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相結合的方式進行使用。在電動汽車運行過程或充電過程中，電池溫度會發生很大的變化，若不及時散熱，熱量在電池模塊內持續積累，導致電池模塊熱量不斷上升和不均勻擴散。鋰電池內部化學成分耐熱性較差，因此在高溫下會加速反應，導致鋰離子電池內部結構產生質變，最終造成嚴重的安全后果。因此，需要一個高效的電池熱管理系統(Battery thermal management system，BTMS)來保持適當的電池工作溫度范圍，以防止溫度變化所帶來的不利影響。

隨著電動汽車的發展和動力系統功率的不斷提升，電池組的密度也比以往增加更多，快速充電的需求導致電池在大電流充放電時產生更多的熱量。在這種趨勢下設計出合理的電池熱管理系統成為焦點，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。

電池熱管理系統可分為電池散熱系統和電池加熱系統，其中，目前較成熟的散熱系統根據傳熱介質可分為四部分，分別為風冷、液冷、相變材料冷卻(Phase-change material，PCM)和熱管冷卻。

電池冷卻系統分類

常見的鋰電池散熱系統類型

1. 空氣冷卻系統（風冷）

空氣冷卻風（風冷）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計相結合。可通過車速形成的自然風將熱量帶走，也可通過風扇運轉產生強制氣流。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點，缺點為風力不可控；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蓄電池熱管理系統結構

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

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

2.液體冷卻系統

與基于風冷的電池熱管理系統相比，基于液體的熱管理具有更高的傳熱系數和比熱容，對提高電池組能量密度和熱管理能力有著更顯著的效果。

根據電池與冷卻液接觸的方式，液冷系統可分為直接接觸式和間接接觸式兩種。根據電池液冷散熱的結構又可分為主、被動兩種方式，被動式系統中，冷卻液與外界空氣進行熱量交換，將電池熱量送出；主動式系統中，電池熱量通過液-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，相較于風冷能夠更好地進行電池散熱。冷卻液的特點為導熱率高且絕緣，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是通過裝有冷卻液的翅片或熱沉等物質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，可設置成環形夾套式結構，其液體的流速不受限制，因此可使用導熱率高的液體材料。

液冷散熱系統效果良好，能夠有效降低電池的工作溫度和局部溫差，同時也存在系統結構復雜，質量相對大，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、熱管理優先的電動汽車熱管理系統中，液冷系統電池散熱方式具有比風冷更明顯的優勢。

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，如采用液態金屬、納米流體等來優化液冷散熱。但當前對液體冷卻通道的設計仍是液冷系統的研究現狀如：通過冷卻液通道數量的增加來降低電池放電后的最高溫度、優化液體冷卻的通道結構、采用具有小翼結構的冷卻通道、設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

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

當熱管的加熱端受熱時，工作介質受熱蒸發并在管內流體的受力下流向冷凝端，然后蒸汽在冷凝端散熱重新變為液體，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端，以達到散熱的目的。如此循環，將電池產生的熱量傳遞到外界空氣，從而實現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、導熱性、密度可變性、熱流方向可逆性、優良的恒溫熱性和環境適應性等特點，已成為電子設備重要的散熱技術之一。

熱管相比于其他冷卻系統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，傳熱量將不再繼續增加，傳熱極限取決于熱管的形狀、內部吸芯液的結構、工作介質和周圍環境。

影響熱管傳熱的各種極限

雖然熱管在電子設備散熱領域有著極為廣泛的應用，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

相變材料(Phase change materials，PCM)的物理狀態隨溫度而變化，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、穩定性好等優點。

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成混合系統，確保長期使用。例如PCM填充至電池和熱管的縫隙中，由于PCM耦合熱管系統既有PCM的固液相變蓄熱，又有脈動熱管工質的液汽傳熱，因此在各種工況下，PCM耦合熱管的系統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增長，隨之而來的是對更高效、更穩定、更經濟、更緊湊的電池熱管理系統的需求。從低能耗和結構角度來看，PCM的散熱系統更具有潛力，需要進一步研究來提高商業應用性。首先，尋找高導熱率的PCM來代替；其次，設計以PCM為主體，其他散熱系統為輔助的協同機制，以保證電池熱管理系統的耐久性。

參考來源：

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

2.動力電池熱管理和熱安全發展動態，廣東工業大學張國慶教授

3.熱管技術及其應用，陳彥澤、喻建良、丁信偉（現代化工）；

4.相變儲能材料的應用及研究現狀，尚燕、張雄（同濟大學材料科學與工程學院）。

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