劉念 張世義

（重慶交通大學(xué)航運(yùn)與船舶工程學(xué)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(tǒng)燃油車(chē)尾氣排放加劇了空氣污染、增加了全球溫室氣體排放，節(jié)能減排已經(jīng)成為國(guó)際社會(huì)關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題。新能源汽車(chē)因電能高效、清潔無(wú)污染，使其在汽車(chē)市場(chǎng)中占據(jù)較高份額。鋰離子電池作為純電動(dòng)汽車(chē)的主要?jiǎng)恿υ?，因其比能量高且壽命長(zhǎng)而被廣泛運(yùn)用。

鋰離子在工作放電的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，而這些熱量會(huì)嚴(yán)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(guò)50℃電池組熱量聚集，將直接影響電池壽命，而當(dāng)電池溫度超過(guò)80℃后可能就會(huì)引發(fā)電池組爆炸[1-3]。

本文圍繞電池的熱管理問(wèn)題，綜合國(guó)內(nèi)外多種散熱方法和技術(shù)，對(duì)鋰離子電池在工作狀態(tài)時(shí)冷卻散熱技術(shù)進(jìn)行綜述。主要圍繞空冷、液冷、相變冷卻梳理當(dāng)前電池冷卻技術(shù)進(jìn)展，當(dāng)前技術(shù)發(fā)展難點(diǎn)，并提出電池?zé)峁芾砦磥?lái)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(huán)境內(nèi)，通過(guò)空氣進(jìn)行換熱，主要包括強(qiáng)制風(fēng)冷和自然風(fēng)方式。風(fēng)冷的優(yōu)點(diǎn)在于成本低、適應(yīng)性廣、安全性高，但對(duì)于鋰離子電池組而言，風(fēng)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(fēng)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(shí)進(jìn)行[4-6]?？绽涞睦鋮s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(guān)。Chen等[7]提出了一種并聯(lián)風(fēng)冷式電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)結(jié)構(gòu)，通過(guò)改變并聯(lián)風(fēng)冷系統(tǒng)中電池組的電池間距分布，提高系統(tǒng)的冷卻效率。結(jié)果表明，間距優(yōu)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(jìn)氣流速下電池最大溫差降低了69%以上。張攀光等[8]構(gòu)建了一種電池組相變系統(tǒng)，對(duì)比均勻排布與非均勻排布對(duì)電池性能的影響。電池與相變材料結(jié)構(gòu)如圖1所示，研究人員共設(shè)計(jì)了25個(gè)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(dǎo)熱系數(shù)為0.2 W/(m·K)。研究結(jié)果表明，隨著電池間距變大，系統(tǒng)溫度先降低后升高，當(dāng)間距為10 mm電池溫度最優(yōu)。Xie等[9]設(shè)計(jì)了一種強(qiáng)制風(fēng)冷鋰離子結(jié)構(gòu)，通過(guò)研究進(jìn)風(fēng)角、出風(fēng)角和流道寬度對(duì)散熱效果的影響。氣流通道結(jié)構(gòu)如圖2所示，整個(gè)結(jié)構(gòu)里共有10個(gè)電池組和11個(gè)氣流通道。氣流由Air in進(jìn)入，從Air out流出，A為進(jìn)氣區(qū)末端高度，B為出氣歧管高度。通過(guò)改變A和B值最后得出在2.5°進(jìn)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(jié)構(gòu)示意[8]

圖2 氣流通道結(jié)構(gòu)示意[9]

2.2 液體冷卻

2.2.1 流道數(shù)量及流速對(duì)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(yīng)用于汽車(chē)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(guò)冷卻介質(zhì)在電池周?chē)耐ǖ乐辛鲃?dòng)或者讓電池浸泡在冷卻介質(zhì)里面帶走熱量而實(shí)現(xiàn)散熱[10-13]。液體冷卻在冷卻效率及能耗方面具有多種優(yōu)勢(shì)，已成為目前電池?zé)峁芾淼闹髁鱗14]。目前，市面上如奧迪A3、Tesla Model S均使用了液冷技術(shù)[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(zhì)、流量和出口處壓力下降的影響[16-19]。Ding等[20]以流道數(shù)、流道長(zhǎng)徑比為變量，通過(guò)變更流道入口布置，研究了2 C放電速率下這些結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)冷卻能力的影響，研究結(jié)果表明，隨著流道數(shù)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(shù)增加到一定程度，電池溫度降幅度也變小。Wang等[21]針對(duì)鋰電池快速充放電場(chǎng)景和惡劣工作環(huán)境，設(shè)計(jì)了一種硅熱板新型電池冷卻系統(tǒng)，圖3是通過(guò)溫度模擬確定在0.1 m/s的流速時(shí)7通道冷卻效果最佳，因此把流道數(shù)量確定為7。然后優(yōu)化入口冷卻液流量，試驗(yàn)結(jié)果表面，當(dāng)冷卻液流速達(dá)到2.5 m/s時(shí)，在5 C放電過(guò)程中電池最高溫度只有42.00℃，持續(xù)增高到5 m/s只能降低到40.70℃，流量繼續(xù)增加并不會(huì)大幅度減小最高溫度，反而會(huì)增加能耗。除了通道數(shù)量和進(jìn)出口流速外，液冷散熱也與冷卻板和電池的接觸面積有關(guān)。

圖3 7通道水冷結(jié)構(gòu)[21]

2.2.2 流道布置及形狀對(duì)散熱效果影響

萬(wàn)長(zhǎng)冬等[22]對(duì)雙層水冷板的散熱效果進(jìn)行了研究，對(duì)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(duì)比圖4（b）的單層水冷板的18.41℃的溫差，二者相差5.58℃，說(shuō)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(shù)有關(guān)時(shí)，也與流道的串并聯(lián)方式有關(guān)。Wang等[23]基于實(shí)際模塊化結(jié)構(gòu)冷卻性能研究，提出了一種新型并聯(lián)冷卻系統(tǒng)，整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5（a）所示。在電池組兩側(cè)嵌入鋁制通道，連接方式為并聯(lián)，通道形狀如圖5（b）所示。與串聯(lián)流道相比，在其它條件相同的情況下，串聯(lián)流道中靠近進(jìn)口處電池組溫度最低，而出口處溫度最高，原因是在串聯(lián)模式下，由于冷卻介質(zhì)從進(jìn)口處開(kāi)始工作，在整個(gè)工作過(guò)程中沒(méi)有良好的換熱，導(dǎo)致后續(xù)的冷卻過(guò)程中冷卻介質(zhì)溫度逐漸升高，冷卻效果變差。并聯(lián)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(lián)冷卻最高溫度和溫差分別降低了7.55℃和6.74℃。相比于串聯(lián)結(jié)構(gòu)，并聯(lián)結(jié)構(gòu)的冷卻性能更好，但是結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，布置也較為麻煩，冷卻效果與冷卻管道的均勻分布相關(guān)。賈明正等[24]設(shè)計(jì)了一種包裹式液冷系統(tǒng)，將液冷管平均包裹在電池模組上，研究包裹方式對(duì)動(dòng)力電池溫度的影響。劉倩等[25]基于電池形狀與排列特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種棋盤(pán)拓?fù)浞至鹘Y(jié)構(gòu)，如圖6（a）所示，電池組均勻排布，冷卻液流動(dòng)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(guò)仿真驗(yàn)證得出，同側(cè)與異側(cè)冷卻液出入口溫度不同，在同側(cè)能夠具有更好冷卻效果。除了流道式液冷散熱，目前有學(xué)者提出了全浸入式散熱。馮能蓮等[26]設(shè)計(jì)出一種全浸入式蜂巢液冷散熱結(jié)構(gòu)（圖7），電池周?chē)枘z膜層，硅膠膜外空間充滿(mǎn)冷卻液，浸泡電池全表面。在電池充電加熱過(guò)程中電池持續(xù)產(chǎn)生的熱使產(chǎn)熱量大于散熱量。恒溫階段充電后，在冷卻液不流動(dòng)時(shí)，電池模塊最高溫度為30.66℃，高溫區(qū)出現(xiàn)在電池模組中心區(qū)域。充電中期，由于冷卻液處于流動(dòng)狀態(tài)，與電池間的換熱得到加強(qiáng)，電池最高溫度開(kāi)始降低，高溫區(qū)主要出現(xiàn)于出口導(dǎo)流板附近，局部高溫面積小于冷卻液不流動(dòng)的情況。

圖4 雙層水冷結(jié)構(gòu)[22]

圖5 新型并聯(lián)結(jié)構(gòu)[23]

圖6 棋盤(pán)拓?fù)浞至鱗25]

圖7 蜂巢式散熱結(jié)構(gòu)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(nèi)改變自身的物理狀態(tài)，在改變物理狀態(tài)的過(guò)程中有能量?jī)?chǔ)存，從而對(duì)電池組起到散熱的作用。目前，相變材料技術(shù)正處于發(fā)展初期階段，發(fā)展?jié)摿Υ?。相變材料技術(shù)散熱效率高，散熱不需要消耗過(guò)多的能源，因此相變冷卻是一種具有廣泛應(yīng)用前景的冷卻方式，也是近年來(lái)電池冷卻研究的熱點(diǎn)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(fā)現(xiàn)相變材料翅片結(jié)構(gòu)具有改善其內(nèi)部自然對(duì)流和熱傳導(dǎo)的優(yōu)勢(shì)。由于相變材料冷卻屬于主動(dòng)散熱，一般會(huì)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(jié)合液冷的冷卻系統(tǒng)，散熱結(jié)構(gòu)如圖8所示。研究人員將相變材料制成容器，在其內(nèi)部嵌入U(xiǎn)型冷卻管道，讓冷卻液進(jìn)入管道，與相變材料實(shí)現(xiàn)熱量交換。朱波等[30]的結(jié)果表明，加入相變材料后，對(duì)于原單一液冷散熱，其溫度最高可降低7℃，并且節(jié)約了大量能源，且電池均溫性好。

圖8 相變-液冷散熱結(jié)構(gòu)示意[30]

3 結(jié)束語(yǔ)

在空冷、液冷和相變冷卻3大類(lèi)型中，空冷的應(yīng)用場(chǎng)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(gè)新能源汽車(chē)的首選散熱方式；相變冷卻的應(yīng)用前景可觀，目前多數(shù)學(xué)者在從事相變材料在汽車(chē)動(dòng)力電池冷卻方面的應(yīng)用技術(shù)研究。液冷散熱的技術(shù)研究中需要考慮流道數(shù)量、形狀、流體速度和冷卻介質(zhì)參數(shù)，在實(shí)際的散熱系統(tǒng)中，液體冷卻還要考慮漏液的問(wèn)題。相對(duì)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(jù)冷卻介質(zhì)的熱導(dǎo)率的不同而發(fā)生改變。相變材料冷卻屬于主動(dòng)散熱，不消耗額外能量，相變材料熱密度高、潛熱量大，導(dǎo)熱率高類(lèi)似無(wú)機(jī)水合鹽相變材料以及有機(jī)物混合體。相變材料在固態(tài)和液態(tài)之間轉(zhuǎn)變過(guò)程中轉(zhuǎn)變速度快、散熱速度快，與其它散熱復(fù)合使用，更能增強(qiáng)電池組熱傳遞性能。

當(dāng)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(gè)電池組的散熱效率從而提升安全性，同時(shí)，相變冷卻以其冷卻效果高、成本低的優(yōu)點(diǎn)成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，解決相變冷卻的結(jié)構(gòu)復(fù)雜以及質(zhì)量的問(wèn)題，再思考如何與空冷、液冷復(fù)合使用達(dá)到結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，散熱更優(yōu)的效果。