锂电池散热冷却方式综述

摘要：对锂电池组的散热冷却方式进行了总结与分析。电池组的冷却方式有空冷、液冷、相变冷却和热管冷却，以及将单一冷却方式耦合使用的复合散热冷却方式。空冷与液冷的冷却效果主要取决于其流道的结构、数量、流速等因素；相变冷却效果主要依赖于组成相变材料的成分；热管冷却方式有着高效的散热效率和散热速度；复合散热冷却方法有热管 - 空冷、热管 - 液冷、热管 -PCM 等耦合方式。 
关键词 ：锂电池；散热；冷却方式；冷却效果；散热效率
0 引言
严重的环境污染和化石燃料的枯竭，使得发展新能源汽车成为重要策略之一。新能源汽车的能源和环境效益越来越显著，体现在节能、污染小等方面。传统燃料汽车大都以汽油、柴油为燃料，行驶中的排放给环境造成了严重的污染；新能源汽车以高能蓄电池的电能为动力，行驶中基本没有排放污染。因此，新能源汽车将逐渐取代传统燃油汽车。锂离子电池具有容量大、寿命长、能量密度高、运行稳定等优点，是新能源电动汽车最先进的电能存储和转换技术之一。但锂离子电池的缺点也较为明显，在低温环境下，锂离子电池的容量变小，高温环境下会导致锂离子电池的热量聚集，影响其安全运行，严重时甚至会导致设备燃烧爆炸，因此电池热管理系统（BTMS）对电池保持在最佳温度范围（20~45℃），并将温差控制在5℃以下是必要的。
目前电池热管理系统成熟的冷却方式有空冷、液冷、相变冷却和热管冷却，无论是单一散热方式还是耦合的多种散热方式都有各自的优缺点。为了进一步提高锂离子电池散热效率及经济性，给研究人员提供更多参考，本文整理有关文献，对锂电池散热方式进行了分析介绍。
1 产热机理
锂离子电池有2种热源，即可逆热源和不可逆热源。当锂离子插入电极中的活性材料时，电化学反应的熵会随锂离子浓度的变化而变化。可逆热与电池的熵有关，熵的变化取决于活性材料自身的离子运动过程。可逆热既可以是吸热效应，也可以是放热效应；不可逆热与电池的内阻有关，总是放热的。
电池单体的能量方程为：

式中：ρb—电池的密度，kg/m3；

Cpb—电池的比热容，J/(kg·K)；

T—电池的温度，K；t—时间，s；

k—电池的导热系数，W/(m·K)；

r —电池的半径，m；φ—电池的圆周角，rad；

z —电池的长度，m；

Qg —电池内部单位体积的热生成率，W/m3。
电池的热产生或热损失主要是由可逆热（Qrev）和不可逆热（Qirr）组成，公式如式（2）：

总产热速率计算如式（3）：

式中：I—工作电流，mA；

 E—电池在充放电过程中的实际工作电压，V；

 Eoc—平衡状态下电池的开路电压，V；

 T—电池的温度，K。
产热速率也可以表示为：

式中：I—工作电流，mA；

Rf —电池热阻，Ω；

T—电池的温度，K。          

F—法拉第常数，96485C/mol；

∆S—化学反应焓变，kJ/mol。
2 单一冷却方式概述
2.1 空冷
空气冷却主要是以空气为介质进行热交换，通过空气的流通对发热的锂电池组进行降温处理，因其成本低、结构简单、维护方便等优点被广泛应用于早期电池热管理设计中。空冷可分为自然对流冷却和强制对流冷却。自然对流冷却是指利用空气的自然流动来达到散热的目的；强制对流冷却是指利用风扇或专门设计的风管在特定空间内形成相应的气流，以达到散热的目的。两者的区别就是空气流动的速度即风速不同，而在设计中也常采用对比不同风速比较散热效果的方法。不同的风口设计将会导致速度场和温度场的分布不同。为探究其中的规律，YI Yang等人研究了不同出风口模式的热流场。结果表明，随着速度场和温度梯度场协同度的提高，风冷电池包的散热性能会有所提高；SHAHABEDDIN K等人进行了锂离子电池组件强制对流空气冷却实验。研究发现，通过增加进风速度或减小电池间的距离，可以使电池模块的温升较小；XU X M等人研究了不同风道模式下的散热性能。研究发现，纵向电池组相比于水平电池组，散热性能因为气流路径的缩短而提高。由于增加底部风道，可以增加接触导热面积，以及自然对流会发生在电池包顶部区域，因此底部风道方式的散热性能更优越。对于底部风道模式的电池包，采用双“U”型风道比双“1”型风道散热性能有所提高。
以上是从散热结构或气流速度方面进行研究，寻找最佳散热效果的方法。除了对散热机组本身进行设计调整，还可以添加辅助散热装置增强散热效果，翅片是一种不错的选择。WEI Tonga等人研究了移动锂离子电池旁边的一种特殊的铝销鳍翅片散热器，通过其高度的增加、气流通道的宽度方向的改变研究锂离子电池组热管理。
风冷在电池的热管理系统中是最简单的冷却方式，在流道、风速、进出口数量和位置以及流型等方面已广泛讨论。但因空气的比热容较低，故空气冷却难以处理大量热量，其应用具有一定的局限性。
2.2 液冷
液体冷却是指电池模块可以用液体冷却介质如水、矿物油、乙二醇、电介质等进行冷却。由于液体冷却具有较高的换热系数，与空气冷却系统或PCM冷却系统相比，液体冷却系统可提供更好的热交换能力。
由于液冷中冷却介质的密度比空气大得多，所以液冷散热结构的质量远高于风冷结构。为解决这一问题，LEI Sheng等人研究了以轻型液体冷却技术进行热管理，实验验证了轻型液体冷却设计与常规热设计的冷却效果相似，最重要的是，前者比后者降低57%的冷却板质量。同时实验发现，增大流体流量和通道宽度可以提高冷却板的性能。除了对流体的研究，多数学者从液冷系统的结构入手。LEI Sheng等人研制了一种蜂窝型液冷夹套，通过实验模拟和蜂窝夹套的优化设计的无量纲分析，发现交错流动方向可以获得较低的温度标准差和更均匀的热分布，且其研制的单体冷却夹套对21700圆柱形单体的热态有较好的控制效果。与风冷相同的是，结构的差异会导致散热效果不同，液冷通道数也会对散热效果产生影响；YUZHANG Dinga等人研究了电池在不同放电速率和散热条件下的瞬态热行为和温度分布特性。研究发现，通道数对锂离子电池组的最高温度和温差有明显影响，但这种影响有限。增大矩形通道的长径比可以降低锂离子电池组的最高温度和温差。通过多组实验研究对比，得出了采用C型液冷系统，在通道入口布置中采用交变布置，可以获得最平衡的温度分布。
在进行液冷冷却实验与研究时，往往会考虑其结构设计，通过改变流道数目、进出口方向以及设置折流板等，改善散热。液冷相比于风冷，有着优良的散热效果，但是其结构更为复杂，还要密封，否则就会产生漏液的问题。
2.3 相变材料（PCM）冷却
相变材料根据材料组成可以分为无机相变材料、有机相变材料、复合相变材料等。其中无机相变材料主要有石墨、熔融盐、结晶水等，其优点是高相变焓、高热导率，但是过冷度也较高，而且热稳定性差；有机相变材料，例如石蜡、醋酸等，具有无腐蚀性、过冷度低、化学稳定性好等特点；复合相变材料是将有机材料和无机材料复合在一起使用，各取所长。相比之下，复合相变材料对锂电池的热管理有更好的效果。
复合相变材料的研究很早就已经成熟了，LUO Mingyun等人研究了一种导电石蜡/膨胀石墨复合相变材料（cPCM）用于恶劣环境下锂离子电池的热管理。该cPCM集加热和冷却于一体，利用焦耳热效应对电池进行预热，利用蓄热器对电池进行冷却，可用于-40~50℃极端条件下，且提供20~50℃舒适的环境；LV Youfu等人研究了相变材料冷却200次电池模块的热电化学性能，结果表明，耦合相变材料冷却后，模块的温度和温度梯度可以得到很大程度的降低。由于相变材料（PCM）的低导热系数极大地阻碍了基于相变材料的热管理系统（BTMSs）的发展，LIN Chunjing 等人采用膨胀石墨基体和石墨片补偿PCM的低导热系数，提高了电池的温度均匀性。翅片散热效果的强化，不仅用于风冷、液冷，相变材料也可以用翅片增强散热冷却效果；FAN Ruijin等人提出了一种用于锂离子电池组件热控制的金属翅片强化PCM系统，金属翅片增加了换热面积且使导热网络更加均匀。研究表明，在环境温度为20℃、30℃和40℃时，与PCM系统相比，翅片强化PCM系统的工作时间分别增加了1.48、1.49和1.81倍，表明翅片强化PCM系统优于PCM系统。
通过以上介绍可以发现，单一PCM的使用在电池热管理中并不能满足散热要求，为锂电池工作提供安全且高效的环境，PCM大都会与多孔、高导电材料复合使用，以增强电池的热扩散。
2.4 热管冷却
热管冷却是充分利用了热传导原理与制冷介质的快速热传递性质，透过热管将锂电池的热量迅速传递到冷端。热管具有更高的安全性，而且相比于风冷、液冷、相变材料冷却，热管冷却有着高效的散热效率和散热速度。
为了研究对比热管的散热冷却效果，ZHANG Zhuqian等人设计了一套包含扁平热管的电池热管理系统，建立了模型实验，并与空气自然对流和铝板冷却两种冷却系统进行了比较。结果表明，采用平板热管可以有效地降低最高温度和温差，且能耗最低；CHI Riguang等人提出了一种长蒸发段、短冷凝段、八圈的锂离子电池OHP冷却系统的设计方案，并且热管冷凝器段的底端外表面与冷却板系统的顶表面直接接触。通过对各参数的实验，发现工质的填充速率决定了热管系统的传热性能，即加热速率越大，最佳VF越大。热管技术不仅用于电池放电过程中的散热冷却，对充电中锂电池的散热冷却也有突出表现，KLEINERA J等人研究了一种基于热管辅助冷却的单电池级热管理新概念，将一个25 A·h的锂离子电池扩展为2个弯曲的热管原型，用于额外的终端冷却。实验研究表明，该系统对于快速充电的锂电池散热有明显帮助，可以显著降低并联串中不同单元位置母线对热均匀性的影响，降低模块内每个单元的整体温度。
国内虽然对热管冷却已经有诸多研究，但因成本高、结构复杂、维修困难、性价比较低等原因，热管的研发在国内尚未成熟，没有得到广泛应用。
3 复合散热冷却方式概述
单一的散热冷却方式往往不能满足电池组的散热需求，复合散热冷却时将单一的冷却方式设计耦合使用，将多种单一散热冷却的优点结合起来，有着比单一散热冷却方式更好的散热冷却效果和均温相性。
复合散热冷却有热管-风冷、热管-液冷、热管-pcm、pcm-液冷等方式的耦合。LEI Shurong等人设计了烧结铜粉热管结合冷凝段喷水的方法解决这一问题。将烧结铜粉热管夹在电池之间，在正常热条件下通过空气对流的方式来消除电池热量，当室温超过40℃时，电池运行恶化，此时通过水喷雾功能，液滴蒸发快速散热。与其他基于热管的BTM相比有着更好的冷却效果，同时保护了锂离子电池在恶劣的热环境下大电流放电。ZHANG Wencan等人采用混合相变材料和液体冷却技术，结合PCM和液体热管理方案的优点，充分满足极端工况下的散热需求。该系统还具有良好的散热能力，可通过优化PCM的导热系数和水流速度等参数避免系统的热失控。
有些散热思路源于生活事物，YANG Wen等人设计了集六边形冷却板、仿生液体微通道和相变材料于一体的新型蜂窝电池热管理系统，采用正交实验进行优化，与传统的散热空冷相比，优化的热特性有了明显的提高；AAMER等人将相变材料、泡沫铜和重力辅助热管进行了实验研究。将热管和泡沫铜集成到相变材料中，通过延缓相变材料的相变，有效地降低了基温，从而使相变材料以较小的温升储存更多的热量，冷却程度也可以调控。HEKMAT等人以冷却管道作为主动部分，以PCM作为被动部分，对比了7种不同的冷却方式进行研究。实验表明，空气自然冷却需要较长的时间，增加孔道数的冷却管和与PCM结合的冷却效果最佳，且发现PCM在电池模块中有均匀温度分布的有效作用。
复合散热冷却的方式较多，且有着更为优越的散热性能，对锂电池的热管理系统有着更为突出的效果，同时也有着更好的发展前景。
4 结语
不同散热冷却方式有各自的优缺点。空冷方式虽然具有结构简单、成本低等优点，但散热冷却效果不理想限制了空冷系统的发展，可将空冷与热管冷却这种高效散热冷却方式相结合，或者采用PCM与空冷相结合的方法，这种耦合的散热冷却方式结构简单，设计也不太过于复杂。
空冷和液冷很难结合，因为液冷需要一个相对密封的工作环境以防止漏液，而空冷则需要空气流通，二者的工作条件使得它们很难结合到一起。液冷设计大多从散热冷却结构入手，改变其流速、流道数等。液冷与PCM的结合较为常见，因为PCM能有效均匀温度分布，且可以储存热量，而液冷的换热效果较好，可以在相变材料未达到极限之前将热量带走，从而避免热失控的发生。PCM首先要研究材料成分，不同的材料和配比制成的PCM有着不一样的散热冷却效果。目前，PCM散热冷却在国内已经得到了广泛应用。热管冷却很少单独使用，高效的换热效果使热管多出现于复合散热冷却方式中，成本过高、结构复杂、不易维修等缺点使它很少出现在大众视野。
在诸多散热方式中，复合散热冷却的热管理性能是较好的，解决了单一散热冷却方式存在的缺点。在未来的研究中，可以尝试将4种单一散热方式相结合，虽然这种散热冷却设计结构复杂，成本过高，且不易维修，但是散热冷却效果卓越，可以多种挡位工作，在以后的设计中可简化结构进而降低成本，复合散热冷却方式是未来电动汽车锂电池热管理的大致趋势。