來(lái)源：電子電力實(shí)驗(yàn)室；作者：諸葛英健

本文轉(zhuǎn)自：Renew. Sust. Energ. Rev., Volumn 192, March 2024, 114171

作者：David Culliton et.al

本文由愛(ài)爾蘭東南理工大學(xué)的David Culliton等人合作撰寫(xiě)。本文綜述了鋰離子電池的產(chǎn)熱機(jī)制，以及當(dāng)前主流的四種電池?zé)峁芾砑夹g(shù)：空氣冷卻、液體冷卻、基于相變材料的冷卻和基于熱電元件的冷卻。文章分別分析了每種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)與局限。研究指出，空氣冷卻適用于短途通勤類(lèi)電動(dòng)汽車(chē)；液體冷卻更適合長(zhǎng)續(xù)航、高熱負(fù)荷的大型電池系統(tǒng)；相變材料適用于熱負(fù)荷穩(wěn)定、環(huán)境溫度變化較小的應(yīng)用場(chǎng)景；而熱電冷卻系統(tǒng)則更適合與其他技術(shù)協(xié)同集成使用。

01引言

在全球范圍內(nèi)減碳需求日益迫切的驅(qū)動(dòng)下，傳統(tǒng)汽車(chē)正加速向電動(dòng)化轉(zhuǎn)型。2021年，電動(dòng)汽車(chē)銷(xiāo)量達(dá)到660萬(wàn)輛，是2019年的三倍，彰顯了市場(chǎng)對(duì)清潔出行的強(qiáng)烈渴求。然而，續(xù)航里程不夠、動(dòng)力電池壽命有限等短板，仍然制約著消費(fèi)者的購(gòu)買(mǎi)決策。

動(dòng)力電池組對(duì)溫度極為敏感，其最佳工作區(qū)間位于15?°C至35?°C。低于15?°C時(shí)，電池總?cè)萘肯陆怠?nèi)阻增大；高于35?°C則易引發(fā)不可逆化學(xué)反應(yīng)，加速衰減并帶來(lái)熱失控風(fēng)險(xiǎn)。因此，如何在各種工況下高效、穩(wěn)定地調(diào)節(jié)電池溫度，成為提升續(xù)航性能與保障行車(chē)安全的關(guān)鍵。

現(xiàn)有電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)（BTMS）主要可分為空氣冷卻、液體冷卻、相變材料（PCM）冷卻與熱電制冷四類(lèi)?？諝饫鋮s結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉，但在高熱負(fù)荷下散熱效率有限；液體冷卻（直接或間接）散熱效果出眾，卻增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本；PCM利用材料相變潛熱進(jìn)行被動(dòng)散熱，穩(wěn)定工況下表現(xiàn)優(yōu)異，但需借助金屬或石墨等導(dǎo)熱填料提升熱傳導(dǎo)；熱電制冷可實(shí)現(xiàn)精確控溫，并在冬季提供加熱功能，但其能耗和成本相對(duì)偏高。

綜合看來(lái)，空氣與液體冷卻因可根據(jù)負(fù)荷動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)冷卻強(qiáng)度，仍是在工業(yè)化應(yīng)用中最為常見(jiàn)的方案；PCM與熱電技術(shù)則在特定場(chǎng)景下展現(xiàn)了良好的互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)。本文將圍繞這四類(lèi)BTMS的最新研究進(jìn)展與性能對(duì)比，詳細(xì)評(píng)析各自的優(yōu)劣，為商業(yè)化設(shè)計(jì)提供參考。

02電池內(nèi)部熱量產(chǎn)生機(jī)理

鋰離子電池在充放電過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生熱量，且熱源主要位于電池內(nèi)部核心區(qū)域。圖1顯示了18650電池在0.5C放電3600秒后的溫度分布，表明僅依賴表面冷卻難以迅速帶走內(nèi)部熱量。

圖1. 18650型鋰離子電池單體以0.5 C倍率放電3600s后的熱分布

電池總熱生成率可分為焦耳熱和熵?zé)醿刹糠郑?/p>

其中，焦耳熱來(lái)源于電流通過(guò)內(nèi)阻產(chǎn)生的熱量；熵?zé)釀t與可逆化學(xué)反應(yīng)的熵變有關(guān)。研究表明，低倍率放電時(shí)熵?zé)嵴急容^高；而在高倍率條件下，焦耳熱成為主要熱源。

為滿足快充與大電流放電的需求，BTMS需在15?°C–35?°C范圍內(nèi)，對(duì)電池內(nèi)部與表面熱負(fù)荷進(jìn)行高效管理，以確保溫度均勻并防止熱失控。

03電動(dòng)汽車(chē)BTMS分類(lèi)與特點(diǎn)

電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的核心目標(biāo)，是通過(guò)優(yōu)化溫度提升電池壽命并降低熱失控風(fēng)險(xiǎn)。理想的BTMS應(yīng)同時(shí)滿足以下要求：

穩(wěn)定保持電池溫度在15?°C–35?°C；

系統(tǒng)輕便緊湊且節(jié)能；

具備良好成本效益；

實(shí)現(xiàn)電芯間溫度均勻；

在熱失控或泄漏時(shí)，能快速排除有毒氣體。

目前，BTMS可歸為五大類(lèi)：空氣冷卻、液體冷卻、PCM冷卻、熱電制冷與混合系統(tǒng)。每個(gè)系統(tǒng)的子類(lèi)如圖2所示。

圖2. 用于電動(dòng)汽車(chē)鋰離子電池組的不同BTMS類(lèi)型

空氣冷卻：依托自然或強(qiáng)制對(duì)流散熱，優(yōu)點(diǎn)在于介質(zhì)無(wú)腐蝕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低；缺點(diǎn)是高熱流密度時(shí)制冷能力受限。

液體冷卻：可分直接浸沒(méi)式和間接冷卻式。直接式將電池浸沒(méi)于介電液中；間接式通過(guò)冷卻板或冷卻帶導(dǎo)熱。該方案散熱效果優(yōu)異，但系統(tǒng)復(fù)雜、成本較高。

PCM冷卻：利用相變潛熱在15?°C–35?°C區(qū)間被動(dòng)吸熱。有機(jī)PCM化學(xué)穩(wěn)定、潛熱大但導(dǎo)熱率低且可燃；無(wú)機(jī)PCM導(dǎo)熱性好不燃，但相變溫度偏高，需要導(dǎo)熱增強(qiáng)措施。

熱電制冷：結(jié)合Seebeck與Peltier效應(yīng)，可將熱量回收發(fā)電或提供加熱功能，溫控精度高，但設(shè)備成本和能耗較大。

混合系統(tǒng)：將上述技術(shù)組合，如空氣+液體、PCM+空氣等，以平衡散熱性能與系統(tǒng)成本。

后續(xù)章節(jié)將針對(duì)各類(lèi)BTMS的研究進(jìn)展、性能評(píng)估及優(yōu)化策略進(jìn)行深入探討。

04空氣冷卻系統(tǒng)

基于空氣的BTMS與基于液體、PCM和熱電的BTMS相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)，包括使用直接的、低風(fēng)險(xiǎn)的、無(wú)粘性的冷卻劑，結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、成本低、維護(hù)要求低和可靠性好。主動(dòng)冷卻BTMS，如熱電熱管理和基于液體的BTMS，需要額外的能量來(lái)操作泵，TEG或TEC系統(tǒng)，從而導(dǎo)致電動(dòng)汽車(chē)的里程減少。然而，這種效率上的差異只適用于低熱負(fù)荷工況。在過(guò)高的熱負(fù)荷條件下，如高充放電速率或高環(huán)境溫度，空氣基BTMS比液體和熱電BTMS消耗更多的功率。

同樣，在高熱負(fù)荷下，PCM BTMS也比空氣基BTMS更有效。然而，由于需要大量的PCM來(lái)確保PCM的潛熱容量與鋰離子電池組產(chǎn)生的熱量相匹配，因此大多數(shù)PCM BTMS的重量將顯著增加?；诳諝獾腂TMS適用于低熱負(fù)荷的鋰離子電池應(yīng)用，并且明顯輕于其他類(lèi)型的BTMS。雖然許多商用電動(dòng)汽車(chē)使用基于液體的BTMS作為其鋰離子電池組，但基于空氣的BTMS也被用于電動(dòng)汽車(chē)和混合電動(dòng)汽車(chē)的幾個(gè)低能耗鋰離子電池系統(tǒng)中。

1自然通風(fēng)與強(qiáng)制對(duì)流

空氣冷卻BTMS按自然通風(fēng)和強(qiáng)制對(duì)流兩種模式運(yùn)行。

自然通風(fēng)：當(dāng)熱負(fù)荷較低且車(chē)輛運(yùn)動(dòng)時(shí)，外部空氣會(huì)經(jīng)電池包進(jìn)口進(jìn)入，通過(guò)電芯間隙吸收熱量后從出口排出，如圖3(a)所示。同樣，也可借助車(chē)艙冷氣，通過(guò)額外管道將冷卻空氣引入電池包，以增強(qiáng)散熱效果，如圖3(b)所示。該方式在車(chē)速不足、環(huán)境溫度過(guò)高或熱負(fù)荷過(guò)大時(shí)，散熱不均會(huì)導(dǎo)致電芯溫度梯度增大、充放電不均勻。

強(qiáng)制對(duì)流：為提高冷卻效率，可在進(jìn)口或出口處增設(shè)風(fēng)扇或鼓風(fēng)機(jī)，通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)速來(lái)匹配電池包的熱負(fù)荷。典型設(shè)計(jì)是在風(fēng)機(jī)與蒸發(fā)器/加熱器之間增設(shè)導(dǎo)管，以保證氣流經(jīng)過(guò)電池包的充分對(duì)流，如圖4所示。研究主要集中在：電芯排布優(yōu)化、進(jìn)出口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、散熱通道形狀改進(jìn)以及導(dǎo)熱增強(qiáng)材料的應(yīng)用。

圖3. (a)通過(guò)環(huán)境氣流對(duì)鋰離子電池組進(jìn)行被動(dòng)式空氣冷卻；(b)通過(guò)艙室氣流進(jìn)行被動(dòng)式空氣冷卻/加熱。

圖4. 在出口加引/送風(fēng)機(jī)進(jìn)行主動(dòng)式空氣冷卻/加熱設(shè)計(jì)。

2鋰離子電池陣列分布

改進(jìn)電池組架構(gòu)可以通過(guò)配置電池單元布局來(lái)實(shí)現(xiàn)，在保持最低成本、占用最少體積和具有最高能量密度的同時(shí)，最大限度地提高電池的散熱率。需要注意的是，最優(yōu)的電池陣列布局高度依賴于電池組的應(yīng)用和設(shè)計(jì)要求。

研究表明研究表明，六角陣列相比傳統(tǒng)矩形排列在高風(fēng)速下散熱更均勻；調(diào)整電芯縱向和橫向間距，則可在保證空間密度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)最佳熱均勻性。通過(guò)改變電池組的排布方式來(lái)更好地提高電池組的溫度均勻性的主要限制是它會(huì)影響電池的母線排布，而增加電池之間的間距會(huì)影響電池組的密度。因此，只有當(dāng)電池組的間距不重要時(shí)，才應(yīng)考慮改變電池組的排列。

圖5. 改變鋰離子電池排布方式改善電池組熱對(duì)流。(a) 3 × 10電池排布；(b)六邊形排布；(c) 6 × 5排布。

3進(jìn)出口優(yōu)化

調(diào)整進(jìn)口數(shù)量、位置及空氣溫度，是提升系統(tǒng)性能的有效手段。研究結(jié)果表明，以1C放電倍率為基準(zhǔn)，超過(guò)3個(gè)入口點(diǎn)，鋰離子電池單體的最大溫升不顯著，這表明空冷BTMS存在一個(gè)最佳的入口點(diǎn)數(shù)；降低進(jìn)口空氣溫度雖然效果顯著，卻會(huì)增加空調(diào)能耗，這也會(huì)降低鋰離子電池組的整體效率。因此，必須將冷卻風(fēng)扇入口數(shù)量和調(diào)節(jié)入口空氣溫度微調(diào)至電池組本身的運(yùn)行環(huán)境溫度和尺寸。

圖6. 風(fēng)冷電池組進(jìn)氣口數(shù)量的參數(shù)化。

此外，仿真結(jié)果表明，垂直風(fēng)冷策略是定位風(fēng)冷電池組進(jìn)出風(fēng)口最有效的方法。然而，垂直空氣冷卻策略可能不適用于幾種類(lèi)型的電動(dòng)汽車(chē)，因?yàn)樗鼘⒃黾与姵亟M的垂直高度，因?yàn)樗惭b了垂直傾斜的進(jìn)出口歧管。因此，垂直冷卻策略可能只適用于具有較大垂直間隙的EV類(lèi)型。

圖7. 電池組進(jìn)出口位置的調(diào)整。

4散熱通道設(shè)計(jì)

對(duì)于風(fēng)冷電池系統(tǒng)，增大冷卻通道尺寸可以提高系統(tǒng)的冷卻效率，但會(huì)降低系統(tǒng)的冷卻均勻性。除了冷卻通道的尺寸外，冷卻通道的幾何結(jié)構(gòu)也是影響風(fēng)冷BTMS冷卻效率的重要因素。開(kāi)發(fā)了三種主要的冷卻通道結(jié)構(gòu)，包括Z型、U型和J型冷卻通道結(jié)構(gòu)。

Z型通道：通過(guò)在末端設(shè)置二次出口，可減小通道末端的死角，使氣流更均勻地流經(jīng)所有電芯。一些研究在通道中增設(shè)擾流板，以增加氣流的混合和擾動(dòng)，從而提升散熱均勻性。

U型通道：利用管道彎折帶來(lái)的流速變化，增強(qiáng)中段電芯的局部冷卻。文獻(xiàn)指出，通過(guò)調(diào)整彎折角度和半徑，可優(yōu)化熱傳遞效果并改善局部散熱。

J型通道：其是U型和Z型冷卻系統(tǒng)的適配。本質(zhì)上，J型風(fēng)冷結(jié)構(gòu)有兩個(gè)帶有控制閥的出口，可以控制開(kāi)口角度，以更好地調(diào)節(jié)通過(guò)鋰離子電池組的氣流。該結(jié)構(gòu)可在多種風(fēng)速和熱負(fù)荷下保持較好的溫控性能。

需要指出的是，J型通道可能會(huì)增加電動(dòng)汽車(chē)內(nèi)部的管道基礎(chǔ)設(shè)施的復(fù)雜性，而這在緊湊的電動(dòng)汽車(chē)模型中是不合適的。因此，不犧牲電池組復(fù)雜度的替代性增強(qiáng)方法將更適合小型電動(dòng)汽車(chē)。

圖8 . J型風(fēng)冷結(jié)構(gòu)采用U型出風(fēng)口和Z型出風(fēng)口，并配有各自的控制閥。

5導(dǎo)熱增強(qiáng)劑

在電芯間或電池包內(nèi)引入多孔鋁泡沫、鰭片等導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)，可均勻分布?xì)饬鳒囟炔⑻嵘嵝?。研究表明，可變高度翅片可依?jù)熱流分布優(yōu)化溫度均勻性。此外，冷卻翅片的添加的另一個(gè)好處是它的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度對(duì)抗沖擊的額外改善，降低電池受到?jīng)_擊時(shí)短路風(fēng)險(xiǎn)。

添加此類(lèi)導(dǎo)熱增強(qiáng)劑的主要問(wèn)題是其對(duì)電池組整體重量的影響。多孔泡沫鋁、擾流柱散熱器或輔助散熱翅片的加入確實(shí)可以改善冷卻均勻性，但會(huì)增加電池組的總重量。

05液冷系統(tǒng)

基于液體的BTMS的主要優(yōu)點(diǎn)是它能夠以比空氣冷卻系統(tǒng)更低的流速實(shí)現(xiàn)更高的傳熱速率。許多類(lèi)型的流體被用作液基BTMS的冷卻劑，包括水、油、含有懸浮金屬顆粒的水和乙二醇。由于每種流體類(lèi)型具有不同的粘度和比熱容值，因此所選擇的流體類(lèi)型取決于需要吸收的熱量以及在電池組周?chē)ǖ懒黧w所需的機(jī)械能?；谝后w的BTMS分為間接冷卻和直接冷卻兩類(lèi)，主要區(qū)別在于間接冷卻要求冷卻液與鋰離子電池物理分離。

間接液體冷卻是指通過(guò)冷卻介質(zhì)將冷卻液導(dǎo)通，使流體能夠吸收來(lái)自電池組的熱量，同時(shí)防止液體介質(zhì)與鋰離子電池組本身之間發(fā)生短路。一些常用的間接冷卻方式包括冷卻板、導(dǎo)熱管或通過(guò)熱管將熱量從鋰離子電池組傳導(dǎo)出去。

1冷卻板通道優(yōu)化

冷卻板是一種具有內(nèi)部冷卻通道的平板，主要適用于棱柱形電池。其冷卻性能主要受冷卻板位置和通道設(shè)計(jì)的影響。冷卻板可布置于電池組側(cè)邊、相鄰電芯之間或電芯內(nèi)部。側(cè)邊布置需配合散熱片將內(nèi)部熱量導(dǎo)出；相鄰電芯間布置需減小電芯厚度；內(nèi)部集成則需微型化流道。

圖9. 冷卻板。

冷板的冷卻性能還與通道結(jié)構(gòu)相關(guān)，因?yàn)樗鼪Q定了冷板的傳熱面積和壓降。通道構(gòu)型（蛇形或平行）顯著影響散熱效果和壓降。研究發(fā)現(xiàn)，雙入口蛇形通道（圖10a）比單入口設(shè)計(jì)具有更優(yōu)的溫度均勻性。此外，窄深通道的傳熱效率優(yōu)于寬淺通道。對(duì)比蛇形與平行通道，蛇形通道結(jié)合圓形翅片和凹槽（圖11f）能提升溫度均勻性，但壓降較高；平行通道配合橢圓形翅片（圖11g）則更適用于高流速場(chǎng)景。綜合來(lái)看，多入口蛇形通道結(jié)合圓形翅片是方形和軟包電池的最佳選擇，但需權(quán)衡制造成本與電池組尺寸。

圖10. 冷卻板間不同的液冷通道構(gòu)型。

圖11. 蛇形與平行冷卻板設(shè)計(jì)效果的對(duì)比，以及沿通道不同溝槽形態(tài)的效果對(duì)比。

2導(dǎo)熱管

圓柱電池因缺乏平整表面，通常采用導(dǎo)熱管替代冷卻板。特斯拉Model S采用鍍絕緣材料的鋁管嵌入圓柱電池間隙，并通過(guò)逆流設(shè)計(jì)提升散熱均勻性。此外，有研究人員在鋰電池之間構(gòu)建帶有冷卻管的鋁殼，鋁殼內(nèi)填充沸騰丙烷，發(fā)現(xiàn)該設(shè)計(jì)溫度均勻性優(yōu)于直接液冷，但高溫工況下峰值溫度較高。通過(guò)漸變管徑和流速優(yōu)化，使垂直流道模型重量和體積大幅減小，同時(shí)溫度均勻性更優(yōu)。

3熱管冷凝器布置

熱管(HP)是一種結(jié)構(gòu)緊湊、幾何形狀可調(diào)的傳熱器件，可用作包括電力電子冷卻和空調(diào)系統(tǒng)在內(nèi)的多種應(yīng)用的裝置。高壓加熱器內(nèi)充滿換熱流體，分為3個(gè)區(qū)域，如圖12所示，分別為蒸發(fā)區(qū)、絕熱區(qū)和冷凝區(qū)。電池系統(tǒng)或熱源附著在蒸發(fā)器段，會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱流體的蒸發(fā)。轉(zhuǎn)換后的蒸汽將向冷凝區(qū)傳遞熱量，轉(zhuǎn)換回流體，在吸液芯微結(jié)構(gòu)中再次吸收，然后被動(dòng)地回流到蒸發(fā)區(qū)重復(fù)這一過(guò)程。

圖12. HPs的工作原理。

有研究人員為23Ah鈦酸鋰電池設(shè)計(jì)熱管系統(tǒng)，在8C放電率下使電池溫升降低13.7%（自然對(duì)流）和33.4%（強(qiáng)制對(duì)流），但冷凝段需延伸至電池外部導(dǎo)致體積增加。通過(guò)傾斜冷凝段、鋁翅片和煙囪風(fēng)道優(yōu)化，在10-12C放電率下維持電池溫度于15-35℃，但水平放置時(shí)散熱性能下降，并且額外的空氣煙囪通風(fēng)仍然占據(jù)很大的體積，這可能不適合緊湊的電動(dòng)汽車(chē)。

4直接冷卻

直接液冷通過(guò)將電池浸入高比熱容的絕緣介質(zhì)（如去離子水、硅油、氟化烴）實(shí)現(xiàn)高效散熱。

用于BTMS應(yīng)用的浸沒(méi)式冷卻液具有高閃點(diǎn)和非揮發(fā)性特點(diǎn)，這降低了電池組熱失控的風(fēng)險(xiǎn)。Xing Mobility、Rimac和Kreisel等公司已采用浸沒(méi)式冷卻。

浸沒(méi)冷卻分為單相冷卻和兩相冷卻兩種模式。在單相冷卻的情況下，冷卻劑以液體形式存在。兩相冷卻是利用沸騰溫度較低的冷卻劑使冷卻劑汽化，汽化后的蒸汽通過(guò)水冷凝器冷卻回液態(tài)。兩相系統(tǒng)在由液相向氣相過(guò)渡過(guò)程中所吸收的汽化潛熱能顯著提升對(duì)流換熱效果，但與單相系統(tǒng)相比，BTMS應(yīng)用中存在若干缺點(diǎn)：包括由于冷凝器效率不足導(dǎo)致冷卻液逐漸損失、系統(tǒng)復(fù)雜度增加、維護(hù)成本上升、系統(tǒng)體積增大，以及冷卻劑蒸汽對(duì)電動(dòng)汽車(chē)底盤(pán)其他電子元件造成污染的風(fēng)險(xiǎn)。

因此，單相浸沒(méi)冷卻電池包在維護(hù)難度和成本上優(yōu)于兩相浸沒(méi)冷卻。浸沒(méi)冷卻雖冷卻效率高，但高粘度液體需更大泵功率；電介質(zhì)液體成本高且增加重量。因此，浸沒(méi)冷卻的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)更適用于有快速充放電需求的電池包設(shè)計(jì)。

圖13. 單相和兩相浸沒(méi)冷卻

06PCM冷卻系統(tǒng)

相變材料的高潛熱特性使得基于PCM的BTMS能夠在恒定溫度范圍內(nèi)吸收大量熱量，且無(wú)需依賴風(fēng)扇或泵等主動(dòng)耗能組件。PCM主要分為有機(jī)和無(wú)機(jī)兩類(lèi)，各自具有獨(dú)特的化學(xué)與熱性能。

有機(jī)PCM可細(xì)分為兩類(lèi)：石蠟類(lèi)（如烷烴）和非石蠟類(lèi)（如脂肪酸、二醇、糖醇）。其優(yōu)勢(shì)包括無(wú)腐蝕性、無(wú)毒、化學(xué)穩(wěn)定性高，適用于電動(dòng)車(chē)電池?zé)峁芾?。但有機(jī)PCM也存在明顯缺陷：導(dǎo)熱系數(shù)低（易導(dǎo)致局部過(guò)熱）、可燃性（存在熱失控風(fēng)險(xiǎn)），以及固液相變時(shí)因黏度低可能導(dǎo)致泄漏問(wèn)題。為改善有機(jī)PCM的熱導(dǎo)性能，常見(jiàn)的三種手段包括：在換熱面添加翅片、將PCM封裝于高導(dǎo)熱涂層中，以及加入石墨納米顆粒或金屬泡沫等導(dǎo)熱填料。

1PCM鰭片配置

在PCM容器中安裝鰭片是提升有機(jī)PCM熱導(dǎo)率的有效方法。安裝鰭片的方法主要有兩種，一種是將鰭片直接放置在PCM化合物中，另一種是將鰭片放置在PCM表面的頂部，然后通過(guò)空氣冷卻分別進(jìn)行冷卻。

研究表明，縱向鰭片在空氣對(duì)流冷卻時(shí)具有更好的散熱性，而圓形鰭片在PCM內(nèi)部具有更大的熱傳導(dǎo)性。通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化，確定了最適合18650鋰離子電池PCM冷卻的翅片結(jié)構(gòu)為底部2個(gè)圓形鰭片，頂部4個(gè)矩形縱向鰭片。雖然導(dǎo)熱鰭片的添加確實(shí)顯著提高了PCM的導(dǎo)熱性能，但由于在電池組中添加此類(lèi)鰭片需要額外的機(jī)械加工，因此會(huì)增加電池組的制造成本，同時(shí)增大體積。

2導(dǎo)熱涂層

另一種提高PCM導(dǎo)熱性能的替代方案是PCM微膠囊化。該工藝通過(guò)懸浮、乳液、界面聚合等方法，將固–液相變材料封裝于具有導(dǎo)熱性能的穩(wěn)定聚合物薄膜中。殼體材料可分為有機(jī)、無(wú)機(jī)和有機(jī)–無(wú)機(jī)混合三類(lèi)。

圖14. 不同微膠囊對(duì)PCM導(dǎo)熱性能的增強(qiáng)。

有機(jī)殼體材料具有優(yōu)異的密封性和結(jié)構(gòu)柔韌性，能夠很好地應(yīng)對(duì)相變過(guò)程中核心PCM的反復(fù)體積變化，最常用的有三聚氰胺甲醛樹(shù)脂、尿素甲醛樹(shù)脂和丙烯酸樹(shù)脂等。然而，有機(jī)殼體材料也存在可燃性高、導(dǎo)熱性差及力學(xué)性能不足等缺點(diǎn)，限制了其在BTMS微膠囊化應(yīng)用中的廣泛采用。

無(wú)機(jī)殼體材料導(dǎo)熱性能更佳，具有良好的剛性和力學(xué)強(qiáng)度。常用的無(wú)機(jī)殼體材料有二氧化硅（SiO?）、氧化鋅（ZnO）、二氧化鈦（TiO?）和碳酸鈣（CaCO?）等。盡管無(wú)機(jī)殼體在導(dǎo)熱和力學(xué)性能上優(yōu)于有機(jī)殼體，但其柔韌性較差，多次相變循環(huán)后易導(dǎo)致PCM核心泄漏。

有機(jī)–無(wú)機(jī)混合殼體則兼具純有機(jī)和純無(wú)機(jī)殼體的優(yōu)點(diǎn)，提供了良好的力學(xué)強(qiáng)度、導(dǎo)熱性、化學(xué)穩(wěn)定性和柔韌性。常見(jiàn)的混合殼體包括摻雜SiO?或TiO?的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和聚三聚氰胺甲醛殼。有機(jī)–無(wú)機(jī)微膠囊化在提供足夠?qū)嵩鰪?qiáng)的同時(shí)還能保持力學(xué)穩(wěn)定性并最大限度減少PCM核心泄漏，是一種值得考慮的導(dǎo)熱改性方式。但需注意，PCM微膠囊化的可行性受限于合成過(guò)程的復(fù)雜性及原料采購(gòu)難度。

3導(dǎo)熱填料

第三種提升PCM導(dǎo)熱性能的技術(shù)是向其添加導(dǎo)熱填料，如納米顆粒、金屬顆粒、金屬泡沫和碳納米管等。通過(guò)混入這些填料，PCM的導(dǎo)熱率和換熱效率能夠大幅提升，同時(shí)還能降低有機(jī)PCM的可燃性。

導(dǎo)熱填料雖能顯著提高PCM的導(dǎo)熱率，但也會(huì)降低其比熱容，因此需要在所需導(dǎo)熱增強(qiáng)效果與保持足夠潛熱容量之間進(jìn)行權(quán)衡。此外，填料可能在多次相變循環(huán)中發(fā)生聚集，需通過(guò)重新攪拌等手段來(lái)恢復(fù)PCM的溫度均勻性。

4無(wú)機(jī)PCM

無(wú)機(jī)PCM主要包括熔融鹽、含水鹽和金屬，具有高潛熱容量、不可燃且成本相對(duì)有機(jī)PCM較低等優(yōu)點(diǎn)。然而，大多數(shù)研究不采用無(wú)機(jī)PCM，主要因?yàn)樗鼈兙哂懈g性、較高的相變溫度、同樣較差的導(dǎo)熱性、重量大，以及在多次相變循環(huán)中易發(fā)生相分離、脫水和過(guò)冷，導(dǎo)致穩(wěn)定性差。其中，脫水是其應(yīng)用于熱能存儲(chǔ)的最大障礙，會(huì)使材料不穩(wěn)定。

07熱電系統(tǒng)

熱電發(fā)電與熱電制冷器（TEC）作為電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)亦具有諸多優(yōu)勢(shì)：它們運(yùn)行相對(duì)安靜、穩(wěn)定，并且可通過(guò)電壓的微調(diào)實(shí)現(xiàn)更精確的溫度控制。通常，熱電器件利用Peltier–Seebeck效應(yīng)及Thompson效應(yīng)，在冷端與熱端之間進(jìn)行溫差與電流的相互轉(zhuǎn)換。然而，用于BTMS的熱電系統(tǒng)存在主要弊端：其熱效率較低，而且需要額外的能量驅(qū)動(dòng)，從而降低了電池包本身的整體熱效率。

大多數(shù)研究工作會(huì)將TEC與其他冷卻形式（包括風(fēng)冷、液冷和PCM冷卻）組合成混合系統(tǒng)。例如，搭建液體–空氣–TEC混合冷卻系統(tǒng)；或?qū)EC模塊與U形和Z形冷卻板耦合，用于棱柱形鋰離子電池冷卻；以及將TEC與直接風(fēng)冷系統(tǒng)結(jié)合，應(yīng)用于混合動(dòng)力巴士電池包等。將TEC與其他BTMS冷卻方式混合能夠顯著降低電池包的最高溫度并優(yōu)化溫度分布，但也會(huì)增加系統(tǒng)復(fù)雜性并額外消耗電池功率，可能對(duì)整體效率產(chǎn)生不利影響。

08討論

從所做的綜述研究可以看出，各種BTMS系統(tǒng)各有優(yōu)劣，適用于不同規(guī)格的電池包。明顯地，每種BTMS可分為被動(dòng)與主動(dòng)兩類(lèi)，如表?1 和表?2 所示。

表1 被動(dòng)BTMS系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

表2. 主動(dòng)BTMS系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

通過(guò)自然通風(fēng)的空氣冷卻是最廉價(jià)、最簡(jiǎn)單的電池包冷卻方式，但由于其熱容和傳熱系數(shù)都較低，難以滿足大多數(shù)電動(dòng)汽車(chē)的散熱需求。因此，它僅適用于充放電速率低、體積小且環(huán)境溫度適宜的短途車(chē)型。

熱管能夠被動(dòng)工作并具有高于空氣冷卻的傳熱效率，但其冷凝段體積大、溫度難以精控，且冷凝器仍需額外冷卻，使其在整車(chē)集成時(shí)面臨空間和系統(tǒng)復(fù)雜度挑戰(zhàn)。為減少冷凝段占用空間，一般將冷凝器傾斜布置以節(jié)省體積。

相變材料作為被動(dòng)BTMS具有吸熱量大、可在相變溫度下長(zhǎng)時(shí)間維持恒溫的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)無(wú)需主動(dòng)冷卻部件，系統(tǒng)緊湊。然而，PCM在熔融后需較長(zhǎng)時(shí)間重新固化，液態(tài)時(shí)存在泄漏風(fēng)險(xiǎn)，其高潛熱僅在狹窄溫度區(qū)間內(nèi)可用，難以應(yīng)對(duì)電池包內(nèi)的快速溫升或驟冷。對(duì)于有機(jī)PCM，還需警惕熱失控時(shí)的可燃性；無(wú)機(jī)PCM則存在多次相變后化學(xué)穩(wěn)定性差、熔點(diǎn)高、比重大等問(wèn)題。鑒于此，可在熱工況相對(duì)穩(wěn)定且已采取阻燃措施的車(chē)型中采用有機(jī)PCM?BTMS。為提升PCM系統(tǒng)質(zhì)量，其容器應(yīng)增強(qiáng)導(dǎo)熱、防止泄漏并保證多次循環(huán)的均勻性，因此帶導(dǎo)熱涂層或鰭片結(jié)構(gòu)的封裝容器是理想選擇。

針對(duì)長(zhǎng)途快充車(chē)型，其大容量電池包在高熱負(fù)荷下需要主動(dòng)冷卻系統(tǒng)來(lái)精準(zhǔn)調(diào)控散熱能量。通過(guò)強(qiáng)制對(duì)流的風(fēng)冷，可依據(jù)熱負(fù)荷調(diào)節(jié)風(fēng)速，實(shí)現(xiàn)所需的散熱效果；借助J型通道等優(yōu)化進(jìn)、出口結(jié)構(gòu)，還能進(jìn)一步提升冷卻性能。但風(fēng)冷BTMS也存在風(fēng)道內(nèi)氣流紊亂導(dǎo)致冷卻不均、空氣低傳熱系數(shù)和比熱容帶來(lái)的能效瓶頸?？赏ㄟ^(guò)在電池包內(nèi)增設(shè)多點(diǎn)進(jìn)氣口、在關(guān)鍵區(qū)域布置多孔鋁沫或安裝熱沉等方式補(bǔ)償這些缺陷。

在實(shí)際應(yīng)用中，大多數(shù)電動(dòng)汽車(chē)仍以液冷BTMS為主，因?yàn)橐后w通常具有高于空氣的傳熱系數(shù)和比熱容。對(duì)于棱柱或軟包電池，冷卻板能覆蓋更大受冷面積，但鋁或銅冷卻板自重大，會(huì)顯著增加整車(chē)質(zhì)量；且液體沿冷卻板流動(dòng)時(shí)會(huì)逐漸升溫，靠近出口區(qū)域的散熱性能較差，需并聯(lián)多路通道以改善均勻性。與冷卻板相比，導(dǎo)熱軟管更輕便、柔性好，可根據(jù)電池幾何形狀設(shè)計(jì)管路，但同樣存在出口末端散熱差和管路泄漏風(fēng)險(xiǎn)，需定期檢修更換。

浸沒(méi)冷卻通過(guò)直接將電池包浸入介電液中，最大化受冷面積，并利用介電液高比熱實(shí)現(xiàn)卓越的快充快放性能；其不可燃性也能大幅降低熱失控風(fēng)險(xiǎn)。但介電液成本高、用量大，因而更適合高性能、高熱負(fù)荷車(chē)型。

熱電制冷器可精細(xì)調(diào)控電池包散熱量，但自身制冷效率有限，需與風(fēng)冷或液冷系統(tǒng)聯(lián)合使用，以實(shí)現(xiàn)精確控溫。

綜上所述，各BTMS方案各有側(cè)重：風(fēng)冷適合輕量短途，液冷勝在高熱負(fù)荷，PCM被動(dòng)高效，TEC精控精準(zhǔn)；混合系統(tǒng)則可兼顧多種優(yōu)勢(shì)，但也會(huì)提高系統(tǒng)復(fù)雜度和成本。在具體車(chē)型選型時(shí)，應(yīng)根據(jù)電池包規(guī)格、散熱需求和整車(chē)集成約束，權(quán)衡各方案優(yōu)劣，選擇最優(yōu)的單一或混合BTMS組合。

09結(jié)語(yǔ)

本文回顧了電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)（BTMS）技術(shù)的最新進(jìn)展，重點(diǎn)探討了空氣冷卻、液冷、相變材料（PCM）和熱電冷卻四種方案的優(yōu)劣，并對(duì)多種混合系統(tǒng)進(jìn)行了分析?？諝饫鋮s能耗最低、維護(hù)簡(jiǎn)單、成本最低，適用于熱負(fù)荷較低的短途電動(dòng)汽車(chē)；液冷換熱系數(shù)高、比熱容大、溫度分布均勻，但成本、重量和維護(hù)需求也更高，適合長(zhǎng)途高熱負(fù)荷場(chǎng)景；PCM系統(tǒng)可在相變過(guò)程中被動(dòng)吸收大量熱量，但熱導(dǎo)率低、潛熱有效溫度范圍窄，適用于熱負(fù)荷穩(wěn)定且環(huán)境溫度恒定的應(yīng)用；熱電冷卻溫度控制精準(zhǔn)，但單獨(dú)使用時(shí)制冷效率不足，需與風(fēng)冷或液冷等方式聯(lián)合使用；混合BTMS則可綜合多種方案的優(yōu)勢(shì)，卻會(huì)帶來(lái)更高的系統(tǒng)復(fù)雜性和成本。因此，在選型與設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分權(quán)衡各方案的特點(diǎn)與實(shí)際需求，選擇最優(yōu)的混合或單一BTMS組合。