作为化石燃料汽车的替代品，电动汽车具有低污染、高效率等优点。为了缓解全球变暖、能源枯竭等一系列问题，新能源汽车的大规模使用不仅可以减少约20%的温室气体排放，还会显著减少不可再生能源的使用。

锂离子电池冷却技术

图1是锂离子电池冷却技术的分类。根据冷却方式的特点，锂离子电池冷却技术可分为主动式冷却和被动式冷却。其中，主动冷却技术主要包括强制对流空气冷却、冷却液冷却和制冷剂直接冷却，其需要额外的能量驱动风扇或泵。被动冷却系统包括自然对流空气冷却、相变材料冷却和热管冷却。被动冷却系统需要电池表面的特定结构来散热，比如相变材料或热管。另外，基于相变材料的被动系统也可用于改善电池包内的温度均匀性。相对于被动冷却系统，主动冷却系统具有更好的散热能力，但结构较为复杂。

图1电池冷却技术分类

空气冷却技术

空气冷却技术可分为自然对流冷却和强制对流冷却。其中，自然对流冷却系统是利用外部空气的自然对流或利用机械结构的改进增加进风量，使外部冷空气流经动力电池的各个电池表面进行热交换，达到冷却的目的。自然对流具有结构简单、成本低的优点。但由于自然风的不可控性，存在着散热能力弱的缺点。利用风扇进行强制对流散热比自然对流更加可靠，散热能力更强，更容易维护，因此成为新能源汽车早期常用的一种电池冷却方法。图2是带有波纹板的Z型流道强制对流系统。由图2可知，系统通过风扇增加电池包内部的进风量，使空气与电池发生强制对流。对于空气冷却技术，其关键是增强进风量和建立高效的空气通道，增强电池包的散热效率。因此，近年来空气冷却技术的研究主要集中在电池布置方式、新型通风形式、风道结构优化等方面。

图2带有波纹板的Z型流道风冷系统

Sun等研究了风冷结构对电池包散热效率的影响。研究发现，进口和出口通道的几何形状对冷却通道的流动均匀性起着重要作用，进而显著影响锂离子电池的温度均匀性；其在Z型流道设计的基础上，在冷却板之间插入波纹，增加电池包内空气的湍流强度和接触面积，从而提高电池组的散热效率和温度均匀性。与传统Z型流道相比，该流道的冷却效率可提高9%左右。

液冷技术

液冷系统是指冷却液直接或间接与动力电池模块接触，然后通过冷却液的连续循环带走电池产生的热量的冷却系统。由于冷却液的换热系数较高，其比风冷系统的冷却效率更高、更有效。液冷系统根据冷却液与电池的接触方式可分为直接接触和间接接触。直接接触液冷系统将锂离子电池完全浸入冷却液中，对电池包的温度均匀性具有良好的效果。但是，对电池包的密封性要求较严格。由于电池的绝缘要求，直接接触方式需要具有绝缘性质的冷却剂，比如硅油、矿物油等。间接式液体冷却系统主要由冷凝器、蒸发器、压缩机、冷板和电池组成，如图所示。其原理为在电池表面布置冷板或水套，冷却液通过流道流经电池表面，达到循环和热交换的目的。间接接触方式常用的冷却剂是乙二醇和水，相比直接液体冷却，冷却液的粘度要低。虽然，液冷热管理系统技术已经相当成熟，在新能源汽车冷却系统中得到了广泛的应用，但仍有很大的发展空间。液冷技术的关键是有效冷却面积的增加和湍流强度的增强。因此，国内外电动汽车液冷技术的研究主要集中在冷却介质流道结构设计。

图间接式液体冷却系统原理图

YatesM等研究了小冷却通道和大冷却通道的冷却性能。研究结果表明，在放电速率为5C和环境温度为24.85°C的条件下，两种通道的最高温度可以控制在4.85°C，温差可以控制在.15°C。冷却通道的数量、孔径、流量和入口位置都会影响两种液体冷却技术的性能。采用小冷却通道的电池组最高温度相比于大冷却通道更低，但其温度一致性差，且制造工艺复杂，成本较高。

波浪形通道是圆柱形锂离子电池热管理系统的一种冷却方案，该结构被特斯拉等使用圆柱电池的公司采用。Zhao等研究了圆柱形电池波浪形通道冷却与液体流动的热行为。结果表明，在冷却液进口速度为0.5m/s以及25°C的环境下，波浪式通道液冷系统能够保持电池的最高温度低于5°C，最大温差低于1°C。通过增加电池与波浪形通道外壁的接触面积，可以显著降低电池模组内的最高温度。但是，靠近液冷系统出口处电池的温度相对较低增加了电池包内温度不均匀性的风险。因此，其又提出了使用多组短通道代替长波状单通道增强换热的方法。李等研究了多算法结合的液冷结构优化对锂离子电池冷却效率的影响，利用神经网络算法以及多目标遗传算法对液冷结构进行优化，从而得到电池组液冷结构合理设计参数。结果表明，优化后电池组最高温度降低14.%，最大温差降低51.5%。

相变材料冷却技术

相变材料冷却技术采用相变材料（PhaseChangeMaterial，PCM）作为传热介质，在相变过程中储存和释放能量，达到动力电池高温散热的效果，无需额外的能量消耗，如图4所示。根据相变材料的相变方式可分为固-固相变材料（无机盐）、固-液相变材料（石蜡）、固-气相变材料和液-气相变材料。其中，固-液相变材料具有潜热大、体积变化小、原料易获取等特点，目前是行业研究的重点，比如石蜡和熔融盐等。基于以上原因，相变材料冷却技术的主要研究集中在相变材料的改进和优化，以提高其导热系数，比如在基础相变材料中加入高导电的基体。

图4PCM冷却技术原理图

Azizi等研究了一种由相变材料和铝丝网板制成的电池热管理系统作为导热增强剂，以控制高温区域（50-55°C）下电池的温升。在相变过程中，高孔隙率的金属丝网板比泡沫铝板更有利于孔隙的填充。结果表明，在电池之间使用相变聚乙二醇和铝丝网板可以显着降低电池表面温度，在1C、2C和C的放电速率下，最高电池表面温度分别降低了19%、21%和26%。Zhang等研究了一种使用饱和PCM的铜金属泡沫的电池热管理系统。在5C的放电速率下，相比于PCM冷却的情况下最高温度由54.12°C降低到47.86°C，而其温度不均匀性增加速率也较小，金属泡沫铜能够增强PCM的低导热性并改善电池组的温度均匀性。Jiang等通过将具有增强导热性的石蜡以不同质量分数吸收到膨胀石墨制备具有不同质量分数的膨胀石墨复合相变材料(CompositePhaseChangeMaterial,CPCM)，解决了石蜡导热系数低的问题，使得锂离子电池的温升显著降低。

热管冷却技术

热管冷却技术最早应用于航空航天和军事等领域，其工作原理在于热管内部工作流体间的相变反应，在蒸发段吸收热量，在冷凝段释放热量，一般沿轴向分为蒸发段、绝热段和冷凝段，如图5所示。因此，热管冷却能通过工作流体的往复循环和相变反应进行有效的传热，而蒸发段通常连接到热源。但由于使用过程中冷凝剂的压力过高，从而导致管道、生产标准、生产设备等方面的要求过高，目前仍处于研究阶段。因此，热管冷却系统在动力电池热管理方面的应用也大多处于研究阶段，尚未广泛使用。

图5热管装置工作原理图

Zou等研究了热管-液体耦合综合热管理系统，既可实现电池低温加热也可以用于高温冷却。管道内的制冷剂经过PTC加热，然后通过热管将热量传递给电池。在加热的初始阶段电池升温较快，随着热管的冷、热端温差逐渐减小，其换热能力减弱，最终换热量趋近于定值，约秒后电池温度上升至20°C。Zhang等[4]研究了一种基于被动热管的方形电池热管理系统，该系统采用带翅片的扁平热管。结果表明，与自然对流冷却和铝板冷却相比，最大温差分别降低7.7%和50.1%，使用扁平热管可以有效降低电池的最高温度和温差，同时能量消耗较低。

结构模型及参数

制冷剂直接冷却技术（又称直冷技术）是一种新型高效的电池热管理方法，其原理为制冷剂利用相变传热直接吸收电池产生的热量。如图6所示，制冷剂直接冷却技术的冷却板通常与空调系统的内部蒸发器并联，并通过前置节流阀（如电子膨胀阀）调节制冷剂流量和控制冷却温度。直冷系统通常由电池直冷板、压缩机、冷凝器、蒸发器和膨胀阀组成。电池直冷系统与空调系统共用一个制冷循环，不仅简化了结构，还提高了冷却效率。目前，制冷剂直接冷却技术已经应用于宝马i、X5、奔驰S、比亚迪Dolphin、奥迪A6等车型。

Shen等研究了电动汽车的直冷式系统，在传统汽车空调系统的蒸发器侧设置平行板（冷板）。制冷剂在膨胀阀中节流减压后，直接引入电池包内的冷却管中，电池直接与制冷剂进行热交换。结果表明，直冷式系统具有较快的温度响应特性，电池可以从44°C冷却到0°C。该结构将空调系统和电池冷却系统结合，简化了整车的热管理系统。与液冷相比，制冷剂的导热系数更低，冷却效果更明显。另外，该系统虽然具有较高的能效比，但仅为46.17%，仍有一定的改进空间。

图6电池直冷系统原理图

Shen等研究了一种新型的制冷剂热管理系统，利用Amesim建立了电池直冷系统模型，分析了其在不同工况下的性能。结果表明，通过乘员舱优先控制策略，能够提高系统性能以及整车热管理性能，该系统能有效降低电池的最高温度。即使在高温、高速的行驶条件下，电池之间的温差也可控制在℃以内。王等研究了不同参数对直冷式电池热管理系统性能的影响。结果表明，冷媒充注量为g时能效比达到最大，膨胀阀开度增大至46%时，电池的平均温度最低。在环境温度5°C的条件下，通过调节膨胀阀开度在47%~56%范围内，电池温度仍能被冷却至环境温度以下。

不同冷却方式评价

综上所述，不同的冷却系统具有各自的优缺点，如表1所示。

表1典型热管理技术的特点

从表中可以看出，空气冷却系统结构简单、成本低、重量轻，但其导热系数低，电池均匀性控制差；液体冷却系统具有导热性好，散热效果好，散热比较均匀等优势，目前在动力电池热管理系统中广泛应用，但存在液体泄漏风险、维护困难、重量大、结构复杂等问题；相变材料冷却系统的热密度高、潜热大、稳定性好、散热快、高温控制均匀，但相变材料所吸收的热量不能很好地散到外部环境且过冷会影响相变材料的热性能和热稳定性，且存在相变材料泄漏风险，影响系统的安全性和可靠性，且附加质量高；热管冷却系统有导热系数高、散热效率高、加热速度快、均匀性好、安全性好、可靠性高等优势，但其制造成本高、换热介质量难以控制、结构复杂、安装不便，因此在新能源汽车中应用并不广泛；直冷系统具有较高的传热能力，且相对容易集成到现有的车辆空调系统中，其冷却温度能够低于环境温度，但存在成本高且难以实现电池加热等问题。此外，混合电池热管理系统是目前开发的主要趋势，适用于更多工况，特别是对于极端工作环境。同时，将主动与被动的热管理系统结合会有很大的潜在实用效果。但混合电池热管理系统需要在成本和性能之间找到平衡，被动热管理系统适用于低负荷或短暂运行时间的工况，而主动热管理系统则适用于更高负载的工况。常见的混合热管理系统的组合有：PCM加风冷或液冷、热管加风冷或液冷、PCM加热管、TEC(ThermalElectricCooler,TEC)热电冷却加其它基本热管理系统。

小结

通过总结目前锂离子电池的热管理技术，并对比分析不同热管理技术的优缺点，未来热管理系统的发展主要集中在以下几个方面：

1、目前电池热管理系统的主流冷却方式仍然是液体冷却，其技术相对成熟，但重量和传统冷却介质的散热效果差是限制液冷系统发展的主要原因，因此需要研究更高传热效率的冷却介质。另外，在冷却介质发展受到限制的前提下，研究高效率的冷却结构也是未来的发展方向之一。随着新能源汽车不断向高能量密度和高集成度的方向发展，混合电池热管理系统将适用于更多工况，比如以液冷-相变材料、风冷-相变材料、液冷-高频加热等高效一体化的冷却-加热系统将是未来热管理系统的主要发展趋势之一。

2、基于空调系统的直接冷却技术利用压缩蒸汽制冷，并通过工质蒸发吸热带走电池热量，实现电池冷却，高效利用了现有热管理结构，降低了成本和结构复杂度，相比于液冷技术，直冷技术的安全性更高。同时，整车空调系统也是基于直冷技术。因此，将空调系统和电池冷却系统合二为一，即整车集成式热管理系统，也将是未来电池冷却技术最佳的方案之一，也是未来整车热管理系统的发展方向之一。

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