強制風冷鋰離子電池熱管理系統(tǒng)研究綜述

汪鵬偉

（重慶交通大學 機電與車輛工程學院，重慶 400074）

主題詞：電動汽車 鋰離子電池 電池熱管理系統(tǒng) 強制空冷

縮略語

BTMS Battery Thermal Management System

BEV Battery Electric Vehicle

PHEV Plug-in Hybrid Electric Vehicle

HEV Hybrid Electric Vehicle

EREV Extended-Range Electric Vehicles

FCV Fuel Cell Electric Vehicle

PCM Phase Change Material

CFD Computational Fluid Dynamics

1 前言

近年來，全球對化石能源的大量消耗引發(fā)了一系列諸如環(huán)境惡化、資源短缺等重大問題[1]。期間，隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展以及城鎮(zhèn)化加速，由化石能源消耗所導致的城市污染問題逐漸制約我國各類城鎮(zhèn)的可持續(xù)發(fā)展[2]。然而，也正是這些問題的出現(xiàn)，為電動汽車的發(fā)展提供了巨大動力。由成百上千鋰離子電池單體（電芯）經(jīng)串并聯(lián)集成的鋰離子動力電池組作為電動汽車的驅動源與3大核心部件之一，由于具有高比功率和能量密度、輕質量、長循環(huán)壽命、低自放電率以及低維護成本[3-4]等獨特優(yōu)勢，被廣泛應用于續(xù)駛里程要求不斷提高的電動汽車（包括純電動汽車BEV、混合動力電動汽車HEV、插電式混合動力電動汽車PHEV[5]，增程式電動汽車EREV以及燃料電池電動汽車FCV[6]）。然而，由于鋰離子電池固有的電化學性質，其在快速充電和高強度放電過程中極易積聚大量熱量，使得其性能嚴重受制于工作溫度。鋰離子電池的理想工作溫度為20～40 ℃[7-8]，且電池組中各單體電池間最大溫差一般不應超過5 ℃[9-10]。當電池溫度過高時，電池放電會加速，進而引發(fā)電極退化、電容降低甚至過熱、起火、爆炸等一系列危險[11]；當電池溫度過低時，其可用容量與充放電電壓會迅速降低。因此，設計并優(yōu)化出高效的BTMS 以此將電池組的溫度和溫差控制在狹窄的范圍內(nèi)是目前亟待解決的關鍵問題，本文也由此問題對相關文獻進行了綜述分析。

2 概述不同冷卻方式的BTMS

BTMS通過分析溫度對鋰離子電池單體或鋰離子電池組工作性能的敏感度，同時考慮鋰離子電池單體的生熱機理和最佳工作溫度區(qū)間，基于流體力學與熱力學理論知識，通過科學設計、計算流體動力學(CFD)仿真以及試驗驗證，建立在流體力學、傳熱學、控制學、仿生學、材料學以及電化學眾多學科的基礎上，為解決電池組在不同工況下運行而產(chǎn)生的熱不均、熱失效及熱失控問題，最終能夠實現(xiàn)提升電池組整體性能的結構系統(tǒng)。

目前，國內(nèi)外對于BTMS 的設計重心主要集中在選擇冷卻方式、設計冷卻回路和冷卻介質流動通道，以及簡化整體的結構和降低重量等方面。電池包件散熱的熱管理技術有很多，根據(jù)冷卻介質的不同，可以分為空氣冷卻[12-13]、液體冷卻[14-15]、相變材料（PCM）冷卻[16-17]、熱管冷卻[18-19]以及多種方式組合冷卻[20-21]?；谶@些冷卻方式，相關學者進行了大量研究。Shahid等人[22]在電池組軸向通風的基礎上分別在不同側設置增壓室作為二次進氣口，通過改變增壓室方位來改變氣流路徑，進而改善電池組的溫均性；Tang等人[23]采用數(shù)值模擬分析了位于矩形電池組2側及底部的鋁制微通道冷板的冷卻性能，并通過試驗驗證了數(shù)值模型的可靠性；Li 等人[24]在保證圓柱形鋰電池（組）有效散熱的前提下，通過減輕相變材料的質量來優(yōu)化熱管理系統(tǒng)；Wang等人[25]設計了一種基于熱管的熱管理系統(tǒng)，結合正交試驗與數(shù)值模擬分析了導電元件高度、導電元件與電池的圓周角等結構參數(shù)對熱管理系統(tǒng)的影響；Ji?ang 等人[8]提出了一種在電池與相變材料之間夾設熱管的冷卻系統(tǒng)，并通過試驗分析了充放電過程中電池、PCM及熱管的溫度響應情況。如圖1展示了不同冷卻方式的BTMS示意圖。

以上5種熱管理方式中，液體冷卻存在部件多、成本高及可靠性差等問題[26]；PCM冷卻因材料固化時的反應時間太長，無法持續(xù)為電池散熱[5]；熱管冷卻因其被動冷卻的機制很難主動控制溫度變化，且存在結構復雜、能耗高等問題[27]。而相比之下，空氣冷卻因具有結構簡單、成本低、可靠性高、易于維護等優(yōu)點而被廣泛研究[28]，并應用于各種電池模塊中，這也正是本文重點綜述強制風冷BTMS的原因所在。關于BTMS不同冷卻方式的優(yōu)缺點對比如表1所示。

表1 BTMS的不同冷卻方式對比

3 強制風冷BTMS研究

盡管基于空氣的熱管理方式已無法滿足快速充電等新技術下的散熱需求，但其作為車輛最依賴的散熱方式，因具有結構簡單、適用范圍廣的顯著特性以及擁有其它散熱方式無法比擬的穩(wěn)定性而仍然值得進一步研究。一方面，基于強制風冷技術的BTMS 是解決電池組內(nèi)部發(fā)熱問題的最簡單方法，并且在電動汽車內(nèi)部設計空間緊張時提供了一種可行的解決方案；另一方面，風冷熱管理技術是其它冷卻技術的基礎，且很多時候其它冷卻技術都需要風冷技術來配合使用。

從目前發(fā)展現(xiàn)狀來看，強制風冷BTMS 的應用局限性愈發(fā)明顯，但從實際使用效果來看，其仍適用于一些主打性價比、電池能量密度不大或是配備小容量磷酸鐵鋰電池的純電動汽車或者一些油電混合動力汽車。對于此類電動汽車，由于電池產(chǎn)熱不大，強制風冷BTMS足以維持系統(tǒng)的熱平衡。比如目前常見的采用強制風冷BTMS 的車型包括豐田普銳斯、日產(chǎn)聆風、起亞Soul EV、上汽榮威MARVEL X等等。對于基于空氣的BTMS，關鍵的設計思路在于構造合理的結構使得冷卻氣流能夠均勻地分布在系統(tǒng)內(nèi)，從而達到快速降低電池溫度，并有效改善電池組溫均性的目的。針對近年來有關風冷BTMS 的研究，本文將從研究較多的氣流流型、電池排布、電池間距、冷卻空氣流向以及受控變量這5個方面進行綜述分析。

3.1 不同氣流流型研究

3.1.1 基于串聯(lián)流型的風冷BTMS

在傳統(tǒng)的空氣冷卻中，人們大量研究了基于串聯(lián)流型的空氣冷卻結構對電池組熱性能的影響。在此串聯(lián)冷卻中，從入口至出口電池溫度成梯次升高。例如，Yang等人[29]在串聯(lián)流型的空氣冷卻中建立了一個10 × 6 排 列 的 電 池 組 熱 模 型 ，利 用 COMSOL Multiphysics 4.2開發(fā)和求解了二維共軛傳熱模型與一維電化學模型的耦合，并在類似冷卻結構的實驗中測試了單個電池的性能，驗證了數(shù)值模型的可靠性。此外，通過比較BTMS 的對齊與交錯電池排列，在25 ℃入口溫度、0.013 26 m3/s進氣流量以及2 C放電的條件下研究了電池組中電池間橫向與縱向間距對BTMS冷卻性能的影響。結果表明交錯排列的最大溫升與縱向間距成正比，而對齊排列的最大溫升與縱向間距成反比，橫向間距增大時2 種排列的冷卻性能均變差。最后權衡最大溫升、溫均性及系統(tǒng)功率，在對齊排列的BTMS中找到了橫、縱間距的最佳組合。Erb等人[30]預測了在串聯(lián)冷卻結構中圓柱形鋰離子電池的尺寸大小對電池組（采用對齊排列方式）空氣冷卻成本的影響，結果表明不合適的電池尺寸將導致系統(tǒng)的冷卻成本增加1倍或3 倍，同時，對于給定的組件要求，可以找到一個使冷卻成本最小化的單元尺寸，只要滿足必要的假設條件，所提出的分析方法可以有效地預測串聯(lián)流中圓柱電池的最小成本電池單體尺寸。此外，Yang等人[31]設計了一種軸流式的熱模型，也是串聯(lián)風冷的一種常見形式，并研究了電池徑向間距的影響，他們發(fā)現(xiàn)徑向間距對空冷系統(tǒng)的冷卻性能和功耗有顯著影響。Qian等人[32]利用電池組的最高溫度與最大溫差訓練了對應的貝葉斯神經(jīng)網(wǎng)絡模型，并以此模型優(yōu)化了串聯(lián)流風冷電池組的電池間距，最終電池組的冷卻性能得到明顯改善，圖2為其結構示意圖。

圖2 基于串聯(lián)流型的風冷BTMS[32]

3.1.2 基于并聯(lián)流型的風冷BTMS

由于空氣比熱容低的致命缺陷，基于串聯(lián)流型的風冷BTMS很難從根本上解決電池組的溫度均勻性問題。鑒于此，Pesaran[33]引入了基于并聯(lián)冷卻結構的風冷BTMS，并與串聯(lián)方式進行了對比，發(fā)現(xiàn)并聯(lián)冷卻的溫差明顯小于串聯(lián)，其結構如圖3所示。這為提高電池組的溫度均勻性開辟了新途徑。在此基礎上，相關文獻開發(fā)了3種高效的風冷BTMS，即Z型、U型和J型系統(tǒng)，并基于此進行了多方面的結構參數(shù)優(yōu)化，以求能夠最大限度地改善系統(tǒng)的溫度均勻性以及降低系統(tǒng)的最高溫度。

圖3 基于并聯(lián)流型的風冷BTMS[33]

在并聯(lián)風冷中，增壓室的結構優(yōu)化可以起到導流的作用，從而影響冷卻氣流的流動。例如，Liu 等人[34]開發(fā)了一種用于快速估算氣流速度分布的流動阻力網(wǎng)絡模型，以此分析帶有楔形增壓室的并聯(lián)風冷電池組中增壓室板角的影響，結果表明較大的增壓室板角可以有效改善氣流和溫度的分布均勻性。之后，Chen等人[35]沿用了流動阻力網(wǎng)絡模型，并結合牛頓法優(yōu)化了Z 型并聯(lián)風冷系統(tǒng)中入口發(fā)散室和出口收斂室的寬度，優(yōu)化后系統(tǒng)的溫差最大降低了45%。Xie等人[36]結合單因素分析和多因素正交試驗優(yōu)化了U 型電池組的進出口角度和氣流通道的寬度，結果顯示優(yōu)化后系統(tǒng)的冷卻性能明顯提高。Liu 等人[37]設計了一種由Z 型和U 型結構疊加而成的J 型BTMS，通過優(yōu)化進出歧管尺寸證實了不同工況下的J型并聯(lián)結構能夠滿足系統(tǒng)的冷卻要求。

總的來說，基于并聯(lián)流型的強制風冷BTMS 無論從降低電池溫度還是改善系統(tǒng)溫均性方面均不同程度地優(yōu)于串聯(lián)流型的風冷BTMS。

3.2 電池排布研究

在諸多風冷熱管理優(yōu)化設計中，電池排布方式的優(yōu)化研究是不可或缺的。Wang 等人[38]討論了不同電池布置和通風口位置對電池模塊冷卻性能的影響（（a）1×24電池排列；（b）3×8電池排列；（c）5×5電池排列；（d）19 個電池六角形排列；（e）28 個電池圓形排列）。結果表明，在5×5 立方排列的電池組中設置頂部進風底部回風的冷卻結構，其散熱效果遠優(yōu)于其它冷卻結構。基于以上研究，E等人[39]討論了6×10矩形排列的18650 鋰電池模塊散熱結構。Fan 等人[40]設計了一種由32 個高能量密度圓柱形鋰離子電池所組成的電池組，并使用一系列評價指標對3種排列方式（對齊、交錯和交叉）的電池組進行了試驗研究。通過配置電池充放電測試設備、溫度采集設備、恒溫設備以及模型和風機來搭建風冷試驗平臺，并從進氣速度、入口溫度、放電倍率和能量效率4 個方面來研究3 種排列方式的冷卻性能。當進氣速度從0.6 m/s 增加到1m/s 時，對齊、交錯和交叉排列電池組的最大溫升分別降低10 ℃、7 ℃和7 ℃，且對齊排列的最大溫差始終低于其它排列方式；當入口溫度、放電倍率增大時，3種排列電池組的最大溫升、最大溫差幾乎均成線性增大；在能量效率方面，對齊排列功耗最低，與交叉排列相比減少高達23%。因此，對齊排列具有最佳的冷卻性能和溫勻性，其次是交錯排列，最差為交叉排列，如圖4所示。

圖4 電池的不同排列方式[40]

3.3 電池間距研究

除以上幾類優(yōu)化方式外，對于電池間冷卻通道的優(yōu)化可以更加顯著地影響各冷卻通道的壓力與流速分布，其中調整電池間距是目前最常見的優(yōu)化方式。例如，Choi等人[41]介紹了一種可以模擬電池-空氣之間對流換熱的預測熱模型，并研究了氣流通道寬度對電池溫度與熱阻的影響，發(fā)現(xiàn)增大氣流通道寬度降低了系統(tǒng)的冷卻性能。Chen等人[42-43]先后在2篇文獻中采用優(yōu)化策略并結合試驗對Z型BTMS的電池間距進行了優(yōu)化設計，優(yōu)化后電池間的溫差大幅減小。Li等人[44]將電池組的9個冷卻通道分為2組，利用多目標優(yōu)化算法優(yōu)化了2 組冷卻通道的間隙和進出口區(qū)域的高度，優(yōu)化后獲得了更好的冷卻性能，且電池組的體積明顯減小。與之相似的是，Liu 等人[45]在基于J 型的BTMS 中將冷卻通道分成了5 組，并采用集合代理優(yōu)化算法在2輪重采樣后得到了電池間距的最佳組合。

相對其它方式而言，改變電池間距（亦或改變冷卻通道寬度）是最直接最有效的一種冷卻優(yōu)化手段。

3.4 冷卻空氣流向研究

改變進出口的數(shù)量或位置來優(yōu)化氣流路徑，亦或添加擾流板來改變氣流流向，都不失為提高散熱性能的有效方法。例如，Park[46]在具有錐形歧管的U 型并聯(lián)流形系統(tǒng)的出口歧管中增加了1個二次開孔，不僅實現(xiàn)了系統(tǒng)的減壓通風，而且提高了冷卻性能。繼續(xù)此設計思路，Hong 等人[47]進一步在 Z 型 BTMS 的收斂室上研究了二次風口的位置和大小，他們發(fā)現(xiàn)這些因素會對BTMS的冷卻性能產(chǎn)生顯著影響。Chen等人[48]在Z 型系統(tǒng)的基礎上通過改變進出口區(qū)域的位置衍生出了8種新的并聯(lián)流型。Peng等人[49]基于U型電池組分析了進出口位置和高度對電池組冷卻性能的性能，發(fā)現(xiàn)同側的進出口相比2側獲得了更好的冷卻性能，且進口高度對最高溫度更加敏感。Zhang 等人[50]提出了一種在并聯(lián)風冷模型的氣流發(fā)散室中設置多塊尺寸不同的擾流板的新型冷卻策略，以此提高BT?MS 的冷卻性能，最后發(fā)現(xiàn)電池組的最高溫度和最大溫差分別降低了3.39 K (6.66%)和5.87 K (94.24%)。Mahamud 等人[51]和Na 等人[52]分別介紹了周期性往復氣流和反向分層氣流，以此緩解電池組中固有的溫度梯度問題，結果表明電池組的溫度均勻性確有改善，其結構如圖5所示。

圖5 基于往復式冷卻氣流的熱管理系統(tǒng)冷卻空氣流向[51]

3.5 受控變量研究

除以上提及的氣流流型、電池排布、電池間距以及冷卻空氣流向等電池組結構方面的影響，如進氣速度、入口溫度及放電倍率這些受控變量也同樣會對電池組的溫度分布產(chǎn)生影響。例如，Yang等人[53]采用數(shù)值方法結合計算流體力學程序開發(fā)了32 個鋰離子電池的偽二維模型。其在分析鋰離子電池軸流空氣冷卻系統(tǒng)中電池間最佳徑向距離的同時，研究了進氣流量對電池熱性能的影響，結果表明電池組中較大的進氣流量有利于改善電池包內(nèi)的溫度均勻性，因此在設計風冷BTMS 時，設置適當?shù)倪M氣速度（流量）尤為重要。Hong 等人[47]討論了入口溫度和加熱速率對電池溫度的影響。發(fā)現(xiàn)電池組的溫升和溫度變化與入口溫度無關，但與電池加熱速率成正比。Sui等人[54]提出了一種入口較大、出口較小的梯形結構。從入口到出口，橫截面積在流動方向上線性收縮，這種結構具有2個顯著的優(yōu)點，有利于提高電池的溫度均勻性?；诖四Ｐ?，他們在15 ℃的環(huán)境溫度下采用強制空氣冷卻對電池組進行了1C/2 C/5 C/10 C 倍率的充電/放電試驗，發(fā)現(xiàn)隨著充放電倍率更加，電池組溫度不斷升高，且倍率越大，溫升幅度越大。KennethJ.Kelly 等人[55]針對豐田Prius 和本田Insight 進行了強制風冷BTMS 的試驗研究，他們在0 ℃、25 ℃、40 ℃的環(huán)境溫度以及風扇從低功率4 W到中等功率14 W的不同進氣速度下，分別測試了FTP-75和US06循環(huán)工況的電池溫升，發(fā)現(xiàn)US06循環(huán)工況的電池溫升明顯更高。

4 結束語

近年來，國內(nèi)外專家學者對車用動力電池的BT?MS 領域進行了大量研究。對于電動汽車，設計合理且高效的BTMS是提高車輛使用性能與行駛安全性所必須的關鍵環(huán)節(jié)。本文根據(jù)現(xiàn)有文獻中提及的有關空氣冷卻、液體冷卻、相變材料冷卻以及熱管冷卻的熱管理方式，通過分析各自優(yōu)缺點，從中選擇適用范圍最廣且最易實現(xiàn)的空氣冷卻，并對其進行了深層次地回顧與分類。根據(jù)熱管理設計優(yōu)化的方向，本文分類匯總了5 類基于強制風冷BTMS 的研究，分別為不同氣流流型研究（串聯(lián)與并聯(lián)）、電池排布研究、電池間距研究、冷卻空氣流向研究以及受控變量研究。

從以往的研究中可以看出基于風冷BTMS的研究已取得不少突破，但仍有部分問題懸而未決，包括：

（1）基于風冷BTMS的研究眾多，但受制于不同模型之間的分析、應用及仿真（實驗）設置的區(qū)別，不同文獻的最優(yōu)模型無法進行橫向對比；

（2）已有研究涉及風冷與其它熱管理方式相結合，但研究太少且不夠深入；

（3）現(xiàn)有的風冷研究大多是基于某一電池組結構的靜態(tài)研究，少有考慮根據(jù)不同的電池組熱狀態(tài)，實時調整電池組冷卻結構與送風策略。

針對這些問題，本文建議：

（1）構建一個綜合的評價標準（或評價體系），全方位評價不同模型之間的優(yōu)劣；

（2）更深入地研究風冷與其它方式的結合，根據(jù)不同的使用場景實現(xiàn)風冷與其它冷卻方式之間的協(xié)調配合；

（3）構建風冷系統(tǒng)與控制系統(tǒng)相結合的動態(tài)熱管理系統(tǒng)。