基于熱管技術(shù)的鋰離子動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)研究進展

洪思慧，張新強，汪雙鳳，張正國

（華南理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院傳熱強化與過程節(jié)能教育部重點實驗室，廣東 廣州510640）

相比傳統(tǒng)燃料汽車，電動汽車使用高能量密度的儲電電池取代化石燃料作為驅(qū)動，既節(jié)能又環(huán)保，在能源耗竭日益嚴(yán)重的當(dāng)代，電動汽車的發(fā)展得到了普遍關(guān)注[1-3]。2012年4月18日，國務(wù)院通過《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012—2020 年）》[4]，提出以純電動汽車作為汽車工業(yè)的主要轉(zhuǎn)型方向，重點推進插電式混合動力汽車和純電動汽車的產(chǎn)業(yè)化[5]。電動汽車的發(fā)展和普及關(guān)鍵在于動力電池安全可靠性及其成本問題得到解決，未來汽車廠商之間的競爭，也主要是所裝配動力電池性能的競爭，動力電池是技術(shù)核心的地位將長期存在[6]。

目前已應(yīng)用于電動汽車中的動力電池主要有鉛酸電池、鎳氫電池和鋰離子電池[7]。鉛酸電池最早應(yīng)用于電動汽車中，但由于其高污染和低能量密度等特點已逐漸被市場淘汰。鎳氫電池的應(yīng)用比較成熟，為現(xiàn)代電動汽車的主流電源。新興的鋰離子電池則以其能量密度高、循環(huán)壽命長、自放電率低、無記憶效應(yīng)、無污染等優(yōu)點得到越來越多汽車產(chǎn)商的關(guān)注和青睞[8]。

單體鋰離子電池的輸出電壓小，一般為3.2～3.7V。實際使用時需串/并聯(lián)數(shù)十甚至上百個單體電池才能滿足電動汽車的功率需求和電壓要求[9]。在充放電過程中，電池內(nèi)部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，加上其自身電阻發(fā)熱，共同引起溫度升高[10]。當(dāng)超過一定溫度極限時易引發(fā)電池的熱失效，進而導(dǎo)致安全事 故[11]。近年來電動汽車安全事故頻發(fā)，造成極大損失，電動汽車的安全使用確實引人擔(dān)憂。而用于電動汽車中的動力電池箱體除了單體電池自身產(chǎn)熱引起溫升帶來安全隱患，單體電池間的相互熱輻射和復(fù)雜的串并聯(lián)電路也成為誘發(fā)電池?zé)嵝袨槭У牧硪淮笥绊懸蛩豙12-13]。圖1為某電動車在高速路上碰撞后起火[14]。

Alvani-Soltani的研究指出，溫度的不均勻分布或溫度變化過大等因素會導(dǎo)致電池的早期損壞與熱失控，甚至引發(fā)安全事故[15]。因此鋰離子電池的熱安全問題限制了其在電動汽車中的廣泛應(yīng)用，因而更迫切地需要能夠?qū)﹄姵啬K熱行為進行控制與管理的熱管理系統(tǒng)。

現(xiàn)已應(yīng)用鋰離子動力電池的部分電動汽車品牌及其電池類型可整理如表1。

圖1 某電動車在高速路上碰撞后起火[14]

表1 部分電動汽車品牌及其電池類型[16]

由表1可以看到，目前應(yīng)用的鋰離子電池組總 電壓高，單體電池電流大。實際應(yīng)用中，動力電池表面的熱流密度一般在103～104數(shù)量級，屬于高熱流密度的電子元件，亟需高效的散熱技術(shù)對其進行控制和管理。與此同時，與一般電子元件不同，應(yīng)用于電動汽車中的電池由多達數(shù)十?dāng)?shù)百個電池串并聯(lián)連接共同工作，電池溫度過高會引發(fā)漏液、失效、著火等情況，嚴(yán)重時還會發(fā)生劇烈燃燒或爆炸，引發(fā)安全事故和人身傷亡。其后果嚴(yán)重性是一般電子散熱問題無法比擬的，應(yīng)當(dāng)予以高度關(guān)注。

1 常用熱管理技術(shù)

動力電池?zé)峁芾淼难芯抗ぷ魇加?0世紀(jì)末。近年來，電動汽車的快速發(fā)展對電池動力性能提出了新的要求，電池?zé)峁芾淼男枨笠踩找嫫惹?。根?jù)采用的傳熱介質(zhì)，主要有基于氣體（空氣）、液體、相變材料或其幾種方式耦合的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)。

1.1 空氣冷卻技術(shù)

由于空氣廉價易得，且對電池沒有腐蝕也不影響電池內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)，應(yīng)用空氣作為換熱流體，對電池進行散/加熱成為最簡易的一種熱管理手 段[17]，也是目前電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)研究中最多的一種冷卻方式。

目前對空氣冷卻式熱管理系統(tǒng)的研究主要包括電池排列方式、電池間距、風(fēng)道、風(fēng)速或風(fēng)量等因素對系統(tǒng)熱管理能力的影響。

天津大學(xué)Xun等[18]對平板型和柱形電池進行風(fēng)冷散熱通道的設(shè)計，主要考慮冷卻通道的緊湊度和散熱效率，運用Fluent和解析法分別計算并對比了相關(guān)結(jié)果。墨爾本大學(xué)Fan等[19]運用Fluent分析板式電池的排列間隔及風(fēng)量大小對于電池散熱效果的影響，研究了常規(guī)等間距排列情況，并提出不均勻間距設(shè)計和單面迎風(fēng)設(shè)計方案。韓國Hyundai公司的Park Heesung[20]運用數(shù)值模擬方法對混合動力汽車的風(fēng)冷式電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)進行風(fēng)道設(shè)計，模擬結(jié)果表明，非同側(cè)進出口位置的設(shè)計能有效地降低電池模塊的最高溫和單體間的溫度差異；附加通風(fēng)口設(shè)計能有效降低壓降，提高空氣流速使得散熱更充分，電池模塊的溫度分布更均勻。Park Sungjin等[21]運用數(shù)值分析方法，考察電池組排列方式對熱管理系統(tǒng)的總耗能影響，分析結(jié)果表明，緊密排列的小間距寬扁型電池組模塊類型總耗能最小，所需冷卻風(fēng)量也最小，達到耗能和風(fēng)量要求的最優(yōu)化設(shè)計。

但隨著鋰離子的電池?zé)嶝?fù)荷越來越大，傳統(tǒng)的強制空冷也已逐漸不能滿足要求。對于大規(guī)模的鋰離子電池來說，由于其熱導(dǎo)率較低，電池排列緊密，電池箱體空間有限，熱傳導(dǎo)的弛豫時間較長，僅用空氣冷卻是不夠的[22]。Wu等[23]通過實驗和仿真指出，鋰離子電池組靠自然對流并不有效，強制對流能在一定程度上緩和電池溫度的升高，但單體間的溫差很大。Sabbah等[24]也指出采用風(fēng)冷系統(tǒng)時電池單體的溫差較大。其次，由于自然對流情況下，風(fēng)的換熱系數(shù)很小，因而實際應(yīng)用時通常需要增加輔助設(shè)備，如風(fēng)機、風(fēng)扇等，從而使得散熱結(jié)構(gòu)過于龐大和復(fù)雜。Nelson等[25]詳細討論了風(fēng)冷系統(tǒng)在混合動力汽車上的應(yīng)用，提出風(fēng)冷系統(tǒng)耗能高，增加了額外的動力設(shè)備；同時需要設(shè)計單體電池之間的平行風(fēng)道，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，降低了其有效的能量密度。

1.2 液體冷卻技術(shù)

考慮空氣與壁面之間的換熱系數(shù)很低，采取高傳熱系數(shù)的換熱流體取代空氣成為強化熱管理系統(tǒng)能力的必然手段。

液體冷卻可以分為直接接觸和非直接接觸兩種方式。非直接接觸式液冷須應(yīng)用水冷套等換熱器件，并需要設(shè)計與電池組整合方可實現(xiàn)冷卻，換熱能力受到損失，系統(tǒng)維護成本大大升高。直接接觸式通常采用換熱系數(shù)高且不導(dǎo)電的換熱流體，常用的有礦物油、乙二醇等。非直接接觸式的液冷系統(tǒng)則可采用水、防凍液等作為換熱工質(zhì)[26]。

液冷方式的主要優(yōu)點有：與電池壁面之間換熱系數(shù)高，冷卻、加熱速度快。主要缺點有：存在漏液的可能；質(zhì)量相對較大；維修和保養(yǎng)復(fù)雜；需要水套、換熱器等部件，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。電動汽車的動力電池模塊成本高，個數(shù)多，質(zhì)量大，體積大。附加的熱管理系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)在不損耗電池本身能量的基礎(chǔ)上盡可能地降低總質(zhì)量，減少額外耗能，實現(xiàn)汽車輕量化的要求；同時熱管理系統(tǒng)還應(yīng)該考慮對電池及其線路的保護，有效延長電池的使用壽命，降低電子電路故障的危險性。由此，液體冷卻不僅需要復(fù)雜的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計以滿足流體的循環(huán)和對漏液的防護，而且需要選擇合適的換熱流體，既保證較高的換熱系數(shù)，又應(yīng)對電池?zé)o腐蝕且不易導(dǎo)電等。這也是目前液體冷卻較少應(yīng)用于電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中的重要原因。

1.3 相變材料冷卻技術(shù)

使用相變材料（phase change material，PCM）作為散熱媒介，成為了一種更輕便且無需增加額外耗能設(shè)備的熱管理系統(tǒng)，得到了普遍關(guān)注。

應(yīng)用了相變材料的熱管理系統(tǒng)是由Selman 等[27]首先提出并獲得專利的。Selman等認(rèn)為，應(yīng)用相變材料進行電池?zé)峁芾?，不僅體積得到有效縮減，散熱效果也比對流散熱效果更為顯著。

此后，Siddique等[28]設(shè)計了PCM熱管理系統(tǒng)對鋰離子電池模塊進行熱管理。分析結(jié)果表明，與風(fēng)冷系統(tǒng)相比，以石蠟/泡沫鋁為復(fù)合相變材料的熱管理系統(tǒng)使電池的溫度下降了25℃，熱管理效果得到有效提升。此外，耦合了翅片散熱與復(fù)合相變材料（石蠟/泡沫鋁）的熱管理系統(tǒng)，可以滿足更為復(fù)雜的工況條件，有效防范鋰離子電池的熱失效情況及其引發(fā)的安全事故。Kizilel等[29]報道了采用相變材料的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)在大電流和高環(huán)境溫度下的性能，比較了室溫和高放電速率（4.4A、8.8A）情況下兩種排列（8×2、4×4）鋰離子電池堆的溫升、溫度均勻性和容量的衰減程度。結(jié)果表明，使用相變材料的電池堆在惡劣條件下的放電是安全的，容量降低的速率減低一半。Sabbah等[24]比較了采用相變材料與采用強制空氣冷卻的鋰電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，結(jié)果表明，極端條件下，強制空氣冷卻的鋰電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)在不使用足夠外部能量時無法將溫度控制在安全范圍內(nèi)，而采用相變材料則能滿足要求。Duan等[30]設(shè)計了兩種PCM熱管理方案：一是PCM以柱狀形式包裹加熱器，二是PCM以套管夾層形式包裹加熱器，并以可視化實驗驗證了以上兩種PCM熱管理方案的可行性，為PCM應(yīng)用于電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的設(shè)計提供了新的思路。

由于相變材料的傳熱系數(shù)低，導(dǎo)熱能力較差，容易導(dǎo)致熱量積聚，在大電流大功率或極端天氣工況下不僅熱管理效率明顯降低，甚至還會因熱量不能及時導(dǎo)出帶來電池堆過熱等一系列安全隱 患[31-34]。因此相變材料一般作為輔助手段與空氣冷卻、液體冷卻等傳統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合以彌補其能力的不足。另外，相變材料體積大、質(zhì)量大，加重了汽車的整體質(zhì)量，增加了電池的運行負(fù)荷，限制了電動汽車輕量化高能量化的進一步發(fā)展。

2 熱管冷卻技術(shù)

目前在對電動汽車動力電池的熱管理中，應(yīng)用熱管作為散熱手段的研究還不多，主要成果尚處于實驗室研究階段，真正投入實際應(yīng)用的幾乎還沒有。研究中已使用的熱管主要包括回路型重力熱管，脈動熱管、燒結(jié)熱管和平板環(huán)路熱管。

文獻[23]報道了利用兩根帶鋁肋片的熱管給鋰離子電池散熱的實驗。實驗中電池的溫度顯著降低，電池表面溫差大大縮小。Jang等[35]采用了回路型重力熱管和風(fēng)冷相結(jié)合的方式對大功率電池進行散熱實驗（圖2）。實驗表明，以水為熱管工質(zhì)時，電池表面溫度低于50℃，而以丙酮為熱管工質(zhì)時電池表面的平均溫度可控制在45℃。Jang等指出，熱管適用于未來的EV（electric vehicle）和HEV（hybrid electric vehicle ）電池?zé)峁芾怼?/p>

Swanepoel等[36]采用了脈動熱管對電池進行熱管理，并將電池放在車后備箱，如圖3所示。其仿真和實驗說明了應(yīng)控制以氨水為工質(zhì)的脈動熱管的寬度d小于2.5 mm，以保證使脈動熱管在電池?zé)峁芾碇械膯右约吧嵝省?/p>

圖2 應(yīng)用回路型重力熱管的電池風(fēng)冷散熱實驗

圖3 置于車后箱中的脈動熱管式電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)

在我國，熱管散熱技術(shù)應(yīng)用在動力電池散熱上報道尚少，應(yīng)用于鋰離子電池系統(tǒng)則更為少見。饒 中浩等[37]設(shè)計了以燒結(jié)熱管為電池散熱的熱管理方式，其實驗裝置可見圖4。實驗結(jié)果說明了在50W熱負(fù)荷條件下，采用燒結(jié)熱管能將系統(tǒng)的溫度控制在50℃以下，在30W條件下系統(tǒng)表面溫差不超過5℃；且在變工況以及循環(huán)測試中，采用了燒結(jié)熱管作為熱管理的系統(tǒng)仍能保證在合理溫度區(qū)間能運行。張維[39]在電動汽車電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的應(yīng)用背景下，研究了微小平板型環(huán)路熱管和相變材料耦合散熱對電池的最高工作溫度和溫度分布的影響。實驗表明，在相同放置方式和相同功率的條件下，微小型環(huán)路熱管和相變材料耦合散熱時，電池的最高溫度保持低于最佳工作溫度上限50℃的時間最長，微小型環(huán)路熱管系統(tǒng)其次，自然風(fēng)冷系統(tǒng)最短。同一個散熱系統(tǒng)，在相同的功率下，豎直放置比水平放置的安全工作時間更長。胡小峰[39]采用無機超導(dǎo)熱管結(jié)合汽車行駛過程中高速流動的空氣對圓柱型鋰離子電池進行散熱，在放電電流為5A、7.5A、10A等條件下進行無機超導(dǎo)熱管冷卻電池實驗，電池表面最高溫度不超過50℃，并對比了風(fēng)冷強制散熱與自然對流散熱的不同效果，論證了無機超導(dǎo)熱管散熱系統(tǒng)的散熱效果的可行性。同時采用Fluent對所設(shè)計模型進行的仿真結(jié)果也與實驗結(jié)果吻合良好。齊曉霞等[40]指出，熱管是一種較好的熱橋，其多樣化的形式和靈活的布置位置，若結(jié)合其他強制冷卻方式能獲得較好的效果，尤其是小型熱管技術(shù)的發(fā)展能給動力電池的安全長效運行帶來更大的發(fā)展 空間。

3 結(jié)語與展望

圖4 應(yīng)用脈動熱管的電池風(fēng)冷散熱實驗

相對其他動力電池，鋰離子動力電池對工作溫度要求更為苛刻，在中小倍率長時間充放電以及大倍率短時間充放電情況下產(chǎn)熱量都很大，嚴(yán)重影響 電池的正常運行，甚至危及汽車安全?？v觀現(xiàn)有的熱管理技術(shù)可以發(fā)現(xiàn)，單一的傳統(tǒng)冷卻手段難以滿足鋰離子動力電池的散熱要求，綜合運用兩種或多種熱管理技術(shù)的復(fù)合型熱管理系統(tǒng)將成為未來解決鋰離子電池?zé)岚踩詥栴}的主流。同時，目前應(yīng)用的熱管理系統(tǒng)主要從散熱能力出發(fā)，較少考慮熱管理系統(tǒng)對電池系統(tǒng)甚至整車環(huán)境的影響，導(dǎo)致現(xiàn)有的熱管理系統(tǒng)存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、質(zhì)量和體積過大等缺陷，不僅不利于電池箱體設(shè)計，不利于電池箱體在整車內(nèi)的布置，而且復(fù)雜沉重的系統(tǒng)給電池增加了額外的功耗，也不適用于未來汽車輕量化的發(fā)展 趨勢。

因此，未來的鋰離子動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)研究應(yīng)兼顧減小體積和質(zhì)量，簡化結(jié)構(gòu)和安裝，降低二次能耗等幾個方面。建議具體措施如下。

（1）開發(fā)超薄型熱管技術(shù)。超薄型熱管能夠與電池緊密接觸，同時減小了體積與質(zhì)量，使得整個電池模塊結(jié)構(gòu)緊湊，便于整車設(shè)計和安裝。

（2）發(fā)展超薄型熱管與相變材料耦合的熱管理技術(shù)。應(yīng)用相變材料潛熱蓄能的優(yōu)點，與超薄型熱管耦合可提高熱管理系統(tǒng)的熱容，做到高溫時散熱，低溫時保溫，保障電池始終工作于合理的溫度區(qū) 間內(nèi)。

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