張艷崗，郭旭旭，薛文陽，張志文，梁君飛，*，王華

(1. 中北大學 能源與動力工程學院，太原 030051； 2. 北京航空航天大學 化學學院，北京 100191)

發(fā)展電動汽車（electric vehicle）對于解決能源危機和促進汽車工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義，是當下世界各國重點支持的戰(zhàn)略方向之一。而動力電池系統(tǒng)作為電動汽車最重要的核心部件，其動力性能和安全可靠性的提升是發(fā)展電動汽車的關鍵所在，也是電動汽車進一步規(guī)模化發(fā)展的重大需求。動力電池系統(tǒng)中，由于鋰離子電池具有能量密度高、比功率大、質量輕、自放電率低、可回收性好、循環(huán)壽命長等優(yōu)點，其被認為是目前電動汽車最適合的蓄電儲能裝置，已成為各國科學界和工業(yè)界研究的重要方向。

動力電池系統(tǒng)性能的提升離不開單體電池性能的提升，單體電池能量密度的提高對于電池系統(tǒng)動力性能和續(xù)航能力的提升具有重要意義，而單體電池能量密度的提高會不可避免地造成電池充放電過程中生熱量和生熱速率急劇增加，這會顯著影響單體電池的工作性能，甚至引發(fā)嚴重的安全性問題。另外，為了提供充足動力，電動汽車需要大量單體電池成組工作，電池組性能不一致性和溫度不一致性的耦合作用會進一步惡化電池工作環(huán)境，甚至引發(fā)熱失控等安全問題。此外，惡劣環(huán)境溫度和高倍率充放電情況下的單體電池性能衰減，單體不一致性引發(fā)的電池模組熱失控及熱蔓延，以及不同車載工況下電池箱體的機械可靠性等問題，使得電池系統(tǒng)多源可靠性評價異常困難。動力電池系統(tǒng)的熱安全設計不僅貫穿于長時間尺度下的電池系統(tǒng)全生命周期，同時在單體、模組、系統(tǒng)等不同空間尺度下的失效機理和熱安全設計機制均不相同，高性能長壽命的動力電池系統(tǒng)設計不再是單尺度、單物理場、單學科、單目標的設計優(yōu)化問題，而是長時間多空間尺度下從電池單體、模組到系統(tǒng)的跨尺度集成優(yōu)化問題，迫切需要從系統(tǒng)耦合與集成的角度研究動力電池系統(tǒng)的熱安全設計理論與方法。

針對上述問題，本文從單體電池生熱、模組溫度均一性、電池系統(tǒng)安全可靠性3 個方面總結了動力電池熱安全設計的最新進展，歸納了鋰離子動力電池系統(tǒng)熱安全設計亟待解決的關鍵問題，并給出了可行的解決方案，力求為電池系統(tǒng)動力性能和安全可靠性提升提供有益的借鑒和參考。

1 單體電池生熱機理及模型

單體電池生熱規(guī)律分析及溫度在時間域和空間域上的表征，是單體電池熱失控抑制、電池模組熱管理系統(tǒng)設計及電池系統(tǒng)熱失控抑制的關鍵基礎。電池生熱散熱過程是一個典型的有時變內熱源的非穩(wěn)態(tài)導熱過程，其生熱特性由電化學反應和電熱轉換過程決定。如式（1）所示，鋰離子電池生熱主要來源有反應熱Qf（由化學反應產生）、歐姆熱Qn（帶電粒子的焦耳熱效應產生）、極化熱Qp（因極化現象造成電位差而產生）和副反應熱（充放電過程中電池材料分解產生）等。其中，副反應熱是電池非正常工作狀態(tài)下產生的，且數值很小，計算中常被忽略[1]。

式中：電池內阻Rt=Rn+Rp，Rn為歐姆內阻，Rp為極化內阻，Ω；n為電池數量；m為電池電極的質量，g；Q為電池的電化學反應熱，J；I為充放電電流，A；F=96 484.5 C/mol 為法拉第常數；M為摩爾質量,g/mol。

Bernardi 等[2]提出的生熱速率模型是目前應用最為廣泛的計算模型，該模型的表達式為

式中：I為充放電電流，放電為正，充電為負；Vb為電池體積；EVOC和U分別為電池的開路電壓和工作電壓；T為電池溫度；dE/dT表示可逆反應熱；Rohm為歐姆內阻；q為總生熱量。由生熱速率公式可知，電池產熱主要與電流和電池內阻有關。

鋰離子電池生熱規(guī)律分析主要依賴于數值模擬和實驗研究，輔助以實驗手段的單體生熱模型準確構建是鋰離子電池生熱特性分析及后續(xù)熱管理系統(tǒng)設計的重要基礎。目前，對鋰離子電池熱模型的研究按其建模原理可分為電-熱耦合模型、熱濫用模型和電化學-熱耦合模型。

1.1 電-熱耦合模型

電-熱耦合模型主要基于等效電路原理，在分析電池內阻與電池工作狀態(tài)的變化關系基礎上研究電池的焦耳熱，進一步對充放電過程中的電模型進行實時調整。Wang 等[3]分別采用混合脈沖動力特性和電化學阻抗譜2 種方法對電池充放電產熱行為進行了研究，指出不可逆歐姆熱是電池主要生熱來源；宋文吉等[4]進一步借助分層結構的電-熱耦合模型，分析了鋰離子電池溫度分布和電-熱變化規(guī)律，并基于該模型優(yōu)化了電池極耳結構；姜水生等[5]通過建立電-熱耦合模型，分析了電池單體電流密度及生熱速率在電芯上的分布規(guī)律，并基于該模型優(yōu)化了熱管理系統(tǒng)；Barcellona 和Piegari[6]提出一種集成了電池環(huán)境因素的電-熱模型，來預測電池單體的熱行為，為電-熱耦合模型研究指明了新的方向；Pan 等[7]提出了一種偽三維多節(jié)點耦合的電-熱耦合模型，可以實時預測電池內部和表面的溫度場，在較寬的工作范圍內具有良好的精度，對于電池熱管理系統(tǒng)（battery thermal management system,BTMS）設計具有很好的參考價值；Xie 等[8]通過建立鋰離子電池的電-熱耦合模型來預測不同放電電流和環(huán)境溫度條件下的產熱行為，可以準確預測電池溫度分布狀態(tài)。

綜上所述，電-熱耦合模型由于忽略了電池內部實際反應過程，集流體被考慮為隨時間變化的電阻。因此，該模型常被用于電池外形的布置和優(yōu)化等方面，以及電池組、電池箱結構和BTMS 的設計。

1.2 熱濫用模型

熱濫用模型是在傳統(tǒng)模型的基礎上，考慮了異常工作狀態(tài)下的生熱副反應狀態(tài)，如高溫、短路、擠壓和過充等工況。如圖1 所示[9]，鋰離子電池生熱副反應主要包括固體電解質界面（solid electrolyte interface, SEI）膜分解、負極副反應、電解質分解、正極副反應和嵌鋰態(tài)負極相關反應。熱濫用模型主要搭建副反應與溫度間的聯系，通過高溫加熱、短路、擠壓和過充等方式誘發(fā)熱失控，進而模擬電池在熱濫用條件下的熱特性規(guī)律。

圖1 鋰離子電池熱失控過程[9]Fig. 1 Thermal runaway process of lithium-ion battery[9]

Lai 等[10]針對內部短路引發(fā)的熱失控問題，總結了目前熱失控機理和演化過程研究的熱濫用模型，并展望了內部短路引發(fā)的熱失控研究的關鍵技術；Yuan 等[11]基于熱濫用模型論證了在單體電池間隙填充石墨復合和鋁擠壓材料來實現熱失控蔓延抑制的有效性；Feng 等[12]基于熱濫用模型分析了粒子形態(tài)、摻雜比例、涂層策略、電池的格式和內部短路電流等因素對電池熱穩(wěn)定性的影響規(guī)律，指出了熱失控抑制的關鍵特性表征方法；Li 等[13]研究了不同荷電狀態(tài)下的大容量鋰離子電池的熱失控及蔓延行為，結果表明，較低的電池荷電狀態(tài)可以顯著減輕電池模塊的燃燒和傳播危害；Lai 等[14]基于熱濫用模型，對加熱、穿釘和過充3 種觸發(fā)狀態(tài)下的鋰離子電池模塊快速熱失控傳播行為進行了研究和比較，提出了改善電池組結構來抑制或延遲熱失控傳播的電池熱失控抑制策略；Ren 等[15]通過構建過充熱濫用模型，研究表明不同過充電電流對電池熱失控特性影響不大；Huang 等[16]針對三元鎳鈷錳鋰電池 (LiNixCoyMnzO2, NCM)和三元磷酸鐵鋰電池(LiFePo4, LPF)電池的熱失控傳播特性進行了分析，指出三元NCM 電池的熱失控持續(xù)時間和最高溫度要高于三元LPF 電池，傳播更具有危險性，為電動汽車電池和儲能電池/模塊的安全設計提供了較高的借鑒價值。因此，熱濫用模型較好地預測了電池熱失控和熱擴散，進而為電池單體、模組的熱安全設計提供技術支持。但由于該模型未能綜合考慮各種副反應與電池電化學參數之間的耦合關系，以及高溫環(huán)境對電池實際物理結構的影響，導致熱濫用模型對于電池結構改進及電化學性能優(yōu)化的指導價值有限。

1.3 電化學-熱耦合模型

電化學-熱耦合模型主要基于鋰離子電池工作時鋰離子濃度、電流密度和電勢分布結合能量守恒定律，來分析不同時域位置的各組分生熱率，進而通過傳熱邊界計算各組分溫度場。該模型充分考慮了電池的實際運行機理，相比于電-熱耦合更能精確表征電池的生熱傳熱狀態(tài)[17]。Doyle 和Newman[18]提出的準二維電化學-熱耦合模型（pseudo-two-dimensions, P2D）可以較準確表征鋰離子電池電化學動力學行為，具有計算精度高的優(yōu)點，但存在計算效率低的不足；龐輝[19]針對上述不足，提出了簡化準二 維(simplifified pseudo-two dimensions, SP2D)模型，在保證計算精度的同時計算效率提高了90%，使得該模型得以廣泛應用；Han 等[20]利用建立的電化學-熱耦合數值模型，分析了環(huán)境溫度對電池放電電壓和放電深度的影響規(guī)律；Liu 等[21]基于所構建的電化學-熱耦合模型，分析了電極結構參數、材料性能參數和動力學參數等參數對NCM811 軟包電池的電化學特性的影響規(guī)律；Lin 等[22]基于電化學-熱耦合模型首次探討了平均比熱容和變比熱容在計算NCM/石墨材料瞬時產熱功率時的差異，研究表明，在低溫范圍(25～35 ℃)使用平均比熱容產生的誤差較大；Chen 等[23]提出一種新的紐扣電池微量熱法，基于三維電化學-熱耦合模型對NCM111材料在不同電流速率下的產熱狀態(tài)進行了高精度的研究，指出電流和極化是造成高電流速率下產熱率快速增加的主要因素；之后，Chen 等[24]又利用電化學-熱耦合模型進一步從電極厚度、電流速率和溫度3 個方面研究了電極的電化學性能和熱行為，指出充電過程比放電過程對電流速率的變化更敏感；清華大學歐陽明高院士團隊[25]采用等效短路內阻的方法，基于實驗測試搭建了包含內短路的三維電化學-熱耦合模型框架（見圖2），為從數值模擬角度構建計及電池微觀結構和熱失控觸發(fā)的三維電化學-熱耦合模型奠定了重要基礎。

圖2 含內短路的三維電化學-熱耦合模型[25]Fig. 2 3D electrochemical-thermal coupling model with internal short circuit[25]

綜上所述，電化學-熱耦合模型考慮了電芯內部反應物濃度和電流密度分布導致的生熱空間性和時變性，可以較準確地模擬電池溫度場，但目前的電化學模型通常以Newman 和Doyle[26]提出的P2D電化學模型為主，該模型由于忽略了電池密度分布的差異性，導致大型電池熱性能分析精度較差；同時，無論是電池單顆粒模型、P2D 模型還是三維模型，均一化參數模型由于忽略了電池電極材料及微觀結構與電池放熱性能的相互影響，而未能指導電池材料及結構的具體設計。從電化學反應和電流分布出發(fā)的分布參數熱模型，可以精確表征單體電池內部生熱狀態(tài)、外部溫度場分布，進而指導單體電池的精益設計，同時對電池模組溫度均一性分析及性能提升具有重要意義。

2 長時間尺度下電池單體熱安全

動力電池系統(tǒng)的熱安全設計貫穿于整個電池系統(tǒng)全生命周期，其在單體、模組、系統(tǒng)等不同空間尺度下的熱失效機制均不相同。電池單體作為電池系統(tǒng)構成的基本單元，其熱安全性設計是動力電池系統(tǒng)熱安全設計的核心和基礎。長時間尺度下電池單體熱安全設計主要包括長時間尺度下電池材料改性等本征安全設計，以及長時間尺度下電池單體荷電狀態(tài)和容量受環(huán)境壓力、高溫循環(huán)等因素影響的被動熱安全設計。

2.1 長時間尺度下電池單體本征安全設計

熱濫用是引發(fā)電池單體安全性問題的關鍵誘因之一，通過電極材料、電解液隔膜、電解液等電池單體性能改進方法可以有效提高電池材料在長時間尺度下的熱穩(wěn)定性，進而提升電池的熱安全性。因此，長時間尺度下鋰離子電池單體本征安全研究對于電池熱安全設計具有非常重要的意義。邵丹等[27]分別從正極材料、負極材料、電解液隔膜和電解液的角度總結了電池單體熱安全性能提升的方法，指出通過正極材料表面涂層可以防止正極高溫分解，同時避免與電解液直接接觸，電解液添加優(yōu)化劑是提高SEI 膜的穩(wěn)定性從而解決鋰枝晶析出問題的有效手段，采用高阻燃性能材料可以有效提高電池單體的熱穩(wěn)定性，進而提升電池單體在長時間尺度下的本征安全；Wu 等[28]進一步探索了電極、電解質和電解液隔膜等材料性能對電池熱穩(wěn)定性性能的影響規(guī)律，研究表明，選擇不易分解材料的SEI 膜、電解質中添加燃燒抑制劑、采用電極材料涂覆包裹等方法是提高長時間尺度下電池單體本征安全性能的有效途徑，通過對正極材料的表面進行包覆涂層可以有效改善其熱穩(wěn)定性，對于負極材料熱穩(wěn)定性的改善，目前研究及應用較廣泛的手段是采用原子層沉積法[29]對負極進行包覆；Zhai 等[30]在總結歸納隔膜材料的研究進展及其應用現狀的基礎上，指出減小隔膜厚度、開發(fā)智能隔膜、研制高熱穩(wěn)定性的新型隔膜材料是未來從隔膜角度熱安全設計的主要方向；Taniguchi 等[31]指出如鈦酸鋰等高熱穩(wěn)定性的新型負極材料可以有效提高電池的本征安全性，電解質熱穩(wěn)定性的改善主要依賴于在碳酸鹽電解質中加入添加劑或者開發(fā)新的電解質鹽，以及開發(fā)優(yōu)化的新型電解質系統(tǒng)；Wu 等[32]探索了陰極-電解質界面(cathode electrolyte interphase,CEI)對陰極熱穩(wěn)定性能的影響規(guī)律，為未來電池單體本征熱安全設計提供了新的思想。

2.2 長時間尺度下電池被動熱安全性設計

對于長時間處于工作狀態(tài)下的電池，環(huán)境壓力、高溫循環(huán)等因素嚴重影響著電池單體的荷電狀態(tài)、容量及壽命，而荷電狀態(tài)、容量及壽命是決定電池單體熱安全性能的關鍵因素。因此，電池單體的熱安全設計除了電池材料改性等本征安全設計外，長時間尺度下電池被動熱安全性設計同樣重要。Chen 等[33]基于實驗分析了環(huán)境壓力對不同陰極和不同荷電狀態(tài)鋰離子電池熱失控和起火行為的影響，發(fā)現環(huán)境壓力對熱失控后的燃燒熱有著顯著影響；Song 等[34]等基于18650 電池的充放電循環(huán)實驗，研究了長時間狀態(tài)下循環(huán)老化和環(huán)境壓力對鋰離子電池的熱安全特性的影響規(guī)律，結果表明，低壓循環(huán)老化電池更容易觸發(fā)熱失控，隨著循環(huán)次數的增加或外界壓力的降低，熱失控的開始時間和溫度均降低，氣體釋放到點火的間隔時間隨著循環(huán)次數的增加而減少，而燃燒時間隨著壓力的降低而增加；汪宜秀等[35]分析了工作區(qū)間對電池老化的影響及電池組性能一致性演變問題，提出了優(yōu)化最差單體工作區(qū)間的壽命均衡策略，為電池組性能均衡研究提供了新的方向；Alastair 等[36]提出了利用散熱系數的概念來表征電池單體散熱效果，并研究了對于特定的電池單體的散熱措施；任東生等[37]研究指出負極析鋰是影響電池單體熱安全性能的重要因素，分析了長時間狀態(tài)下循環(huán)老化和儲存老化對電池安全性能的影響關系，指出儲存老化后電池熱濫用性能有一定提升，但儲存老化過程中產生的氣體一定程度上影響著電池安全；Xu 等[38]通過研究電池全生命周期中荷電狀態(tài)、電池健康度（state of health, SOH）、溫度一致性對動力電池系統(tǒng)安全性能的影響規(guī)律，提出了動力電池系統(tǒng)性能矩陣的概念，并通過對鋰離子電池進行了1 000 次循環(huán)充放電實驗來驗證了基于狀態(tài)空間的性能矩陣能夠描述電池系統(tǒng)安全狀態(tài)的動態(tài)變化，該研究可以為長時間尺度下電池被動熱安全性設計提供方法參考。

綜上所述，電池單體熱安全設計是電池系統(tǒng)熱安全設計的重要基礎，不論是電池材料改性的本征安全設計，還是電池單體的被動安全設計，都必須重點關注長時間尺度下的電池單體性能、狀態(tài)的動態(tài)演變過程，從而保證電池單體在長時間工作狀態(tài)下的熱安全性能，進而為電池模組和電池系統(tǒng)的熱失控及熱蔓延抑制奠定基礎。

3 電池模組溫度均一性分析

為了提供充足動力，電動汽車需要大量單體電池成組工作，成組后的電池性能受最差的單體性能限制，電池模組的溫度不一致性問題是電池容量利用率降低的主要影響因素，同時極易降低電池系統(tǒng)的壽命和熱安全性。高效BTMS 設計是解決鋰離子電池模組溫度不一致性問題的有效手段，尤其是對于高/低溫等極限工況下電池模組的溫度均一性、熱失控及蔓延抑制等問題。為解決電池模組的熱安全性難題，國內外學者對于熱管理系統(tǒng)的研究主要集中在空氣冷卻、液體冷卻、相變材料（phase change materials, PCM）冷卻、熱管冷卻、微通道冷卻等,以及上述熱管理系統(tǒng)的組合系統(tǒng)設計。

3.1 空（風）冷熱管理系統(tǒng)

空冷熱管理系統(tǒng)主要是利用電池單體間隙中的空氣流動帶走電池的部分熱量來降低電池的表面溫度。為了提高散熱效果，常常需要大量的空冷系統(tǒng)管道和整體尺寸較大的閥體結構，同時風機能耗偏高，這一特點嚴重限制了空冷熱管理系統(tǒng)在更大容量、更大航程電動汽車中的應用[39]?？绽湎到y(tǒng)可以分為自然對流和強制對流，自然對流屬被動冷卻，強制對流屬主動冷卻，為了提高電池模組溫度均一性，更多關于空冷熱管理系統(tǒng)的研究集中在優(yōu)化氣流通道和電池組布局方面。Fan 等[40]基于實驗對比分析了空冷熱管理系統(tǒng)的對齊、交錯和交叉布局的散熱效果，指出同等邊界條件下交叉布局的散熱效果更好；Chen 等[41]利用計算流體力學方法和實驗設計優(yōu)化了并聯風冷BTMS 中電池組的電池間距分布，進而提高了系統(tǒng)的冷卻效率，該方法可以為空冷系統(tǒng)結構優(yōu)化提供借鑒；Liu 等[42]提出了一種新的細水霧(water mist, WM)控制策略，利用WM 液滴的蒸發(fā)潛熱與空冷熱管理系統(tǒng)相結合，實現電池模組散熱效率的提升，但空冷系統(tǒng)復雜、冷卻速度慢的不足依然沒有解決；Chen 等[43]結合計算流體模擬方法和非支配排序遺傳算法對風冷散熱模型實現了多目標優(yōu)化，使得空冷系統(tǒng)散熱效率得到有效提高，將計算流體模擬方法與優(yōu)化算法的優(yōu)勢結合起來進行空冷熱管理系統(tǒng)的多目標優(yōu)化是當前空冷熱管理系統(tǒng)設計及性能優(yōu)化的有效手段。

空冷熱管理系統(tǒng)雖然具有結構簡單、經濟性好的優(yōu)勢，但存在導熱系數低、冷卻速度慢、溫度均勻性差的缺點，很難滿足鋰離子電池高倍率充放電的需求。此外，空冷系統(tǒng)主要依靠空氣流動來降低溫度，而無法在寒冷的極端條件下為電池模組提供合適的工作平臺。因此，空冷熱管理系統(tǒng)與其他熱管理系統(tǒng)的復合使用是BTMS 發(fā)展的趨勢之一。

3.2 液冷熱管理系統(tǒng)

液冷熱管理系統(tǒng)是一種導熱系數高、冷卻效率高的熱管理系統(tǒng)，已經在部分電動汽車上得到廣泛應用，但這類系統(tǒng)結構相對復雜，對于冷卻劑的絕緣密封、無毒、化學穩(wěn)定、阻燃等性能要求較高。Karimi 和Li[44]的研究指出硅油比空氣有更好的冷卻效果，目前的研究多選用硅油和礦物油作為冷卻劑[45]，將電池組浸入冷卻液中進行整個表面的冷卻有助于提高電池組溫度均勻性，減少局部熱效應，但帶來了冷卻液阻燃性能要求提高和電池組質量、成本大幅增加的不足；羅玉濤等[46]將變壓器油作為冷卻劑，實驗結果表明，該方法可以對于4 C 放電速率下的冷卻效果較好，但冷卻過程中變壓器油的溫度無法控制；Wang 等[47]設計了一個基于導熱硅片和水通道的冷卻系統(tǒng)，通過實驗證明導熱硅片可以有效增強液冷系統(tǒng)的散熱性能，為液冷熱管理系統(tǒng)設計提供了新的思路。

對于液冷熱管理系統(tǒng)而言，除了冷卻液性能優(yōu)化外，冷卻通道的布局及結構優(yōu)化設計是提高電池熱管理性能的另一個重要研究方向，主要出現了冷板型、翅片型、微通道型等通道設計及優(yōu)化。Qian 等[48]利用數值模擬方法分析了通道數量、進口質量流量、通道流向和通道寬度對微通道液冷熱管理系統(tǒng)性能的影響，優(yōu)化了上述結構參數；茍飄等[49]針對高溫環(huán)境下的鋰離子電池性能退化、熱失控等問題，提出了一種鋰離子電池模塊化液體冷卻系統(tǒng)，論證了并聯方式相比于串聯方式在冷卻效率方面的優(yōu)勢；Zhao 和Jiang[50]研究了蛇形通道液冷系統(tǒng)中電池組內的溫度均一性能，指出縮短多蛇紋石通道的流道，增加流動方向蛇紋石通道的接觸面積，可以有效提高模組的溫度均一性；Deng 等[51]進一步探討了通道數量、通道布置和冷卻劑進口溫度對蛇形通道液冷系統(tǒng)性能的影響，得出了通道數超過5 個冷卻效率沒有提高，長度布置效果更好，冷卻劑進口溫度影響不大的結論；Rao 等[52]將鋁塊與冷卻通道相結合，擴大了液冷系統(tǒng)與圓柱形電池之間的傳熱區(qū)域，有效提高了電池組溫度均一性能；Saw 等[53]通過實驗和數值模擬研究了常規(guī)干空氣冷卻和薄霧冷卻的熱性能，證明了噴霧冷卻系統(tǒng)的優(yōu)良冷卻性能，該系統(tǒng)可為鋰離子電池液冷熱管理系統(tǒng)提供一種替代方案。

相比于空冷系統(tǒng)，液冷系統(tǒng)散熱效率有了明顯提升，而且電池組溫度分布更加均勻，但液冷系統(tǒng)結構較為復雜，且對電池包的密封性有著極高的要求，將液冷系統(tǒng)的成熟應用技術與其他熱管理系統(tǒng)有效結合起來是電動汽車規(guī)模發(fā)展的趨勢之一。

3.3 熱管冷卻系統(tǒng)

熱管冷卻系統(tǒng)是一種無外部動力驅動的相變換熱裝置，主要利用管內介質的相變過程來傳遞熱量，因而可以在溫差較小的情況下傳遞大量的熱量，使得電池的溫度維持在一個穩(wěn)定范圍內。由于其導熱性好的優(yōu)勢，熱管冷卻系統(tǒng)已經在鋰離子電池中逐步開始應用，成為當前研究熱點之一。Yao 等[54]提出了一種新型微熱管陣列熱管理系統(tǒng)，探索了極端工況下新型微熱管陣列熱管理系統(tǒng)的應用效能，實現了電池組更長的循環(huán)壽命和更強的動力性能，有望進一步支持BTMS 的發(fā)展；Ye 等[55]設計了3 mm微熱管陣列熱管理系統(tǒng)，使電池在高/低溫下的衰減得到了明顯降低，同時有效緩解了局部的熱失控問題，可為極端工況下電池模組的熱安全性能提升提供有益借鑒；Zhang 等[56]對比分析了熱管冷卻系統(tǒng)、熱管熱電組合系統(tǒng)的散熱性能，分析表明，組合系統(tǒng)的熱管理性能更好；Ouyang 等[57]提出了一種利用熱管作為熱母線來高效散熱的智能BTMS，獲得了較好的溫度跟蹤性能和能源利用率，為熱管冷卻系統(tǒng)設計應用提供了新的思路。由此可見，相比于空冷、液冷系統(tǒng)，熱管冷卻系統(tǒng)對于電池單體的散熱性能，尤其是模組溫度均一性能的提升方面具有很大優(yōu)勢，而且熱管系統(tǒng)可以滿足電池組高溫散熱和低溫預熱的雙工況需求，是BTMS重點研究方向之一，但受布置和體積的限制，目前未在電動汽車領域得到應用。將熱管冷卻系統(tǒng)的上述優(yōu)勢與其他熱管理系統(tǒng)結合起來是BTMS 的發(fā)展趨勢之一。

3.4 基于相變材料的復合熱管理系統(tǒng)

PCM 熱管理系統(tǒng)是一種利用相變潛熱的吸收和釋放來對電池系統(tǒng)進行散熱和預熱的被動冷卻系統(tǒng)，其具有體積變化小、潛熱大、相變熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點，但由于熱傳導能力差、熱管理系統(tǒng)力學性能不穩(wěn)定等不足，新型復合相變材料(composite phase change materials，CPCM)的設計制備與基于PCM 的復合熱管理系統(tǒng)設計是PCM 熱管理系統(tǒng)研究的重點方向。Zou 等[58]設計制備了一種新型的防漏高導熱CPCM，使電池溫度均勻性得到了明顯改善，CPCM 的設計逐步成為了研究熱點；Zhang 等[59]研發(fā)了一種熱管、泡沫銅和PCM 相結合的新型分離型PCM，相比于自然對流、強制對流和基準PCM模式，復合熱管理系統(tǒng)使得模組的溫度均一性得以進一步提升；Jilte 等[60]提出了一種雙層納米顆粒增強PCM，指出采用多層PCM 跨徑向布置的散熱效果更好，可為納米PCM 的設計優(yōu)化提供方向性借鑒；Zhang 等[61]研制了一種以石蠟、膨脹石墨、聚磷酸銨、紅磷和環(huán)氧樹脂組成的新型電池模塊阻燃復合材料PCM，并從宏觀和微觀2 方面對其熱物理性能和阻燃性能進行了研究，在18650 三元鋰離子電池中得到成功應用；Chen 等[62]從電池熱狀態(tài)和循環(huán)壽命2 方面評估了主動空冷和被動PCM 冷卻性能，指出將PCM 和主動空冷系統(tǒng)混合是提高鋰離子電池溫度均一性和延長服役時間的有效途徑之一。

由此可見，基于PCM 的BTMS 通常具有相變潛熱大、溫度波動小且系統(tǒng)結構簡單的優(yōu)勢，但該系統(tǒng)為被動冷卻，需要及時將熱量排出，否則將導致冷卻系統(tǒng)失效。因此，PCM 熱管理系統(tǒng)研究中常常將PCM 與泡沫金屬、碳基材料進行復合，或將PCM 系統(tǒng)與其他冷卻系統(tǒng)耦合形成復合熱管理系統(tǒng)，以提高其散熱能力和力學性能。

3.5 混合熱管理系統(tǒng)

由前述熱管理系統(tǒng)研究現狀可知，單一熱管理系統(tǒng)已經很難滿足鋰離子動力電池系統(tǒng)的需求。相比單一的熱管理系統(tǒng)，混合熱管理系統(tǒng)使得模組溫度均一性能得到很大程度的提升，但也帶來了熱管理系統(tǒng)龐大復雜的難題。Lyu 等[63]設計了基于熱電冷卻、強制空冷和液冷的組合熱管理系統(tǒng)，實驗結果表明，混合系統(tǒng)的冷卻效果良好，然而系統(tǒng)復雜性帶來了可靠性降低的風險；Tang等[64]為緩解傳統(tǒng)電池系統(tǒng)固有的溫度梯度問題，將平板熱管與液體冷卻相結合，提出了一種往復冷卻策略，結果表明，往復冷卻策略可以有效降低電池模塊的溫度差和溫升；王亮等[65]設計了一種冷卻、導熱和蓄熱相結合的混合熱管理系統(tǒng)，并利用優(yōu)化算法實現了電池間距、導熱結構、蓄熱結構等系統(tǒng)參數的優(yōu)化。將空氣冷卻、液體冷卻、熱電冷卻等多個單一熱管理系統(tǒng)集成的混合熱管理系統(tǒng)具有冷卻效率高的優(yōu)勢，但系統(tǒng)龐大及復雜性加劇，不能實現低溫環(huán)境下的預熱功能，因此，越來越多的混合熱管理系統(tǒng)更多集成了PCM 熱管理系統(tǒng)，取得了不錯的效果。

Huang 等[66]設計了一種新型的平板熱管輔助PCM的BTMS，分析了該系統(tǒng)相比于純PCM、熱管耦合空氣熱管理系統(tǒng)和熱管耦合液體熱管理系統(tǒng)的優(yōu)勢；Chen[67]等將熱管和PCM 熱管理進行耦合，基于環(huán)境參數、熱管參數和PCM 參數對BTMS 冷卻性能進行了優(yōu)化，系統(tǒng)性能得到顯著提高；Putra 等[68]提出了一種L 型翅片熱管和PCM 復合的電池模塊被動冷卻系統(tǒng)，通過實驗設計了25～55 ℃溫度范圍內的最佳PCM 材料；Kong 等[69]提出了一種集成PCM 和液體冷卻的新型BTMS，利用COMSOL 軟件分別使用空氣冷卻、液體冷卻、相變冷卻和混合冷卻，結果表明，混合冷卻系統(tǒng)的散熱性能較優(yōu)；Yuan 等[70]提出了一種具有散熱和加熱功能的微通道液冷、PCM、熱管、導熱膠混合熱管理系統(tǒng)，并實驗和仿真驗證了其有效性；Zhang 等[71]提出了一種基于PCM 和液體冷卻的新型混合BTMS，該系統(tǒng)不僅可以實現電池極端工況的高效熱管理，而且解決了傳統(tǒng)PCM 熱管理在循環(huán)工況下吸熱飽和而導致性能惡化的問題。

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由于各類熱管理系統(tǒng)集成過程中不可避免地涉及熱流固等多物理場的耦合問題，傳統(tǒng)數值模擬方法在進行混合熱管理系統(tǒng)的仿真分析時遇到了技術瓶頸，更多學者著力于混合熱管理系統(tǒng)仿真模型的構建研究。朱波等[72]在某CPCM 中嵌入了冷卻管道，利用冷卻液流動過程中與PCM 實現了熱量交換，通過AMESIM 軟件搭建了復合熱管理系統(tǒng)模型，進行了相變散熱、輔熱、高溫散熱3 種情況的研究，驗證了這一復合模型的正確性；黃偉男等[73]提出一種用于溫度-性能均一性耦合的電-熱協同仿真方法，利用Modelica 語言和CFD 軟件構建了溫度閉環(huán)的協同仿真模型，通過零維電路模型與三維熱路模型的耦合為電池性能與溫度耦合仿真提供了新的思路；王屹航等[74]將孔隙網絡模型的跨尺度多物理場耦合優(yōu)勢應用到電池組熱管理系統(tǒng)優(yōu)化中（見圖3），取得了較好效果，為電池系統(tǒng)單體-模組跨空間尺度分析提供了新的思路。

圖3 基于孔隙網絡模型的跨尺度耦合熱管理系統(tǒng)[74]Fig. 3 Cross-scale coupled thermal management system based on pore network model[74]

綜合上述研究現狀，針對電池模組溫度不一致性難題，空氣冷卻、液體冷卻、相變冷卻、熱管冷卻等單一熱管理系統(tǒng)在不同領域得到了一定應用，但依然存在冷卻效率低、系統(tǒng)結構復雜等帶來的可靠性難題，尤其是未完全解決大功率動力電池組熱安全問題。多類型熱管理系統(tǒng)的混合設計與性能優(yōu)化技術的有效結合是動力BTMS 設計的發(fā)展趨勢，同時BTMS 設計需要進一步考慮單體電池及模組的溫度一致性動態(tài)演變問題，如何建立單體與模組之間的熱信息（熱量、溫度、熱傳導效率等）交互是高可靠性復合熱管理系統(tǒng)研究及應用的關鍵問題之一。

4 電池系統(tǒng)安全可靠性分析

動力電池系統(tǒng)作為電動汽車的關鍵部件，其安全性設計不僅要防止系統(tǒng)內單體電池的熱失控和電池模組的熱蔓延問題，同時還要承受由于路面載荷傳遞而來的各種激勵引發(fā)的電池系統(tǒng)擠壓、碰撞針刺等機械可靠性問題。因此，動力電池系統(tǒng)可靠性提升的核心是貫穿電池單體-模組-系統(tǒng)的跨空間尺度的安全性設計。

4.1 電池系統(tǒng)熱失控及熱蔓延抑制

動力電池安全本質是電池熱失控及熱蔓延抑制，有各種不同原因會導致電池安全事故發(fā)生，如熱濫用原因、機械原因等。其中，熱濫用是引發(fā)電池安全性問題的關鍵誘因之一，基于準確的電池熱失控預測，可用于指導電池安全性設計，通過改善電池模組結構及熱管理系統(tǒng)性能也可以大幅度提升電池的安全性，達到電池熱失控及蔓延的抑制目標。

王莉等[75]總結了鋰離子動力電池系統(tǒng)安全問題的各種誘因，指出電池系統(tǒng)的安全性能提升可以從單體、模組和系統(tǒng)層面上采取措施，提出了多空間尺度熱安全設計的思想；高菲等[76]探索了高溫循環(huán)和荷電狀態(tài)對鋰離子電池單體力學響應的影響規(guī)律，指出長時間高溫環(huán)境會使得高荷電狀態(tài)電池單體的最大模量和最大載荷應力顯著降低；Zhang等[77]以86 Ah 商用LFP/石墨電池為對象，研究了加熱器觸發(fā)的熱失控機理，得到了溫度不均勻性對熱失控的影響規(guī)律，該方法可以有效指導電池單體的熱安全設計；Hu 等[78]基于COMSOL 軟件建立鋰離子電池模型，分析了不同耗散溫度下熱失控抑制機理，通過多種副反應熱模型，揭示了耗散溫度對熱失控的抑制機制，為鋰離子電池熱安全設計奠定了理論基礎；Li 等[79]通過內部短路與熱管冷卻的VOF模型耦合，實現了電池與熱管之間傳熱傳質的數值模擬，研究表明，熱管冷卻系統(tǒng)不能控制電池單體的熱失控，但可以抑制熱失控到相鄰電池的傳播；Chombo 和Laoonual[80]闡述了熱失控的機理及其相關的連鎖反應，分別從電池封裝、模組熱傳遞等角度提出了熱保護隔板、安全裝置、阻燃劑、被動冷卻裝置和滅火器等熱失控抑制措施；Takahashi[81]分析了膨脹型涂層材料和防火毯隔熱等被動防火方法在電池熱失控領域的應用，為電池系統(tǒng)熱失控蔓延抑制的實施方法提供了新的思路；Coman 等[82]通過構建有限元熱模型和電化學模型的耦合模型，跨尺度分析了電池單體生熱及相鄰電池單體之間的熱傳導過程，為電池模組熱蔓延抑制奠定了理論基礎。

從目前的研究現狀看，動力電池系統(tǒng)的單體電池的熱失控和電池模組的熱蔓延抑制依然是動力電池系統(tǒng)熱安全設計的難點，如何實現不同空間尺度之間熱信息的有效交互，建立精確的單體-模組-系統(tǒng)的多空間尺度熱安全模型，是動力電池系統(tǒng)熱可靠性提升的關鍵。

4.2 動力電池系統(tǒng)機械可靠性

動力電池系統(tǒng)在配裝汽車的服役過程中受到擠壓、穿刺、跌落、撞擊、振動等機械濫用問題是電池系統(tǒng)安全性問題的另一個重要誘因之一。從機械結構可靠性角度來分析電池箱體的結構強度及動力學特性是提高動力電池系統(tǒng)安全可靠性的關鍵問題。

動力電池系統(tǒng)機械可靠性模型是表征動力電池系統(tǒng)機械可靠性的有效手段，也是指導動力電池系統(tǒng)設計優(yōu)化和提升動力電池系統(tǒng)安全可靠性的有效途徑。Lin 等[83]基于電池加速退化試驗和半參數化模型，構建了一個電池管理系統(tǒng)的可靠性相似度模型，并利用實際案例進行了有效性驗證，該模型在電池管理系統(tǒng)的可靠性預測方面具有一定的優(yōu)勢；黃培鑫等[84]通過構建電池系統(tǒng)的精細可靠性模型，評估了瞬態(tài)沖擊和穩(wěn)態(tài)隨機振動狀態(tài)下的電池系統(tǒng)結構損傷和電接觸可靠性能，可為電池系統(tǒng)安全性設計提供方法借鑒；蘭鳳崇等[85]提出一種基于單體等效力學參數的電池系統(tǒng)動力學建模方法，分析了系統(tǒng)內電接觸點在隨機振動下的響應問題，為動力電池系統(tǒng)機械可靠性分析奠定了基礎；Wang等[86]基于鋰離子電池退化試驗，利用相關函數定量描述了電池單體老化對模組整體老化的影響關系，并將這種定量影響關系與電池組可靠性模型相結合，形成新的可靠性模型，基于該模型提出了一種可行的電池組優(yōu)化設計方法；Liu 等[87]針對大型電池儲能系統(tǒng)的可靠性評估難題，提出了一種基于通用生成函數的電池模塊可靠性評估方法，該方法通過單體電池健康狀態(tài)的可靠性評估模型和直流/交流電力電子變換器的可靠性模型來進行多模塊大型電池儲能系統(tǒng)的可靠性評估，進一步研究了系統(tǒng)配置對電池系統(tǒng)可靠性的影響規(guī)律；西北工業(yè)大學的Li 等[88]利用COMSOL 平臺構建了機械-電化學-熱二維耦合模型（見圖4），該模型通過電化學模型、力學模型、短路模型和熱模型4 個子模型的耦合，實現了機械壓痕引起的短路和機-電-熱耦合響應行為的預測，探索了多物理場耦合狀態(tài)下多源可靠性問題；韓國建國大學的Lee 和Kim[89]進一步探索了機械非線性-電化學-熱雙向三維耦合模型（見圖5），該模型可以分析由于機械變形和陰極陽極接觸引發(fā)的可靠性問題，為動力電池系統(tǒng)多源可靠性耦合評價奠定了理論基礎。由此可見，動力電池系統(tǒng)機械可靠性建模應進一步與電接觸可靠性模型和熱失控抑制模型相結合，構建熱-機-電耦合的多源可靠性模型是動力電池系統(tǒng)可靠性評價的重點研究方向之一。

圖4 電池機械-電化學-熱模型耦合策略[88]Fig. 4 Coupling strategy of mechanical-electrochemical-thermal model of cell[88]

圖5 機械非線性-電化學-熱雙向三維耦合模型[89]Fig. 5 3D nonlinear mechanical-electrochemical-thermal bidirectional coupling model[89]

4.2.2 動力電池系統(tǒng)機械可靠性設計優(yōu)化

提升動力電池系統(tǒng)機械可靠性是動力電池系統(tǒng)熱安全設計的關鍵途徑之一。動力電池系統(tǒng)由單體電池在有限空間內以不同串并聯組合、布置方式構成，其安全可靠性提升是保證動力電池系統(tǒng)在服役過程中受到擠壓、穿刺、跌落、撞擊、振動而避免熱失控的關鍵。

Zhang 等[90]通過對電池單體試樣進行碰撞試驗和電性能測試，提出了一種基于碰撞試驗的電池單體損傷表征方法，并將碰撞力和加速度傳感器信號特征及各自的損傷類別輸入人工神經網絡(artificial neural network, ANN)模式分類器，發(fā)展成為一種基于傳感器信號數據的電池碰撞損傷評估方法；葛文韜等[91]提出了一種基于道路譜的電池包支架多體動力學-疲勞分析方法，電池包支架的動態(tài)性能研究對于電池系統(tǒng)機械可靠性設計具有重要參考價值；李瀟[92]通過建立包含電池模組和電氣部件質量點的電池包有限元模型，分別進行了約束模態(tài)分析、沖擊載荷動力學分析和隨機振動疲勞分析，以箱體結構疲勞強度作為可靠性約束實現了電池包箱體結構的輕量化設計，但缺乏電池箱體的振動特性與疲勞強度的多目標優(yōu)化；Shui 等[93]從剛度、固頻和質量角度進行了電池包機械性能的多目標優(yōu)化，實現了電池系統(tǒng)性能和質量的綜合最優(yōu)。上述研究對于提升電池系統(tǒng)可靠性和輕量化有較大的借鑒意義。蘭鳳崇等[94]進一步提出了一種電池系統(tǒng)箱體多材料優(yōu)化設計方法，利用遺傳算法進行了箱體結構多目標優(yōu)化設計，從材料結構一體化設計角度給出了電池系統(tǒng)箱體結構的精益設計方法；Li 等[95]基于微小機械變形情況下18650 電池的循環(huán)充放電實驗分析了電池老化行為，結果表明，微小機械變形會影響SOH，從而導致循環(huán)充放電情況下電池表面溫度明顯高于未存在微小機械變形的電池，進一步說明了機械可靠性對于電池熱安全性能的重要影響；汕頭大學的彭雄斌教授團隊[96]提出了一種電池單體-模組-系統(tǒng)的跨尺度電化學-機械耦合性能的方法，基于該方法探索了初始應力和實時應力對電池容量的影響規(guī)律，指出初始應力與電池容量呈負相關關系，以強度、變形和固有頻率作為優(yōu)化目標，采用遺傳算法實現了電池多目標優(yōu)化設計，研究成果揭示了機械應力對電池性能的影響關系，可為電池設計提供理論指導；清華大學歐陽明高院士團隊研究了電池組熱失控蔓延建模關鍵參數的測取方法及模型建立方法[97]，并提出了基于模型的跨尺度（電池材料-單體-系統(tǒng)）電池系統(tǒng)熱安全設計思路[98]，為動力電池系統(tǒng)安全可靠性分析指明了方向。

由上述可知，目前的動力電池系統(tǒng)機械可靠性分析更多集中在電池箱體結構的靜剛度、振動、疲勞等機械可靠性評價，部分學者從電池系統(tǒng)結構輕量化角度探索了箱體結構的多材料和復合材料設計優(yōu)化問題，對于電動汽車續(xù)航性能的提升起到了積極作用。然而上述研究中忽略了機械可靠性引發(fā)的電池容量衰減、熱失控等電池系統(tǒng)的熱安全問題。因此，貫穿于電池單體-模組-系統(tǒng)的跨空間尺度的安全性設計勢在必行，從材料結構一體化角度提高電池單體力學性能和熱傳導性能，從不同熱管理系統(tǒng)耦合與電池模組結構可靠性的協同優(yōu)化角度提升電池模組的溫度均一性，從系統(tǒng)集成優(yōu)化角度均衡電池系統(tǒng)箱體結構的機械強度和散熱能力是動力電池系統(tǒng)熱安全問題抑制的關鍵途徑，同時長時間尺度下電池箱體結構的熱疲勞問題對于可靠性提升同樣值得關注。多源激勵下熱-機-電耦合可靠性模型及評價體系的缺失，是動力電池系統(tǒng)安全可靠性能提升的關鍵難題，也是未來電動汽車進一步規(guī)模化發(fā)展的重大需求。

5 結 論

綜上所述，目前動力電池系統(tǒng)在單體-模組-系統(tǒng)不同空間尺度亟待解決的關鍵問題主要集中在以下方面：

1） 電池材料類型及微觀結構與電池生熱的構效關系、電化學能量轉化過程的耦合模型和理論的缺失，導致目前的單體電池生熱模型、電化學-熱耦合模型均難以支撐動力電池均一性、可靠性及安全性的進一步提高。電池電化學-熱耦合模型既涉及電場、熱場和電化學場等多物理場之間的復雜耦合，又是微觀（電極材料）-介觀（電化學反應）-宏觀（電池結構）跨尺度問題，如何構建高可信的跨尺度三維電化學-熱耦合模型是制約單體電池熱安全設計的瓶頸問題。

2） 電池模組內單體溫度不一致性嚴重影響了電池模組的能量、壽命和安全性，當前研究忽視了長時間尺度下溫度一致性動態(tài)演變引起的電池模組熱安全問題，單體-模組跨尺度傳熱理論的缺失嚴重影響了電池模組的性能穩(wěn)定性和安全性。如何揭示跨時間尺度下電池模組溫度一致性動態(tài)演變機理，實現單體與模組之間跨尺度的熱信息交互，是制約大功率動力電池組熱安全性能提升的關鍵難題。

3） 動力電池系統(tǒng)由單體電池在有限空間內以不同串并聯組合、布置方式構成，其安全可靠性評價不僅取決于單體電池的壽命和容量估算、電池模組熱失控、熱蔓延抑制，還取決于極端工況下電池箱體的熱機耦合可靠性分析，是典型的多源可靠性評價問題。然而，目前的研究主要集中在單源、單一物理場的可靠性分析，如單體電池容量及剩余壽命預測、電池模組的熱安全設計和熱失控抑制、多工況下電池箱體的靜動態(tài)特性分析與振動噪聲抑制等方面。多源激勵可靠性評價體系的缺失，導致動力電池系統(tǒng)安全性、可靠性和實用性等性能提升遭遇了瓶頸，嚴重制約了電動汽車產業(yè)的發(fā)展。因此探索極端條件下動力電池系統(tǒng)可靠度計算方法，構建多源激勵下多物理場耦合的可靠性評價模型，實現電池箱體結構的多尺度構型和多功能需求的材料結構一體化設計，是動力電池系統(tǒng)安全性能提升的關鍵所在。

因此，動力電池系統(tǒng)多空間尺度熱安全設計下一步的研究重點應該集中在以下3 個方面：①揭示材料-結構-性能多學科跨尺度映射機理，研究高可信單體電池材料-結構-性能跨尺度三維電化學-熱耦合模型構建方法，為動力電池系統(tǒng)熱安全設計奠定理論基礎；②探索長時間尺度下電池模組溫度一致性動態(tài)演變機理，形成單體-模組熱信息交互的復合熱管理系統(tǒng)多目標優(yōu)化設計理論與方法，從根本上解決大功率動力電池組熱安全難題；③從系統(tǒng)耦合與集成的角度建立動力電池系統(tǒng)多源可靠性評價體系，尤其是極端條件下動力電池系統(tǒng)熱安全評價體系，形成動力電池系統(tǒng)箱體多尺度構型和多功能需求的材料結構一體化設計方法，解決動力電池系統(tǒng)不同空間域、時間域的熱安全難題。