車用鋰電池散熱方法研究

逯彥紅， 段國林

(1.河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津300130；2.天津職業(yè)大學(xué)機(jī)電工程與自動化學(xué)院，天津300410)

車用鋰電池散熱方法研究

逯彥紅1,2， 段國林1

(1.河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津300130；2.天津職業(yè)大學(xué)機(jī)電工程與自動化學(xué)院，天津300410)

綜述了鋰離子電池冷卻方式的最新研究進(jìn)展，包括風(fēng)冷、液冷、相變冷卻和熱管冷卻,并分別對每種冷卻方式進(jìn)行了歸納與分析。指出了目前研究的不足之處，多從冷卻效果出發(fā)，較少考慮系統(tǒng)的質(zhì)量、能效，及是否有利于電池箱體在整車內(nèi)的布置等。提出了未來鋰離子動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的研究方向，為后續(xù)研究提供參考。

鋰電池；熱管理；風(fēng)冷；液冷；相變；熱管；金屬泡沫

截止2014年底，世界汽車保有量達(dá)12億輛，我國達(dá)到1.5億輛，交通對能源危機(jī)和環(huán)境污染帶來雙重壓力，迫切需要大力開發(fā)和研究高效、清潔、安全的新能源汽車來實現(xiàn)節(jié)能減排。鋰離子電池由于具有比能量高、無污染、無記憶效應(yīng)等優(yōu)點成為新能源汽車動力系統(tǒng)的最佳候選。但鋰離子電池對溫度非常敏感，在合適的溫度范圍內(nèi)電池組才能高效率放電并保持良好的性能。高溫時易出現(xiàn)老化速度快、熱阻增加快、循環(huán)次數(shù)少、使用壽命短等問題。要將電池組工作溫度控制在理想的范圍內(nèi)，必須采用一定的散熱措施。鋰電池散熱系統(tǒng)設(shè)計強(qiáng)調(diào)2個目標(biāo)參數(shù)，一個是電池組的最高溫度要低于50℃，另一個是電池組的溫度均方差(SDT)最小，即單體電池間的溫度均勻性最好[1]。

目前鋰電池?zé)峁芾淼难芯糠椒ㄖ饕绽?、液冷、相變冷卻和熱管冷卻。

1 空冷

空冷是目前國產(chǎn)和日產(chǎn)電動汽車普遍采用的冷卻方式。當(dāng)環(huán)境溫度較高、電池長時間高倍率持續(xù)放電時，通過風(fēng)扇冷卻的方式就不能很好地滿足散熱需求。要提高空冷的散熱效率，最直接的方式是提高空氣流動速度和增大散熱面積。彭影[2]把進(jìn)風(fēng)速度從1 m/s提高到10 m/s，最高溫度仍超過了40℃，最大溫差達(dá)到8℃。Fan等[3]研究對象是由8個矩形鋰電池(單體容量15 Ah)順序排列的電池組，當(dāng)環(huán)境溫度27℃時，空氣流量達(dá)到40.8 m3/h時才得到較好的散熱效果?？梢姡L(fēng)速越高，冷卻效果越好，但僅靠提高風(fēng)速來達(dá)到散熱目的并不理想，而且風(fēng)扇的功耗也會增大。另外，增大電池組的包裝面積、增大電池間距或電池與箱體之間的距離，可以增強(qiáng)散熱，但這樣會增大整個電池箱體的體積，不便于安裝。故需要在有限的空間內(nèi)，風(fēng)扇功耗盡量低的前提下合理地設(shè)計空氣流場。

風(fēng)冷系統(tǒng)中進(jìn)出風(fēng)口的位置、數(shù)量和進(jìn)風(fēng)角度均會影響電池包中的氣體流場的均勻性。由于熱氣流的浮升作用及場協(xié)同原理，應(yīng)將進(jìn)風(fēng)口設(shè)置在出風(fēng)口的上面并適當(dāng)增加出風(fēng)口數(shù)量。入口角度設(shè)計為漸縮形,進(jìn)風(fēng)口角度為3°～4°可以改善散熱效果，但并不能從根本上滿足電池組散熱的需求。

空氣進(jìn)入電池箱體對電池進(jìn)行冷卻，位于前面的電池冷卻快，位于后面的電池由于散熱空氣與前面的電池進(jìn)行熱交換后溫度逐漸升高，散熱效果下降，使得電池冷卻不均勻，嚴(yán)重影響到電池的性能與安全。設(shè)計合理的風(fēng)道和流場，能緩解上述問題。Kuahai Yu等[4]設(shè)計兩個分別具有獨(dú)立的進(jìn)風(fēng)通道和風(fēng)扇的風(fēng)道，與原來的方式相比可以提升位于后面電池的冷卻效果。另外，為了使流場設(shè)計流速更快，流場更均勻，研究者們[5－6]從電池的排列方式和放置方向等方面做了大量研究，研究發(fā)現(xiàn)圓柱形電池排列方式叉排優(yōu)于順排，方形電池橫向放置優(yōu)于縱向放置，梯形排列優(yōu)于矩形排列，即沿氣流方向收縮氣道，可以提高下游氣流的散熱能力，提高電池組的溫度均勻性。

2 液冷

目前，歐美系列如法國標(biāo)致雪鐵龍的Berlingo、德國大眾的GLOF等純電動車采用液冷方式。此方式需要設(shè)計復(fù)雜的系統(tǒng)以滿足流體的循環(huán)和對漏液的防護(hù)。目前液冷的研究大多是冷卻劑通道和流量等因素對散熱效果影響。

Huo[7]研究通道數(shù)由3個增多到6個，最高溫度可從62.55℃降低到58.4℃，但630 s后最大溫差快速變大。鄧元望[8]在冷板中間設(shè)計了對稱通道。Jiateng Zhao[9]使用微通道液冷技術(shù)，當(dāng)微通道數(shù)量為8個時，研究了9種不同的質(zhì)量流量的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)質(zhì)量流量增大時，最高溫度有小幅下降，但最大溫差很難控制在5℃以下。從目前研究情況來看，液冷方式通過增多冷卻劑通道數(shù)量或加大質(zhì)量流量的方式來增強(qiáng)電池組的散熱，對于大功率鋰電池組，冷卻效果并不理想，且會增大泵的功耗。這也是目前液體冷卻較少應(yīng)用于電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中的重要原因。

3 相變冷卻

利用PCM(PCM)進(jìn)行電池冷卻的原理是當(dāng)電池進(jìn)行大電流放電時，PCM吸收電池放出的熱量發(fā)生相變，使電池溫度迅速降低，且不增加耗能元件[10－12]。目前還沒有電動汽車采用該冷卻方式，仍處于實驗研究階段。X.Duan[13]N.Javani等[14]對比研究發(fā)現(xiàn)相變材料冷卻比強(qiáng)制對流空冷能維持更低的最高溫度并延長溫升的過渡時間。石蠟相變潛熱高、熔化時蒸汽壓力低、幾乎沒有過冷現(xiàn)象、穩(wěn)定性較好、沒有相分離和腐蝕性，價格較低，是良好的相變材料，但石蠟導(dǎo)熱率低，容易導(dǎo)致熱積累。

3.1 在相變材料中加入高導(dǎo)熱率物質(zhì)提高導(dǎo)熱率

由于銅的導(dǎo)熱率很高，在石蠟中加入銅粉末可以提高相變材料的導(dǎo)熱率。W.Q.Li等[15]分別在石蠟中加入五種類型銅粉末形成五種混合物。實驗發(fā)現(xiàn)泡沫復(fù)合相變材料比純相變材料更能保持低表面溫度和溫差的均勻性。A.Babapoor[16]實驗研究發(fā)現(xiàn)在石蠟中添加2mm長的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為0.46%的碳纖維來提高導(dǎo)熱率，能將電池的最高溫度下降45%。另外，純相變材料與石墨組合也可以提高相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)。Lin等[17]選用石蠟和石墨的組合作為相變材料，復(fù)合材料導(dǎo)熱率是石蠟的24倍?？梢?，在相變材料石蠟中添加金屬粉末或碳纖維、石墨等高導(dǎo)熱率的材料組成相變復(fù)合材料，可以提高相變材料的導(dǎo)熱率，增強(qiáng)電池組的散熱效果。

3.2 將相變材料填充于多孔介質(zhì)中提高導(dǎo)熱率

為了克服石蠟的低導(dǎo)熱率，可以將石蠟填充于金屬泡沫等多孔介質(zhì)中，制備成高導(dǎo)熱率的復(fù)合相變材料以增強(qiáng)傳熱[18]。饒中浩[19]用石蠟做基材，泡沫銅為骨架材料，形成CF/PCM復(fù)合相變材料填充在電池空隙內(nèi)。分別研究了不同環(huán)境溫度、不同放電倍率、不同導(dǎo)熱系數(shù)等情況下的散熱特性，研究證實了相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)增大，有助于降低電池的最高溫度和最大溫差。張國慶[20]將泡沫銅作為強(qiáng)化傳熱骨架，石蠟壓入泡沫銅的空隙中。研究發(fā)現(xiàn)電池組即使在6C放電時，最高溫度也在50℃以下，溫差不超過10℃。Wang[21]選擇泡沫鋁代替泡沫銅，實驗研究發(fā)現(xiàn)添加泡沫鋁后也能使電池組溫度分布更均勻，最高溫度更低。Riza Kizilel等[22]將固體石蠟封裝于石墨矩陣中，由于導(dǎo)熱率提高，使得電池最高溫度和最大溫差得到有效控制。這是因為多孔介質(zhì)具有比表面積大，韌帶導(dǎo)熱強(qiáng)等特性，不僅起到相變材料的儲存和支撐作用，而且是有利的強(qiáng)化傳熱的載體。當(dāng)電池的溫度達(dá)到石蠟熔點時，石蠟開始吸收潛熱量熔解，泡沫金屬等多孔介質(zhì)能將石蠟吸收的熱量迅速傳遞到外界，從而使電池溫度降低并保證電池表面溫度均勻。

相變散熱具有結(jié)構(gòu)緊湊，不增加耗能原件的優(yōu)勢，但是最大的缺陷是電池組必須攜帶足夠量的相變材料用于吸收熱量，一旦相變材料全部由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，不能很快地重新變回固態(tài)再吸收熱量，即只能單次循環(huán)。

4 熱管冷卻

目前在對電動汽車動力電池的熱管理中，應(yīng)用熱管作為散熱手段的研究還不多。

Rao[23]研究對象選用鋁加熱器代替矩形磷酸鐵鋰電池(118mm×63mm×13mm、電容量為8 Ah)，將銅制扁平型熱管(外徑5mm，內(nèi)徑4mm，總長18mm，工作液為水)均勻分布并與電池表面緊密接觸。實驗表明，電池功率不得超過50 W，否則最高溫度會超過50℃，電池內(nèi)部溫差也會超過5℃。Zhao[24]等許多研究者采用熱管和其他方式的組合來改善散熱效果。Thanh-Ha Tran[25]在散熱器表面用熱油脂粘貼扁平型熱管后，冷卻系統(tǒng)的熱阻只有原來的30%。

但由于熱管與電池接觸方式為線接觸而非面接觸，所以單獨(dú)使用熱管冷卻效果并不理想。利用熱管與相變結(jié)合散熱，仍然存在相變材料單次循環(huán)的約束。熱管與散熱器結(jié)合來提高熱管的冷卻能力，可以改善電池組的散熱效果，但組合的散熱系統(tǒng)過于復(fù)雜。

5 總結(jié)

目前對于車用鋰電池的散熱研究，主要從散熱能力出發(fā)，較少考慮熱管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是否復(fù)雜、質(zhì)量和體積是否過大等缺陷，較少地考慮系統(tǒng)增加的額外功耗。

液冷方式系統(tǒng)復(fù)雜，對于大功率鋰電池，通過加大質(zhì)量流量或增多通道數(shù)量，最高溫度和最大溫差下降不明顯，且會增大泵的功耗；相變冷卻雖然沒有功耗設(shè)備，但只能單次循環(huán)，且現(xiàn)在的研究主要以散熱能力為目標(biāo)，沒有考慮電池散熱所需要的相變材料的質(zhì)量和體積。質(zhì)量和體積太大會影響到整車的質(zhì)量，進(jìn)而影響到電池的續(xù)航里程和性能以及整個電池箱體在車體的布置。熱管冷卻散熱能力小，且目前熱管類產(chǎn)品使用壽命短。

空冷系統(tǒng)簡單，可靠性高，但散熱能力差。在不增加電池箱體的體積、風(fēng)機(jī)的功耗盡量低的前提下，設(shè)計新的空氣流場來提升空冷的散熱效果，將是近期可實現(xiàn)能實際應(yīng)用的車用鋰電池散熱方式。

針翅散熱器和泡沫金屬體積小，質(zhì)量輕，散熱面積大[26－28]，可應(yīng)用于高強(qiáng)度電子設(shè)備和電子芯片散熱。泡沫金屬(開口)是一種低密度的多孔介質(zhì)，質(zhì)量輕，比表面積大，流體流過時可得到很大的接觸面積，而且與流動方向相垂直的孔棱可將邊界層隔斷強(qiáng)化流體湍動。研究者[26－30]發(fā)現(xiàn)泡沫金屬和針翅散熱器，結(jié)構(gòu)更緊湊、熱阻更小、傳熱系數(shù)更大，且能很好地解決溫度分布不均勻的問題，但壓降較大。好的散熱方式必須考慮強(qiáng)散熱效果和壓降即功耗之間的沖突。文獻(xiàn)[30]研究證實將不同孔密度的金屬泡沫排列于風(fēng)道可以減少壓降。

在空冷系統(tǒng)的風(fēng)道中安裝針翅散熱器和泡沫金屬，幾乎不增大電池倉的體積和質(zhì)量。而針翅散熱器和泡沫金屬又具有能減小熱阻，加強(qiáng)散熱的特性，所以可以通過研究孔隙率、孔密度、滲透率、針翅的排列方式和外形尺寸等參數(shù)對電池組努賽爾數(shù)、雷諾數(shù)、壓降△的影響，進(jìn)而設(shè)計出體積小、質(zhì)量輕、散熱能力強(qiáng)的散熱器。而且可以通過溫控器等元件來調(diào)整風(fēng)機(jī)的功率和流量，來減小系統(tǒng)功耗?？梢?，在鋰電池的空冷風(fēng)道中合理布置針翅散熱器、泡沫金屬或二者的組合，將成為車用鋰電池理想的散熱方式。

[1]HE F，LI X S，MA L.Combine experimental and numerical study of thermal management of battery module consisting of multiple Li-ion cells[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，2014(72)：622-629.

[2]彭影，黃瑞，俞小莉，等.電動汽車鋰離子動力電池冷卻方案的對比研究[J].機(jī)電工程，2015，32(4)：537-543.

[3]FAN L W，KHODADADI J M，PESARAN A A.A parametric study on thermal management of an air-cooled lithium-ion battery module for plug-in hybrid electric vehicles[J].Journal of Power Sources，2013(238)：1-312.

[4]YU K H，YANG X，CHENG Y Z，et al.Thermal analysis and twodirectional air flow thermal management for lithium-ion battery pack[J].Journal of Power Sources，2014(270)：193-200.

[5]TONG W，SOMASUNDARAM K，BIRGERSSON E.Numerical investigation of water cooling for a lithium-ion bipolar battery pack [J].International Journal of Thermal Sciences，2015(94)：259-269.

[6]YANG N X，ZHANG X W，LI G J.Assessment of the forced air-cooling performance for cylindrical lithium-ion battery packs：a comparative analysis between aligned and staggered cell arrangements[J].Applied Thermal Engineering，2015(80)：55-65.

[7]HUO Y T，RAO Z H，LIU X J.Investigation of power battery thermal management by using mini-channel cold plate[J].Energy Conversion and Management，2015(89)：387-395.

[8]鄧元望，張上安，鐘俊夫.混合動力車用鋰電池液體冷卻散熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].電源技術(shù)，2015，39(3)：454-457.

[9]ZHAO J T，RAO Z H，LI Y M.Thermal performance of mini-channel liquid cooled cylinder based battery thermal management for cylindrical lithium-ion power battery[J].Energy Conversion and Management，2015(103)：157-165.

[10]GRECO A，JIANG X，CAO D P.An investigation of lithium-ion battery thermal management using paraffin/porous-graphite-matrix composite[J].Journal of Power Sources，2015(278)：50-68.

[11]HEMERY C V，PRA F，ROBIN J F，et al.Experimental performances of a battery thermal management system using a phase change material[J].Journal of Power Sources，2014(2709)：349-358.

[12]LING Z Y，WANG F X，F(xiàn)ANG X M，et al.A hybrid thermal management system for lithium ion batteries combining phase change materials with forced-air cooling[J].Applied Energy，2015(148)：403-409.

[13]DUAN X，NATERER G F.Heat transfer in phase change materials for thermal management of electric vehicle battery modules[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，2010(53)：5176-5182.

[14]JAVANI N，DINCER I，NATERER G F，et al.Heat transfer and thermal management with PCMs in a Li-ion battery cell for electric vehicles[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，2014 (72)：690-703.

[15]LI W.Q，QU Z G，HE Y L，et al.Experimental study of a passive thermal management system for high-powered lithium ion batteries using porous metal foam saturated with phase change materials[J].Journal of Power Sources，2014(255)：9-15.

[16]BABAPOOR A，AZIZI M，KARIMI G.Thermal management of a Li-ion battery using carbon fiber-PCM composites[J].Applied Thermal Engineering，2015(82)：281-290.

[17]LIN C J，XU S C，CHANG G F，et al.Experiment and simulation of a LiFePO4battery pack with a passive thermal management system using composite phase change material and graphite sheets[J].Journal of Power Sources，2015(275)：742-749.

[18]QU Z G，LI W Q，TAO W Q.Numerical model of the passive thermal management system for high-power lithium ion battery by using porous metal foam saturated with phase change material[J].International Journal of Hydrogen Energy，2014(39)：3904-3913.

[19]饒中浩.基于固液相變傳熱介質(zhì)的動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)[D].杭州：華南理工大學(xué)，2013.

[20]張國慶，張文靜，張云云.基于泡沫銅/石蠟的動力電池散熱性能研究[J].熱科學(xué)與技術(shù)，2013，12(1)：42-46.

[21]WANG Z C，ZHANG Z Q，JIA L，et al.Paraffin and paraffin/aluminum foam composite phase change material heat storage experimental study based on thermal management of Li-ion battery[J].Applied Thermal Engineering，2015(78)：428-436.

[22]KIZILELA R，SABBAHA R，SELMANA J.R，et al.An alternative cooling system to enhance the safety of Li-ion battery packs[J].Journal of Power Sources，2009(194)：1105-1112.

[23]RAO Z H，WANG S F，WUA M C.Experimental investigation on thermal management of electric vehicle battery with heat pipe[J].Energy Conversion and Management，2013(65)：92-97.

[24]ZHAO R，GU J J，LIU J.An experimental study of heat pipe thermal management system with wet cooling method for lithium ion batteries[J].Journal of Power Sources，2015(273)：1089-1097.

[25]TRAN T H，HARMAND S，DESMET B.Experimental investigation on the feasibility of heat pipe cooling for HEV/EV lithium-ion battery[J].Applied Thermal Engineering，2014(63)：551-558.

[26]GONG L，ZHAO J，HUANG S B.Numerical study on layout of micro-channel heat sink for thermal management of electronic devices[J].Applied Thermal Engineering，2015(88)：480-490.

[27]MOHAMMADIAN S K，MOUSAVI S M R，ZHANG Y W.Thermal management improvement of an air-cooled high-power lithium-ion battery by embedding metal foam[J].Journal of Power Sources，2015(296)：305-313.

[28]FENG S S，KUANG J J，WENA T.An experimental and numerical study of finned metal foam heat sinks under impinging air jet cooling[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，2014(77)：1063-1074.

[29]HUISSEUNE H，SCHAMPHELEIRE S D，AMEEL B.Comparison of metal foam heat exchangers to a finned heat exchanger for low Reynolds number applications[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，2015(89)：1-9.

[30]CHEN K C，WANG C C.Performance improvement of high power liquid-cooled heat sink via non-uniform metal foam arrangement [J].Applied Thermal Engineering，2015(87)：41-46.

Review on cooling method for EV lithium-ion power battery

The latest progress of the cooling way for the Li-ion batteries was reviewed,including the air cooling,liquid cooling,phase change cooling and heat pipe cooling.Each cooling way was concluded and analyzed.At present,the goals of many researches were the cooling effect,less considering weight of the system,energy efficiency and whether it was easy to arrangement within the vehicle.The future research direction of thermal management system about the Li-ion power battery was put forward,and a reference for further research was provided.

Li-ion power battery;thermal management;air cooling;liquid cooling;phase change;heat pipe;metal foam

TM912

A

1002-087X(2016)12-2476-03

2016-05-16

逯彥紅(1980—)，女，河北省人，博士生，主要研究方向為新能源汽車熱管理技術(shù)。