鋰離子動(dòng)力電池?zé)峁芾矸椒ㄑ芯窟M(jìn)展

王 雅，方 林

?

鋰離子動(dòng)力電池?zé)峁芾矸椒ㄑ芯窟M(jìn)展

王 雅，方 林

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

動(dòng)力電池組是電動(dòng)車船的關(guān)鍵部件，電池溫度過高造成的電池性能下降乃至熱失控會(huì)使整車面臨嚴(yán)重的安全風(fēng)險(xiǎn)。本文從傳統(tǒng)熱管理方法（空氣冷卻、液體冷卻）和新型熱管理方法（相變材料冷卻、熱管冷卻、噴霧冷卻和液態(tài)金屬冷卻）等幾個(gè)方面對電池?zé)峁芾矸椒ㄟM(jìn)行綜述，給出目前電池?zé)峁芾矸椒ǖ难芯窟M(jìn)展，為后續(xù)的研究方向提供參考。

動(dòng)力電池 電池?zé)峁芾?研究進(jìn)展

0 引言

作為電動(dòng)汽車與船舶的關(guān)鍵部件，動(dòng)力電池組的性能決定了整機(jī)的性能。目前制約動(dòng)力電池發(fā)展的一個(gè)重要因素是它的熱管理問題。鋰離子電池在充放電過程中會(huì)產(chǎn)生一定的熱量，這些熱量如果得不到及時(shí)的疏散，就會(huì)使電池溫度上升，導(dǎo)致電池組產(chǎn)生溫差，性能受損，而動(dòng)力電池組數(shù)量越多功率越大，其產(chǎn)生的熱量就越多越難疏散，聚集的熱量使電池溫度持續(xù)上升，當(dāng)溫度超過安全上限時(shí)，將會(huì)觸發(fā)熱失控等安全問題，甚至造成爆炸等連鎖反應(yīng)[1]。

因此電池?zé)峁芾沓蔀殡妱?dòng)汽車、船舶研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)，日益受到研究人員的重視。本文綜述了近幾年來電池?zé)峁芾矸椒ǖ难芯窟M(jìn)展，指出傳統(tǒng)熱管理方法和新型熱管理方法當(dāng)前的研究現(xiàn)狀，以期對今后的研究方向產(chǎn)生啟發(fā)。

1 傳統(tǒng)電池?zé)峁芾矸椒ㄑ芯窟M(jìn)展

1.1 空氣冷卻

空氣冷卻又稱風(fēng)冷，指利用空氣的流動(dòng)帶走電池產(chǎn)生的熱量，按照驅(qū)動(dòng)方式分為自然對流式風(fēng)冷和強(qiáng)迫對流式風(fēng)冷[2]。作為結(jié)構(gòu)簡單、成本較低的一種熱管理方法，空氣冷卻的發(fā)展已經(jīng)較為成熟，研究人員在送風(fēng)策略、電池布置方式等方面已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，在商業(yè)上也具有比較成熟的應(yīng)用。

近年來，學(xué)者對空氣冷卻的研究主要從發(fā)展新模型、提高設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和速度，發(fā)展新的配風(fēng)策略，優(yōu)化結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行。華南理工大學(xué)的汪雙鳳等人[3]針對風(fēng)冷電池系統(tǒng)嘗試將流阻網(wǎng)絡(luò)模型與遺傳算法、貪婪算法[4]等結(jié)合，對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使電池組溫差得到了進(jìn)一步的控制。西安交通大學(xué)的路昭等人[5]將電池正負(fù)極固定件加入三維空冷模型，研究了電池正負(fù)極固定件熱導(dǎo)率對電池組溫度性能的影響規(guī)律，得出了最優(yōu)固定件熱導(dǎo)率，并通過添加翅片的方式進(jìn)一步改善了溫度的均勻性，對實(shí)際工程具有指導(dǎo)意義。

Zhou等人[6]提出了一種基于氣體分配管道的圓柱形鋰離子電池冷卻策略（圖1），采用數(shù)值模擬的方法研究了不同放電速率下電池組件的熱行為和空氣流場，分析了孔板參數(shù)、進(jìn)氣壓力和放電速率對空冷策略性能的影響，這是一種有效和實(shí)用的冷卻策略，不需要改變電池模塊的分布。

圖1 帶有配風(fēng)管道的電池模塊原理圖

Chen等人[7]研究了不同送風(fēng)口和出風(fēng)口位置對空冷電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)性能的影響，發(fā)現(xiàn)送出風(fēng)口位于臺(tái)中時(shí)冷卻效率更高，并對電池間距進(jìn)行了優(yōu)化[8]。

1.2 液體冷卻

與空氣相比，水的比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)較高、粘度系數(shù)較低，保證了水在消耗較少泵送功率的情況下能夠更有效地傳熱。因此，水常被用作液冷系統(tǒng)的工作冷卻劑，為了防止冷卻水在冬季凝固，通常采用水/乙二醇混合物來降低冷卻劑的冰點(diǎn)。為了防止短路，通常采用管道、夾套、冷板等措施避免水與電池直接接觸，這樣電池組產(chǎn)生的熱量經(jīng)對流換熱由管道中的冷卻液導(dǎo)出稱為間接接觸式液冷系統(tǒng)[9]。目前對間接接觸式液冷系統(tǒng)的研究，主要還是從發(fā)展新結(jié)構(gòu)、研究換熱規(guī)律、優(yōu)化性能的角度進(jìn)行。

Shang等人[10]設(shè)計(jì)了一種變接觸面鋰離子電池液冷系統(tǒng)（圖2），接觸面由冷卻板的寬度決定，增加進(jìn)口質(zhì)量流量可以有效地限制最高溫度，但不能顯著改善溫度均勻性。溫度與進(jìn)口溫度成正比，但與冷卻板寬度成反比。

Zhao等人[11]針對采用蛇形通道的液體冷卻電池模塊提出使用多個(gè)蛇形通道縮短了流動(dòng)路徑或沿著流向增加電池與蛇形通道之間的接觸面積兩種方法來改善熱均勻性，數(shù)值模擬結(jié)果表明，這兩種方法可以將5C放電操作下電池模塊的熱不均勻性降低到2.2 K和0.7 K以下，效果明顯。Deng等人[12]建立了u形管蛇形通道結(jié)構(gòu)的冷卻板。分析了冷卻通道數(shù)、通道布置和冷卻劑入口溫度對電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)冷卻性能的影響，提出了最佳分布策略，對實(shí)際冷板的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。Xu等人[13]選取雙進(jìn)口雙出口通道的液體冷卻系統(tǒng)作為研究對象，研究了不同環(huán)境溫度、進(jìn)冷量和充放電率下電池的散熱性能，為電池液體冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了參考。直接接觸式液體冷卻方法是另一種典型的液冷方法，在變壓器等電子器件的冷卻中曾有著廣泛的應(yīng)用。通常采用介電阻燃油作為冷卻劑，將電子器件浸沒于冷卻油中，油與電子器件直接接觸，可以有效地將熱量導(dǎo)走。沉浸式油冷由于結(jié)構(gòu)簡單，導(dǎo)熱性能較好，而且具有阻燃性，對熱失控具有潛在的抑制作用，得到了研究人員的重視。

圖2 變接觸面液冷電池模塊原理圖

Pesaran等人[14]指出，在相同條件下，由于邊界層較薄、導(dǎo)熱系數(shù)較高，導(dǎo)熱阻燃油的傳熱效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于空氣，然而由于油的粘度較高，油冷卻系統(tǒng)會(huì)消耗更多的泵功。Kim等人[15]比較了相同通道直徑和質(zhì)量流量下導(dǎo)熱阻燃油冷卻和水/乙醇溶液夾套冷卻的效果。結(jié)果表明，油冷系統(tǒng)的壓降明顯高于水冷系統(tǒng)。但是，水冷系統(tǒng)由于夾套的存在，電池與冷卻劑之間的熱阻增大，有效傳熱系數(shù)減小，油冷系統(tǒng)的傳熱系數(shù)要高于夾套水冷系統(tǒng)。Chen等人[16]指出在相同的流動(dòng)速度下，由冷卻劑粘度決定的油冷系統(tǒng)壓降是水冷系統(tǒng)壓降的幾倍。為了降低壓降，油冷系統(tǒng)應(yīng)采用低流量。

2 新型電池?zé)峁芾矸椒ㄑ芯窟M(jìn)展

隨著高新技術(shù)的日益發(fā)展以及不同學(xué)科的交叉融合，一些新材料、新技術(shù)也被研究人員應(yīng)用到電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中來，或?qū)⑿虏牧吓c傳統(tǒng)方法結(jié)合，或從別的領(lǐng)域技術(shù)遷移，為電池?zé)峁芾矸椒ㄌ峁┝诵碌乃悸贰?/p>

2.1 相變材料冷卻

相變材料作為一種儲(chǔ)能材料得到學(xué)者的廣泛研究，也被應(yīng)用到電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中。目前研究者主要利用相變材料具有相變潛熱的特性將其與別的方法相結(jié)合提出新型有效的冷卻結(jié)構(gòu)，另外也嘗試對相變材料的制備和性能做出相應(yīng)的改進(jìn)。 Zhu等人[17]針對高功率鋰離子電池組開發(fā)了一種新型熱管理結(jié)構(gòu)（圖3），提出了將金屬冷卻管和相變材料嵌入到高導(dǎo)熱系數(shù)和孔隙率的銅微纖維介質(zhì)中，銅微纖維介質(zhì)極大地改善了界面?zhèn)鳠幔行У卦阡囯x子電池、冷卻管和相變材料之間傳導(dǎo)熱量。相變材料在高峰使用時(shí)儲(chǔ)存電池產(chǎn)生的多余熱量，在非高峰使用時(shí)釋放到冷卻管中，經(jīng)過預(yù)測模型對電池?zé)崾Э氐淖钄嗑哂忻黠@作用。

Ping等人[18]提出了一種新型相變材料（PCM）耦合翅片結(jié)構(gòu)用于電池組熱管理系統(tǒng)（圖4），以降低最高溫度改善溫度均勻性，采用數(shù)值模擬的方法研究了PCM種類、翅片厚度、翅片間距和PCM厚度對電池組件冷卻性能的影響，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

Zheng等人[19]提出了一種液冷和相變材料冷卻相結(jié)合的鋰離子電池組熱管理系統(tǒng)（圖5）。主要散熱方式為液冷散熱，在熱不透明區(qū)域填充復(fù)合相變材料，提供相對較小的吸熱量。為了保證電池組內(nèi)的溫度均勻，冷卻劑采取交替流動(dòng)，這對系統(tǒng)的散熱有不利影響。為了解決這個(gè)問題，在冷卻管之間添加了聚氨酯絕熱夾層。

圖3 相變材料新型冷卻結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 相變材料耦合翅片結(jié)構(gòu)新型熱管理系統(tǒng)原理圖

Zou等人[20]采用石墨烯、碳管和膨脹石墨等材料添加到石蠟中制備出新型復(fù)合相變材料，其具有良好的防泄漏性能和較高的熱導(dǎo)率，局部強(qiáng)化傳熱效果幾乎與泡沫銅/相變材料相同。

2.2 熱管冷卻

熱管作為一種有效的傳熱元件，由于其導(dǎo)熱高效、結(jié)構(gòu)小巧布置方便，也被研究人員提出應(yīng)用到電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中。

Rao等人[21]設(shè)計(jì)了一種帶有熱管的熱管理系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在合適的發(fā)熱功率下，非穩(wěn)態(tài)工況和循環(huán)試驗(yàn)工況，最大溫度和溫差均保持在理想范圍內(nèi)。采用熱管為基礎(chǔ)的動(dòng)力電池?zé)峁芾硎菍?shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車節(jié)能的有效方法。

Smith等人[22]提出了一種基于熱管的8個(gè)棱柱形單元的大功率電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)（圖6），并對其進(jìn)行了400 W的熱負(fù)荷測試和設(shè)計(jì)。熱管系統(tǒng)由兩部分組成:熱管冷卻板從電池模塊的各個(gè)棱柱狀單元中提取熱量，以及遠(yuǎn)程傳熱熱管將熱量從模塊傳輸?shù)?00 mm外的液冷冷板。與傳統(tǒng)的液體冷卻系統(tǒng)相比，基于兩相熱管的熱控制將提供更好的電池溫度均勻性，更簡單安全的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖5 電池組熱管理系統(tǒng)原理圖

圖6 基于熱管的大功率電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)原理圖

2.3 其他冷卻方法

傳統(tǒng)液冷存在冷卻效率有限的問題，Yang等人[23]提出使用液態(tài)金屬作為新型冷卻劑，用于電池組的熱管理。通過數(shù)值模擬比較了液態(tài)金屬冷卻系統(tǒng)與水冷系統(tǒng)的冷卻能力、泵功耗和模塊溫度均勻性。結(jié)果表明，在相同的流動(dòng)條件下，液態(tài)金屬冷卻系統(tǒng)可以獲得更低、更均勻的模塊溫度和更少的泵功耗。此外，液態(tài)金屬可以應(yīng)對高功率拉伸、電池缺陷、環(huán)境溫度高等壓力條件，這使其成為一種有前途的冷卻劑。

Saw等人[24]提出了一種適用于電池組熱管理系統(tǒng)的噴霧冷卻方法（圖7）。通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，研究了常規(guī)干空氣冷卻和噴霧冷卻的熱工性能。結(jié)果表明，與干空氣冷卻相比，噴霧冷卻能提供更低、更均勻的溫度分布。

3 總結(jié)及展望

隨著電動(dòng)汽車、船舶向著大功率、長航時(shí)發(fā)展，動(dòng)力電池組的工作環(huán)境將變得更加惡劣，對電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的要求也更為苛刻，發(fā)展高效、安全、簡單、低成本的熱管理方法具有十分重要的意義。本文對近幾年電池?zé)峁芾矸椒ǖ难芯窟M(jìn)展進(jìn)行了綜述，可以看到，當(dāng)前研究的主要趨勢是通過研究換熱規(guī)律對傳統(tǒng)熱管理系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新與優(yōu)化；發(fā)展完善數(shù)值模型，提供更快速更準(zhǔn)確的模擬和設(shè)計(jì)方法；引入新技術(shù)、新材料，將多種冷卻方法進(jìn)行耦合，提供更新的熱管理思路，進(jìn)一步提高冷卻性能。其中靈活運(yùn)用新材料新技術(shù)，多種冷卻方式的交叉融合是今后發(fā)展的重要方向。

圖7 噴霧冷卻熱管理系統(tǒng)原理圖

[1] Zhao R, Zhang S, Liu J, et al. A review of thermal performance improving methods of lithium ion battery: electrode modification and thermal management system[J]. Journal of Power Sources, 2015, 299: 557-577.

[2] Al‐Zareer M, Dincer I, Rosen M A. A review of novel thermal management systems for batteries[J]. International Journal of Energy Research, 2018, 42(10): 3182-3205.

[3] 陳凱, 汪雙鳳. 基于遺傳算法的風(fēng)冷式動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)優(yōu)化[J]. 工程熱物理學(xué)報(bào), 2018, 39(02): 384-388.

[4] 陳凱, 汪雙鳳. 基于貪婪算法的風(fēng)冷式動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)優(yōu)化[J]. 工程熱物理學(xué)報(bào), 2018, 39(05): 156-160.

[5] 路昭, 余小玲, 張立玉, et al. 鋰電池組高溫節(jié)點(diǎn)空氣冷卻方案的數(shù)值模擬[J]. 西安交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2018.

[6] Zhou H, Zhou F, Xu L, et al. Thermal performance of cylindrical lithium-ion battery thermal management system based on air distribution pipe[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2019, 131: 984-998.

[7] Chen K, Wu W, Yuan F, et al. Cooling efficiency improvement of air-cooled battery thermal management system through designing the flow pattern[J]. Energy, 2019, 167: 781-790.

[8] Kai C , Yiming C , Zeyu L , et al. Design of the cell spacings of battery pack in parallel air-cooled battery thermal management system[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2018, 127: 393-401.

[9] Deng Y, Feng C, Jiaqiang E, et al. Effects of different coolants and cooling strategies on the cooling performance of the power lithium ion battery system: a review[J]. Applied Thermal Engineering, 2018, 142: 10-29.

[10] Shang Z , Qi H , Liu X , et al. Structural optimization of lithium-ion battery for improving thermal performance based on a liquid cooling system[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2019, 130: 33-41.

[11] Zhao C, Sousa A C M, Jiang F. Minimization of thermal non-uniformity in lithium-ion battery pack cooled by channeled liquid flow[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2019, 129: 660-670.

[12] Deng T , Zhang G , Ran Y . Study on thermal management of rectangular Li-ion battery with serpentine-channel cold plate[J]. International Journal of Heat & Mass Transfer, 2018, 125: 143-152.

[13] Xu X, Fu J, Ding R, et al. Heat dissipation performance of electric vehicle battery liquid cooling system with double-inlet and double-outlet channels[J]. Journal of Renewable and Sustainable Energy, 2018, 10(5): 155-701.

[14] Pesaran A A. Battery thermal management in EV and HEVs: issues and solutions[J]. Battery Man, 2001, 43(5): 34-49.

[15] Pesaran A , Kim G H . Battery thermal management system design modeling[J]. Battery Man, 2006, 43(5): 34-49.

[16] Chen D, Jiang J, Kim G H, et al. Comparison of different cooling methods for lithium ion battery cells[J]. Applied Thermal Engineering, 2016, 94: 846-854.

[17] Zhu W H, Yang H, Webb K, et al. A novel cooling structure with a matrix block of microfibrous media/phase change materials for heat transfer enhancement in high power Li-ion battery packs[J]. Journal of Cleaner Production, 2019, 210: 542-551.

[18] Ping P, Peng R, Kong D, et al. Investigation on thermal management performance of PCM-fin structure for Li-ion battery module in high-temperature environment[J]. Energy Conversion and Management, 2018, 176: 131-146.

[19] Zheng Y, Shi Y, Huang Y. Optimisation with adiabatic interlayers for liquid-dominated cooling system on fast charging battery packs[J]. Applied Thermal Engineering, 2018.

[20] Zou D, Liu X, He R, et al. Preparation of a novel composite phase change material (PCM) and its locally enhanced heat transfer for power battery module[J]. Energy Conversion and Management, 2019, 180: 1196-1202.

[21] Rao Z, Wang S, Wu M, et al. Experimental investigation on thermal management of electric vehicle battery with heat pipe[J]. Energy Conversion & Management, 2013, 65(1): 92-97.

[22] Joshua S , Randeep S , Michael H , et al. Battery thermal management system for electric vehicle using heat pipes[J]. International Journal of Thermal Sciences, 2018, 134: 517-529.

[23] Yang X H , Tan S C , Liu J . Thermal management of Li-ion battery with liquid metal[J]. Energy Conversion and Management, 2016, 117: 577-585.

[24] Saw L H , Poon H M , Thiam H S , et al. Novel thermal management system using mist cooling for lithium-ion battery packs[J]. Applied Energy, 2018, 223: 146-158.

Research Progress of Battery Thermal Management on Lithium-Ion Power Batteries

Wang Ya, Fang Lin

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM912

A

1003-4862（2019）05-0014-05

2018-12-27

王雅（1980-），女，工程師。研究方向：情報(bào)研究。E-mail: wendy007888@sohu.com