管型分布器的電池箱冷卻效果最優。Liu等［14］通過試驗分析了礦物油在靜態和流動下對電池組的冷卻效果，結果表明，提高礦物油的流速能有效降低電池組表面溫度，但隨著流速進一步提升，其降溫效果逐步減弱。試驗研究表明，兩種液冷技術的換熱效率和冷卻效果均優于風冷技術，但同時其密封要求和生產成本也會高于強制風冷，因此其應用場景主要為對溫度穩定性要求高且對成本不敏感的領域。

3 復合式熱管理

相較于主動式熱管理和被動式熱管理技術，因相變材料具有較高的導熱系數，基于相變材料的復合式熱管理技術日益得到廣泛關注和研究，例如相變冷卻+風冷、相變冷卻+液冷等。由于相變材料高昂的材料成本和封裝成本，且需與其他冷卻方式相結合，基于相變材料的復合式熱管理技術目前實際應用較少。

相變材料根據材料的類型可分為兩類，一類是有機相變材料，包括石蠟、醋酸等，具有化學穩定性好、無腐蝕性和過冷度低等優點，但熱導率低和熔融態易泄露；另一類為無機相變材料，包括石墨、熔融鹽等，相變焓高、熱導率高，但同時存在熱穩定性差和過冷度高的缺點。兩種材料各有優缺點，因此，有機-無機復合型相變材料成為研究的重點。

基于相變材料的復合式熱管理系統的冷卻效果主要受到兩方面因素的影響：一方面是相變材料的種類及其容器內外部結構，會影響相變材料同電池間的換熱效果；另一方面是相變材料的外部冷卻裝置，會影響相變材料自身的冷卻效果。

賀春敏等［15］以新型納米材料Mxene和石蠟結合構建復合型相變材料，當石蠟和Mxene質量比為1∶1時，該復合相變材料的冷卻效果最好。Karimi等［16］通過向純石蠟中添加銅、銀和四氧化三鐵納米顆粒制備成復合相變材料并測試其散熱性能，發現添加三種金屬納米顆粒的復合相變材料導熱性能得到明顯提升。

基于相變材料的復合式熱管理技術雖然起步較晚且成本較高，但因其較高的換熱效率和換熱潛能，隨著研究的推進，其冷卻效果會優于主動式和被動式熱管理技術，也將逐步應用于更多的場景。

4 三種熱管理技術對比

無論是直接液冷還是間接液冷，其冷卻效果均優于強制風冷和自然冷卻，且風冷和液冷這兩種熱管理技術是目前應用最廣和比較成熟的鋰電池冷卻技術。熱管冷卻和相變冷卻因原理相對復雜，研究起步較晚，目前仍處于試驗研究階段，但熱管和相變材料良好的導熱能力，隨著研究的進一步深入，將會得到更多的應用和發展。基于相變材料復合式熱管理技術的換熱潛能優于主動式熱管理和被動式熱管理技術，隨著電池系統換熱需求的提升，將得到更深入的研究和應用。

5 結語

溫度作為影響鋰電池系統使用性能和安全性的關鍵因素，通過發展高效的熱管理技術對鋰電池運行溫度進行有效控制，對推動鋰電池技術的快速發展和應用具有重要意義。隨著鋰離子電池在汽車、船舶甚至飛行器等動力領域、新能源儲能和戶用儲能領域的廣泛應用，鋰電池產品也將朝著更高能量密度和高倍率的技術方向不斷更新換代。而新一代的鋰電池產品對熱管理技術的要求也會越來越高，單一的熱管理技術將無法滿足實際應用的要求，基于相變材料的復合式熱管理技術將會得到快速發展和應用。

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