盧夢瑤 章學來

上海海事大學蓄冷技術研究所

0 引言

傳統(tǒng)汽車不僅消耗了大量的石油資源，同時汽車尾氣中含有的固體懸浮微粒、碳氫化合物、氮氧化合物、及硫氧化合物等是目前環(huán)境污染加劇的主要原因。在化石燃料的短缺、汽車尾氣的排放、環(huán)境惡化的大背景下，開發(fā)可持續(xù)再生的新能源汽車能夠有效解決上述問題[1-8]?；诃h(huán)保、高效、無害以及可持續(xù)續(xù)航的優(yōu)點，由動力電池提供動力的電動汽車最具有發(fā)展前景[9-15]。M.S.Whittingham提出并開始研究鋰離子電池和鋰離子電池電動車的研發(fā)成功，極大地推動了新能源電動汽車的發(fā)展。目前，動力電池主要有鎳氫電池、燃料電池、鋰離子電池。在實際應用中，鋰離子電池具有能量密度高[16]、容量大[17]、工作性能好[18]、循環(huán)壽命長[19]、使用安全[20]、可回收[21]等優(yōu)點，是新能源汽車廣泛應用的動力電池組。

然而，鋰離子電池的性能、壽命和安全性對溫度非常敏感，因此溫度是影響鋰離子電池工作性能最為突出的一個因素[22-23]。鋰離子電池溫度范圍應保持在25℃～40℃之間，單體電池之間溫度差應小于5℃[24-27]。電池在充放電過程中產(chǎn)生的熱量沒有得到適當?shù)尼尫牛捎跓崃康姆e聚，電池的溫度會升高，極大程度上降低電池工作效率。此外，電池內(nèi)部溫度與實際環(huán)境溫度之間的溫度差，以及電池組內(nèi)部各單體電池之間的溫度差等原因都會對電池的性能、壽命和安全產(chǎn)生不利的影響。所以，單體電池的內(nèi)部構造、擺放位置、冷卻條件等因素，導致電池組在產(chǎn)生熱量、傳遞熱量、散失熱量時無法滿足整個電池組的溫度范圍穩(wěn)定、熱量均勻分布[28-37]。鋰離子電池每升高1℃，電池能力消退0.2%，當溫度超過極限工作溫度時，還會加速鋰離子電池的老化。

鋰電池組的冷卻技術在電池熱管理系統(tǒng)中具有重要意義，結(jié)合國內(nèi)外的科學研究成果，整理得出現(xiàn)有常見的幾種鋰電池熱管理的冷卻方式，包括傳統(tǒng)冷卻方式中的空氣、液體、直接制冷，新型冷卻方式中的熱管、PCM、電熱元件冷卻，基于這些現(xiàn)有技術的構成原理、降溫效果、安裝與使用的可行性、能源消耗、以及經(jīng)濟性等多重因素進行對比，并分析現(xiàn)有技術的優(yōu)缺點。同時，宏觀上對現(xiàn)有冷卻技術進行討論，并對未來電池熱管理的發(fā)展方向作出預測，做出合理的未來展望，從而更好地將電動汽車推廣到實際應用中，實現(xiàn)節(jié)約燃料、保護環(huán)境的發(fā)展目標。

1 傳統(tǒng)電池熱管理冷卻系統(tǒng)

1.1 空氣冷卻電池熱管理系統(tǒng)

根據(jù)空氣的不同來源可將空氣冷卻電池熱管理系統(tǒng)簡單分類，其中一種是只使用外部空氣的空氣冷卻系統(tǒng)，另一種是將預處理后的車廂內(nèi)空氣用于電池冷卻系統(tǒng)。在某些情況下，對車廂艙室內(nèi)和電池的冷卻要求會有不同，這時可以考慮第三種電池熱管理系統(tǒng)，使用第二個蒸發(fā)器專門給電池降溫。上面提到的三種空氣冷卻系統(tǒng)已經(jīng)用于商用車中，原理如圖1所示。Kai Chen[38]利用流動阻力網(wǎng)絡模型計算了冷卻通道內(nèi)的風量，建立了空冷式BTMS測試系統(tǒng)，實驗臺如圖2所示，并對模型進行了修正，提出了一種電池間距的優(yōu)化策略，實現(xiàn)了冷卻通道間等效風量的均勻化。Fan[39]研究不同的氣流速度，單體電池擺放位置對空冷電池熱管理系統(tǒng)的能量效率影響。Z.Lu[40]采用高密度電池箱體的強制空氣冷卻方式，探討該箱體在不同流量、不同風量下的空冷能力對電池箱體溫度均勻性和熱點緩解的影響，并得出結(jié)論：隨著冷卻通道尺寸的增大，最高溫度逐漸降低，但是最大降溫程度逐漸減小。Na[41]通過三維計算流體力學和實驗比較了反向分層氣流和單項氣流，增加整流柵格，改變氣流速度和單元間距。最大反向分層氣流使平均溫差降低1.1℃，增設整流柵格可以減小電池入口溫度波動，最高溫度降低了0.5℃，平均溫度降低2.7℃，提高了電池組溫度的一致性，降低最高溫度和最大溫差。

圖1 采用獨立電池“HVAC模塊”的空氣電池冷卻系統(tǒng)示意圖

圖2 空冷式BTMS測試系統(tǒng)

1.2 液體冷卻電池熱管理系統(tǒng)

液體冷卻系統(tǒng)根據(jù)電池表面是否與冷卻液體直接接觸，可分為直接接觸方式和間接接觸方式[42-44]。Jiaqiang E[45]提出了一種采用矩形通道和冷板的動力電池熱管理方法，模型圖如圖3。當通道寬度為45 mm，通道高度為5 mm，通道數(shù)為4，冷卻液流量為0.07 m/s時，該模型具有較好的組合性能，即冷卻板的平均溫度和溫差最小。Cao[46]提出了一種用新型T形接頭提高各模塊內(nèi)流量分布的方法，以2C倍率放電，流量36L/min，可以將工作溫度和熱均勻性保持在適當?shù)臏囟确秶鷥?nèi)，最高溫度和溫差都分別成功地保持在312K和11K。Zhao[47]提出一種基于微通道液體冷卻缸的圓柱形電池冷卻方法，當微通道數(shù)量不小于4個，進口質(zhì)量流量控制在1 103kg/s時，電池模塊的最高溫度可以控制在40℃以下。隨著LCC中微通道數(shù)量的增加，Tmax逐漸減小，但通道數(shù)量不應超過8個。

圖3 利用矩形流道和冷板的液體冷卻電池熱管理模型

1.3 空調(diào)直接冷卻電池熱管理系統(tǒng)

該系統(tǒng)可以將電池冷卻直接集成到現(xiàn)有的VCC中，電池直接與蒸發(fā)器板連接在一起，不需要另行設置冷卻器、熱交換器和冷卻劑交換回路。另一種空調(diào)冷卻系統(tǒng)的方案是單獨設置一套空調(diào)制冷系統(tǒng)控制電池的溫度，系統(tǒng)如圖4所示。Kritzer[48]使用空調(diào)系統(tǒng)預防鋰離子電池熱失控，以CO2作為制冷劑可滿足緊急冷卻的要求，有效地將處于臨界過充狀態(tài)的大功率鋰電池切換到安全水平。Park[49]通過控制制冷劑溫度，降低最大溫度，使模塊內(nèi)溫度不均勻性降到最低，優(yōu)化了制冷劑冷卻系統(tǒng)的冷卻性能。最佳制冷溫度隨著流量的增加而降低，在20-40℃的較寬環(huán)境溫度范圍內(nèi)有良好的冷卻性能。Maan[50]研究了R134a制冷劑液池高度的變化對電池組熱性能的影響。冷卻效果隨電池被液體覆蓋面的增大而降低，當100%的電池表面被淹沒在液體R134a中時，該系統(tǒng)能夠?qū)㈦姵厣郎叵拗圃?.6℃。當20%的電池被液體覆蓋時，電池組中單個電池的最大溫差為7℃，覆蓋40%電池的系統(tǒng)能夠?qū)㈦姵氐淖罡邷囟染S持在30℃以下。

圖4 制冷劑冷卻熱管理系統(tǒng)圖

空氣冷卻系統(tǒng)設計相對簡單，容易實現(xiàn)，可適應多種形式的電池，不存在液體泄露。同時，該系統(tǒng)因自身特點存在一些缺陷?？諝鉄崛葺^低、導熱系數(shù)小，使空氣冷卻系統(tǒng)實現(xiàn)電池組和單體電池之間的溫度均衡時效果較差。制冷效果要求較高的系統(tǒng)則需要大流量的空氣，使系統(tǒng)體積過大，對管道的尺寸和數(shù)量提出更高的要求。此外，自然對流冷卻只對低能量密度的電池有效。主動式空氣冷卻系統(tǒng)設置風扇和風機，提高了傳熱系數(shù)，但會增加成本，產(chǎn)生大量的噪音，影響汽車舒適性。作為傳統(tǒng)電池熱管理方式中一種簡單有效的方法，其未來的發(fā)展方向必須契合電動汽車的實際工作環(huán)境和用途?？諝饫鋮s系統(tǒng)適合應用于能量密度低和對車內(nèi)舒適度要求不高的電動汽車電池組，如有短時間作業(yè)任務的車輛、無人操作獨立作業(yè)的車輛等。加強空氣冷卻系統(tǒng)效率的有效措施是增大風量、提高流速、增大流道尺寸、優(yōu)化單體電池擺放位置等，本質(zhì)上都是為了增大有效接觸面積、提高對流傳熱系數(shù)。以上參數(shù)均存在一定的極限性，尋找最優(yōu)參數(shù)成了該技術未來發(fā)展取得突破的關鍵。

液體冷卻系統(tǒng)使用了比熱容和質(zhì)量流量更高、傳熱速率更快的液體作為冷卻介質(zhì)如：水、乙二醇、油和丙酮，其有較好的冷卻效果，能實現(xiàn)溫度均勻分布。此外，液體冷卻電池熱管理系統(tǒng)存在布局復雜、系統(tǒng)重量大、成本高等限制因素，該系統(tǒng)對電池組密封性要求較高，需要設置密封層，增加了傳熱熱阻，降低了冷卻效率。常用液體冷卻系統(tǒng)中冷卻液體的循環(huán)離不開液體泵，該技術在未來的發(fā)展中可以加入自動控制系統(tǒng)，以控制液體流量、降低能耗，提高工作效率。

空調(diào)冷卻系統(tǒng)中第一種方案是利用車內(nèi)現(xiàn)有的空調(diào)系統(tǒng)進行冷卻，它比液體系統(tǒng)設置更緊湊，減輕結(jié)構重量。制冷系統(tǒng)壓縮機因散熱任務增加，需提高排量，增加了成本。此外，車輛實際運行中，需根據(jù)不同部分實際需要的散熱量對制冷劑分流，具體的分流情況較難同時兼顧兩個蒸發(fā)器。該方案在適應未來發(fā)展時可以注重與控制系統(tǒng)結(jié)合，優(yōu)化制冷劑流量控制策略成為技術關鍵。該系統(tǒng)的復雜程度較大、成本較高，會產(chǎn)生大量功耗。另一種方案是采用兩組壓縮機循環(huán)制冷系統(tǒng)，優(yōu)點是電池熱管理系統(tǒng)和車廂內(nèi)的空調(diào)制冷系統(tǒng)相互獨立、互不影響，可單獨運行，但系統(tǒng)重量增加、成本提高，不是最佳的選擇?？照{(diào)直冷的熱管理方案需要在電池包內(nèi)布置盤管或冷板作為蒸發(fā)器，要求電池包的密封性良好，內(nèi)部不可遺留空氣，使用過程中避免產(chǎn)生冷凝水。

2 新型電池熱管理冷卻系統(tǒng)

2.1 基于相變材料冷卻電池熱管理系統(tǒng)

相變材料是一種受外界溫度或壓力的變化后發(fā)生相變，并利用自身的潛熱吸收和釋放大量能量，保持自身溫度恒定不變的儲能材料。其相變儲能過程不需要消耗能源的儲能特點，使相變材料被廣泛應用于多種能源行業(yè)[51-53]。

Al Hallaj[54]比較設置了PCM模塊的電池和沒有設置PCM模塊的電池組，證明了PCM的溫控作用是有效的。Zhao[55]研究發(fā)現(xiàn)加入泡沫銅后，電池表面溫度降低了14℃，且電池表面溫度依然可以穩(wěn)定在一定范圍。此時，電池所產(chǎn)生的熱量可以有效地傳遞到相變材料模塊的內(nèi)部，改良后的熱管理模塊顯示出良好的均溫特性。Wu[56]研制出一種銅網(wǎng)（CM）增強石蠟/膨脹石墨（PA/EG）的復合材料應用于復合PCM電池熱管理系統(tǒng)，如圖5所示。解決了現(xiàn)有相變材料導熱系數(shù)低、骨架強度較弱的問題，CM增強了PA/EG板的散熱性能和溫度均勻性。Hémery[57]提出了一種PCM與液體冷卻板耦合的冷卻系統(tǒng)，該系統(tǒng)給可以在汽車充電時固化PCM，也可以在汽車停放時在外部熱或冷條件下降低或降低溫度。Lv[58]以膨脹石墨、石蠟和低密度聚乙烯三元復合材料為基礎，結(jié)合低翅片與電池模塊進行耦合（如圖6所示），具有良好的散熱性能，有效地將PCM積累的大量熱量散發(fā)到外界空氣環(huán)境中。

圖5 復合PCM制備

圖6 L-CPCM電池組耦合散熱翅片示意圖

2.2 基于熱管冷卻電池熱管理系統(tǒng)

熱管是一種可以在不利用外部泵提供功率的情況下自發(fā)工作的裝置，即使在非常小的溫差下，也能利用相變傳熱，在相當遠的距離內(nèi)高速輸送大量的熱能。結(jié)構緊湊、形狀靈活、使用壽命長、維護費用低等特點，使其在許多需要應用高效率熱管理的行業(yè)中得到廣泛應用[59-60]。根據(jù)熱管冷卻段的策略不同，可以分為風冷熱管系統(tǒng)和液體冷卻熱管系統(tǒng)[61]。

Wu[62]研究了鋰離子電池在充放電時采用自然對流、強制對流和熱管電池冷卻三種不同的方式時的溫度分布狀態(tài)。結(jié)果表明，熱管與電池壁之間的連接方式在散熱中起著重要的作用。Liang[63]對基于熱管的BTMS(HP-BTMS)的冷卻策略進行了研究。當環(huán)境溫度低于35℃時，減少冷卻劑的溫度HP-BTMS的熱性能幾乎不變，一旦電池溫度超過平衡值，在HP-BTMS啟動時電池溫度的不均勻性急劇上升。間歇冷卻和恒冷可以達到類似的電池冷卻性能，這表明降低HP-BTMS的運行時間可以降低功耗。Tran[64]比較了平板熱管冷卻系統(tǒng)在不同冷卻條件和不同傾斜位置下的熱性能并與傳統(tǒng)散熱器進行了對比，結(jié)果表明，在自然對流和低速冷卻條件下，增加熱管可使普通散熱器的熱阻分別降低30%和20%。Zhao[65]研制了一種熱管和濕式冷卻相結(jié)合的BTM系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用超薄熱管有效地將熱量從電池側(cè)轉(zhuǎn)移到冷卻端，通過水分蒸發(fā)可以快速散熱。結(jié)合了濕式冷卻的系統(tǒng)是冷卻效果最好的BTM系統(tǒng)，在實際的應用中，它還可以加上其他熱管系統(tǒng)，控制鋰離子電池在最低能耗時的溫度變化和提高整個電池體系的性能（見圖7）。Liu[66]提出了一種基于熱回路發(fā)的熱管熱阻“分段”模型，對自然對流和強迫對流這兩種不同布置方式下的超薄微熱管（UMHP）的冷卻效果進行了討論。Ye[67]用微熱管陣列測量溫度，MHPAs的冷卻系統(tǒng)在1C的電流速率時溫度升高速率降低，電池組內(nèi)部的溫度差減小，在連續(xù)充放電過程中，電池的穩(wěn)定性和安全性得到了提高。

圖7 結(jié)合超薄熱管電池組實物照片（上部8Ah下部3Ah）

2.3 基于電子元件冷卻電池熱管理系統(tǒng)

熱電制冷技術作為一種高效、低能耗的電子制冷技術[68-69]，其熱電元件可分為兩大類，一類是基于Seebeck效應的熱電發(fā)生器(TEG)，它將熱能轉(zhuǎn)化為電能，利用余熱作為能源[70-71]。另一類是基于Peltier效應的熱電制冷器(TEC)，它將電能轉(zhuǎn)化為熱能，實現(xiàn)冷卻和加熱[72-74]。

Alaoui[75]等人研究了一種基于Peltier熱泵的BTMS。測定60-Ah棱柱狀鋰離子電池在不同速率和不同溫度條件下的放電效率，在恒流放電條件下進行建模和評估。結(jié)果發(fā)現(xiàn)該BTMS的熱響應和能耗均令人滿意。Esfahanian[76]提出了一種利用熱電技術改進空冷熱管理的新方法，結(jié)果表明，該方法可以在高倍率放電的條件和環(huán)境溫度高于40℃的情況下，將電池溫度保持在35℃以下。Liu[77]提出了一種基于熱電制冷器(TEC)的鋰離子電池組熱管理系統(tǒng)的設計方案（見圖8），分析了該系統(tǒng)應用于8個100Ah容量電池組的冷卻性能，在1C放電倍率條件下，TEC冷卻使電池溫度保持在40℃以下，電池之間的平均溫差小于1℃。新型BTMS可以使電池組溫度分布更加均勻，從而節(jié)省了昂貴的電池均衡系統(tǒng)，能使電池溫度保持在最佳溫度范圍內(nèi)，延長電池組的使用壽命。

圖8 電熱元件（TEC）示意圖

基于相變材料冷卻的電池熱管理系統(tǒng)不再需要安裝鼓風機、風機、泵、管道等配件，解決了傳統(tǒng)熱管理系統(tǒng)使系統(tǒng)過于復雜、龐大、成本高的問題。增加PCM質(zhì)量可以提高效率，但會增加能耗，降低電動汽車性能，確定適當?shù)腜CM質(zhì)量對使用基于PCM的BTMS非常重要。PCM相變過程會引起體積變化，對相變材料的封裝要求十分嚴格，不能引起泄漏。合適的PCM應具有潛熱大、熱容大、導熱系數(shù)高、相變溫度在電池工作范圍內(nèi)的特點，在冷卻過程中還應具有化學性質(zhì)穩(wěn)定和無毒、低或無過冷現(xiàn)象。但是大多數(shù)的PCM導熱系數(shù)比較低，該技術在未來發(fā)展應用時應尋找提高PCM導熱系數(shù)更為有效的方法，在PCM套管中插入金屬翅片，或金屬泡沫、石墨泡沫，或?qū)⒔饘俜勰?、膨脹石墨粉末、納米顆粒、納米管加入PCM中。最具實用前景的熱管理系統(tǒng)不是單獨使用PCM的被動冷卻系統(tǒng)，而是將其與另一種冷卻解決方案結(jié)合作為半被動系統(tǒng)，提高系統(tǒng)可靠性，如PCM耦合傳統(tǒng)液體冷卻系統(tǒng)、PCM耦合主動式空氣冷卻系統(tǒng)。PCM冷卻方式耦合其它電池熱管理系統(tǒng)，可以提高導熱性降低系統(tǒng)能耗，優(yōu)點眾多，是基于PCM的電池熱管理系統(tǒng)未來發(fā)展的主流趨勢。熱管具有良好的導熱性、形狀靈活，被廣泛應用在基于熱管的電池冷卻系統(tǒng)。但是熱管的實施存在諸多困難，熱管元件自身容量小、接觸面積小、系統(tǒng)結(jié)構復雜、存在易泄漏的風險，成本較高、技術復雜等都成為限制其發(fā)展的因素。熱管冷卻技術在應用上可以結(jié)合PCM，構成熱管耦合PCM電池冷卻熱管理系統(tǒng)。TEC冷卻系統(tǒng)具有無內(nèi)部化學反應、無噪音、運行可靠、運行壽命更長、不排放有害氣體等優(yōu)點，但在應用過程中，其低效率和需要外界電力能源幫助的特點，限制了它在商業(yè)應用中的使用。同時，因為TEC與電池之間有效接觸面積很小，造成電池內(nèi)部溫度的不均勻，導致電池內(nèi)部的溫差變大。為克服這些問題，可以在TEC之間插入高導電性材料。

3 結(jié)論

對近年來國內(nèi)外的電池熱管理領域研究進行了詳細討論，綜述了傳統(tǒng)型電池熱管理系統(tǒng)和新型電池熱管理系統(tǒng)。傳統(tǒng)型電池熱管理細分為空氣冷卻系統(tǒng)、液體冷卻系統(tǒng)、空調(diào)直接冷卻系統(tǒng)，新型電池冷卻系統(tǒng)細分為基于PCM的冷卻系統(tǒng)、基于熱管的冷卻系統(tǒng)、基于熱電元件的冷卻系統(tǒng)。由此，得出幾點結(jié)論并提出未來發(fā)展方向：

1）空氣冷卻系統(tǒng)設計簡單，適用于多種電池形式，使用過程安全可靠，但并不適合所有的電動汽車，實際應用中應根據(jù)電動汽車的工作環(huán)境和工作內(nèi)容合理選擇適宜的冷卻方式，還應考慮如何采用有效方式增大對流面積和對流換熱系數(shù)，提高對流換熱效率。液體冷卻系統(tǒng)和空調(diào)直接冷卻系統(tǒng)這兩種傳統(tǒng)熱管理方式，在未來發(fā)展中可考慮采用自動控制系統(tǒng)根據(jù)實時需要對液體流量和制冷劑流量進行控制，以降低能耗、提高效率、降低成本。

2）新技術的發(fā)展更需要貼合實際，提高電池熱管理系統(tǒng)的穩(wěn)定性，著重解決現(xiàn)有新技術仍然存在的問題。增大PCM導熱系數(shù)，尋找合適的封裝方法，提高PCM的循環(huán)穩(wěn)定性，將PCM與熱管耦合形成一個完整的熱量傳遞循環(huán)系統(tǒng)，避免相變材料無法得到充分利用。在電子元件中插入高導電性材料，合理設計TEC與電池的接觸面積，克服電池內(nèi)部溫度不均勻造成的換熱較差的問題。

3）未來的發(fā)展方向是設計一種更可靠、更安全、能耗更低的電池熱管理系統(tǒng)，以可控和穩(wěn)定的方式對電池進行冷卻。隨著對電動汽車電池的要求越來越高，電池的能量密度也會逐漸增加。電動汽車實際用途、工作環(huán)境、不同系統(tǒng)的性能、經(jīng)濟特性等因素對未來電池熱管理系統(tǒng)的發(fā)展更加重要。根據(jù)實際情況，可將相應BTMS開發(fā)成多個子熱管理系統(tǒng)的集成，綜合多種系統(tǒng)的特點，更好地將其推廣到實際應用。