當前，電動汽車逐漸成為交通工具的主流趨勢之一，為滿足電動汽車高電壓和大容量的需求，動力電池單體采用最常見的串并聯(lián)相結(jié)合的方式進行使用。在電動汽車運行過程或充電過程中，電池溫度會發(fā)生很大的變化，若不及時散熱，熱量在電池模塊內(nèi)持續(xù)積累，導(dǎo)致電池模塊熱量不斷上升和不均勻擴散。鋰電池內(nèi)部化學(xué)成分耐熱性較差，因此在高溫下會加速反應(yīng)，導(dǎo)致鋰離子電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生質(zhì)變，最終造成嚴重的安全后果。因此，需要一個高效的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)(Battery thermal management system，BTMS)來保持適當?shù)碾姵毓ぷ鳒囟确秶?，以防止溫度變化所帶來的不利影響?/span>

隨著電動汽車的發(fā)展和動力系統(tǒng)功率的不斷提升，電池組的密度也比以往增加更多，快速充電的需求導(dǎo)致電池在大電流充放電時產(chǎn)生更多的熱量。在這種趨勢下設(shè)計出合理的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)成為焦點，需要在高溫下進行快速散熱、低溫條件下能夠進行加熱或保溫，以提升電動汽車的整體性能。

電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)可分為電池散熱系統(tǒng)和電池加熱系統(tǒng)，其中，目前較成熟的散熱系統(tǒng)根據(jù)傳熱介質(zhì)可分為四部分，分別為風(fēng)冷、液冷、相變材料冷卻(Phase-change material，PCM)和熱管冷卻。

電池冷卻系統(tǒng)分類

常見的鋰電池散熱系統(tǒng)類型

1. 空氣冷卻系統(tǒng)（風(fēng)冷）

空氣冷卻風(fēng)（風(fēng)冷）是目前使用最廣泛的電池散熱方式，可與整車的行駛特性設(shè)計相結(jié)合?？赏ㄟ^車速形成的自然風(fēng)將熱量帶走，也可通過風(fēng)扇運轉(zhuǎn)產(chǎn)生強制氣流。自然對流具有簡單易行，低成本，散熱過程多以自然對流為主等優(yōu)點，缺點為風(fēng)力不可控；強制對流相比自然對流更可靠，更易于維護，因此成為常見的電池冷卻方式，不過強制對流的缺點是電池內(nèi)的溫度分布不均勻，由于空氣本身的特性，冷卻效果有一定的局限性。

豐田混合動力汽車HV蓄電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于風(fēng)冷熱管理的優(yōu)點包括：運行過程中的安全性與可靠性、所需材料簡單且易于實現(xiàn)、產(chǎn)生有害氣體時能夠及時有效通風(fēng)；與液體和相變材料相比，空氣作為冷卻介質(zhì)的降溫能力明顯不足，且僅適用于低密度電池。

龐大的電池組產(chǎn)生的熱量使得主動式風(fēng)冷系統(tǒng)隨之增加體積，從而影響電動汽車的性能和乘客的舒適度。為解決風(fēng)冷系統(tǒng)面臨的問題并提高其性能，眾多學(xué)者開始研究將其他冷卻介質(zhì)加入到風(fēng)冷系統(tǒng)中。

2.液體冷卻系統(tǒng)

與基于風(fēng)冷的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)相比，基于液體的熱管理具有更高的傳熱系數(shù)和比熱容，對提高電池組能量密度和熱管理能力有著更顯著的效果。

根據(jù)電池與冷卻液接觸的方式，液冷系統(tǒng)可分為直接接觸式和間接接觸式兩種。根據(jù)電池液冷散熱的結(jié)構(gòu)又可分為主、被動兩種方式，被動式系統(tǒng)中，冷卻液與外界空氣進行熱量交換，將電池?zé)崃克统?；主動式系統(tǒng)中，電池?zé)崃客ㄟ^液-液交換的方式送出。

奔馳48v液冷鋰電池組

直接接觸式冷卻：冷卻液直接與電池或電池模塊表面接觸為直接接觸式液冷，相較于風(fēng)冷能夠更好地進行電池散熱。冷卻液的特點為導(dǎo)熱率高且絕緣，但由于使用的冷卻液體流動性不強，因此散熱效果也會受到一定的影響。

間接接觸式冷卻：間接接觸式冷卻系統(tǒng)是通過裝有冷卻液的翅片或熱沉等物質(zhì)與電池接觸帶走熱量，從而達到使電池降溫的目的。對于圓柱形電池，可設(shè)置成環(huán)形夾套式結(jié)構(gòu)，其液體的流速不受限制，因此可使用導(dǎo)熱率高的液體材料。

液冷散熱系統(tǒng)效果良好，能夠有效降低電池的工作溫度和局部溫差，同時也存在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，質(zhì)量相對大，存在漏液以及常常需要維護等不利影響。但在對電池工作條件要求相對嚴格、熱管理優(yōu)先的電動汽車熱管理系統(tǒng)中，液冷系統(tǒng)電池散熱方式具有比風(fēng)冷更明顯的優(yōu)勢。

近幾年來，在液體冷卻上較為普遍的研究為采用新型的冷卻液，如采用液態(tài)金屬、納米流體等來優(yōu)化液冷散熱。但當前對液體冷卻通道的設(shè)計仍是液冷系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀如：通過冷卻液通道數(shù)量的增加來降低電池放電后的最高溫度、優(yōu)化液體冷卻的通道結(jié)構(gòu)、采用具有小翼結(jié)構(gòu)的冷卻通道、設(shè)計新型液體冷板等來控制電池組的溫差并加強散熱能力

3.熱管冷卻系統(tǒng)

熱管(Heating pipe，HP)是利用管內(nèi)介質(zhì)相變進行吸熱和放熱的高效換熱元件，廣泛應(yīng)用于工業(yè)等眾多領(lǐng)域。常用的熱管有三部分組成：封閉式金屬管、吸液芯和端蓋，將熱管內(nèi)抽成真空，充入適當?shù)?/span>冷卻液體，使管內(nèi)壁的吸液芯毛細多孔材料內(nèi)充滿冷卻液后加以密封。

當熱管的加熱端受熱時，工作介質(zhì)受熱蒸發(fā)并在管內(nèi)流體的受力下流向冷凝端，然后蒸汽在冷凝端散熱重新變?yōu)橐后w，冷凝端的液體受重力或多孔材料的毛細力作用下流回蒸發(fā)端，以達到散熱的目的。如此循環(huán)，將電池產(chǎn)生的熱量傳遞到外界空氣，從而實現(xiàn)小溫差大熱流的傳輸，使電池溫度降低。

陣列熱管

熱管由于具有良好的熱流密度可變性、導(dǎo)熱性、密度可變性、熱流方向可逆性、優(yōu)良的恒溫?zé)嵝院铜h(huán)境適應(yīng)性等特點，已成為電子設(shè)備重要的散熱技術(shù)之一。

熱管相比于其他冷卻系統(tǒng)具有更強的傳熱能力，但并不意味著可以無限增大其熱負荷，熱管的熱效率受眾多因素制約。當熱管達到極限時，傳熱量將不再繼續(xù)增加，傳熱極限取決于熱管的形狀、內(nèi)部吸芯液的結(jié)構(gòu)、工作介質(zhì)和周圍環(huán)境。

影響熱管傳熱的各種極限

雖然熱管在電子設(shè)備散熱領(lǐng)域有著極為廣泛的應(yīng)用，但其缺點為熱管的容量小、接觸面積小，對大型電池組需要使用更多的熱管進行散熱，以及無法對電池組進行加熱。

4.相變材料冷卻系統(tǒng)

相變材料(Phase change materials，PCM)的物理狀態(tài)隨溫度而變化，相變過程中溫度變化范圍小，但吸收或釋放的潛熱大。相變材料具有體積變化小、潛熱大、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。

常見的PCM材料可分為有機材料、無機材料和共晶材料，有機材料包括石蠟(PA)和石蠟化合物，如硬脂酸和長鏈烷烴等；無機材料包括水合鹽和金屬等材料；共晶材料是兩種或多種具有特定原子比的有機和無機化合物的混合，具有較高的潛熱和較高的熔點。

相變材料用于動力電池

PCM 依賴于自身高潛熱的能力，然而當溫度超過自身的熔點后PCM冷卻性能就會顯著下降。因此一些改進方案將PCM與常用冷卻方法耦合起來構(gòu)成混合系統(tǒng)，確保長期使用。例如PCM填充至電池和熱管的縫隙中，由于PCM耦合熱管系統(tǒng)既有PCM的固液相變蓄熱，又有脈動熱管工質(zhì)的液汽傳熱，因此在各種工況下，PCM耦合熱管的系統(tǒng)具有更好的散熱性能。

未來，對高功率、高能量密度和高充電效率電池的需求將持續(xù)增長，隨之而來的是對更高效、更穩(wěn)定、更經(jīng)濟、更緊湊的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的需求。從低能耗和結(jié)構(gòu)角度來看，PCM的散熱系統(tǒng)更具有潛力，需要進一步研究來提高商業(yè)應(yīng)用性。首先，尋找高導(dǎo)熱率的PCM來代替；其次，設(shè)計以PCM為主體，其他散熱系統(tǒng)為輔助的協(xié)同機制，以保證電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的耐久性。

參考來源：

1.動力電池散熱技術(shù)研究進展，于仲安、陳可怡、張軍令、胡澤洲（電氣工程學(xué)報）；

2.動力電池?zé)峁芾砗蜔岚踩l(fā)展動態(tài)，廣東工業(yè)大學(xué)張國慶教授

3.熱管技術(shù)及其應(yīng)用，陳彥澤、喻建良、丁信偉（現(xiàn)代化工）；

4.相變儲能材料的應(yīng)用及研究現(xiàn)狀，尚燕、張雄（同濟大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院）。

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