基于熱管技術(shù)的鋰離子電池?zé)峁芾硌芯窟M(jìn)展

雷 波，冼海珍

（華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京 100084）

0 引言

“十三五”期間，為了實(shí)現(xiàn)我國(guó)由能源大國(guó)向能源強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)變的總體目標(biāo)，汽車行業(yè)的升級(jí)與改造勢(shì)在必行。目前，汽車行業(yè)的快速發(fā)展成為我國(guó)能源需求供給缺口的一大原因，但我國(guó)的石油資源短缺，幾乎一半的石油需求需要通過(guò)進(jìn)口來(lái)解決。因此，大力發(fā)展以電動(dòng)汽車為代表的新能源汽車，以電代油，是建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)、環(huán)境友好型社會(huì)和生態(tài)文明社會(huì)的重要措施，也是轉(zhuǎn)變我國(guó)汽車發(fā)展方式，有效控制汽車尾氣排放的根本途徑［1］。

作為電動(dòng)汽車核心部件的電池，其性能優(yōu)劣直接制約整車的動(dòng)力性、安全性和經(jīng)濟(jì)性。目前常見(jiàn)的電池主要有鉛酸電池、鋰離子電池、鎳氫電池、燃料電池等［2］，而鋰離子電池因能量密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、自放電率低和無(wú)記憶效應(yīng)等特性而受到電池制造商的關(guān)注和親睞。然而，盡管鋰電池在電動(dòng)汽車領(lǐng)域有著較為誘人的前景，但鋰電池對(duì)溫度的敏感性束縛了鋰電池在電動(dòng)汽車領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。

外界溫度的變化以及電池充放電過(guò)程中化學(xué)反應(yīng)的吸放熱使得電池溫度不可避免地發(fā)生變化。溫度升高會(huì)加劇電池容量衰退，過(guò)高的溫度甚至可能導(dǎo)致電池?zé)崾Э?；溫度過(guò)低，電池功率、容量顯著衰減，充放電效率下降；電池組中不同電池之間溫差過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致單體內(nèi)阻、容量的不一致性和電池的不均速老化，形成整個(gè)電池系統(tǒng)性能與壽命短板［3］。因此，設(shè)計(jì)合理的電池結(jié)構(gòu)并結(jié)合合適的冷卻方案是電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)（battery thermal management system，BTMS）的研究目標(biāo)［4］。一個(gè)良好的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)需要滿足以下特點(diǎn)：

1）保證電池工作在最佳的溫度范圍內(nèi)（25 ℃～40 ℃），當(dāng)溫度低于或高于該溫度范圍時(shí)，需要對(duì)其加熱或冷卻［5］。

2）減小電池組內(nèi)的溫度差異，抑制局部熱區(qū)的形成，使電池組地溫差小于5 ℃［6］。

3）兼顧實(shí)際需求，如系統(tǒng)的緊湊型、重量、復(fù)雜性和可靠性等要求。

1 常用的熱管理技術(shù)

從冷卻媒介考慮，常用的電池?zé)峁芾砑夹g(shù)可以分為空氣冷卻技術(shù)、液體冷卻技術(shù)、相變冷卻技術(shù)（phase change material，PCM）、熱管冷卻技術(shù)以及多種冷卻技術(shù)的耦合散熱。

空氣冷卻是以低溫空氣為介質(zhì)，利用熱的對(duì)流，達(dá)到降低電池溫度的一種散熱方式。因具有成本低、重量輕和安裝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，早期常被應(yīng)用在一些續(xù)航里程短且主打性價(jià)比的車型上，例如日產(chǎn)LEAF、起亞Soul EV 等，現(xiàn)仍常見(jiàn)于電動(dòng)巴士、電動(dòng)物流車中。空氣冷卻分為自然對(duì)流冷卻和強(qiáng)制對(duì)流冷卻。研究發(fā)現(xiàn)，自然對(duì)流冷卻并不能有效對(duì)單電池組散熱，而強(qiáng)制對(duì)流利用風(fēng)機(jī)能夠明顯降低電池組的最大溫度，但常使得單體間的溫差較大。目前，研究者通過(guò)優(yōu)化電池組和空氣流道的布局［7-8］、調(diào)整風(fēng)速大?。?］、改變進(jìn)出風(fēng)口位置、變化流通路徑［10］等方式來(lái)提高電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的能力。然而，由于空氣冷卻換熱效率低和熱傳導(dǎo)弛豫時(shí)間較長(zhǎng)等缺點(diǎn)，使其仍難滿足電動(dòng)乘用車大規(guī)模電池組在高溫環(huán)境中的熱管理需求［11］。

為進(jìn)一步提高電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的能力，采用換熱系數(shù)更高、冷卻速度更快的液體冷卻成為強(qiáng)化傳熱的必然手段，同時(shí)，液體冷卻技術(shù)也是目前電動(dòng)乘用車的優(yōu)選方案，如特斯拉、雪佛蘭和寶馬等電動(dòng)汽車品牌均已采用，常用的電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾矸绞饺绫?所示。液體冷卻技術(shù)通過(guò)介質(zhì)對(duì)流換熱，不僅能帶走將電池產(chǎn)生的熱量，達(dá)到降低電池溫度的目的，更能明顯提升電池組溫度場(chǎng)一致性。液體冷卻的方式分為直接液體冷卻和間接液體冷卻。當(dāng)前，液體冷卻的研究主要集中在：冷卻劑選擇（水、油［12］）和改良（加入納米流體［13］），以及冷卻劑相關(guān)參數(shù)的優(yōu)化（如速度和溫度參數(shù)［14］、入口和開(kāi)口的位置及數(shù)量［15］），流道設(shè)計(jì)（直通道［16］，U 型通道［17］）；對(duì)于間接冷卻，為了提高電池表面與冷卻劑之間的散熱能力，還主要包括冷卻劑與電池之間傳熱的設(shè)計(jì)，例如：冷卻管道的布置（常規(guī)布置、交錯(cuò)布置［18］）、冷卻板（冷卻管）的設(shè)計(jì)與改良［19-20］，冷卻通道的優(yōu)化及選型以及在電池表面與冷卻管道之間添加高導(dǎo)熱性物質(zhì)［21］。然而，不可避免的是液體冷卻存在復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和容易泄露的缺點(diǎn)仍是需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

表1 常用的電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾矸绞絋able 1 Common electric vehicle battery thermal management methods

當(dāng)前，基于PCM相變降低電池溫度的相變制冷技術(shù)是另一個(gè)研究重點(diǎn)。PCM 作為冷卻劑的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)不僅能在大電流下安全工作，還能使電池組更加緊湊輕便［22-23］。同時(shí)，相變制冷技術(shù)也無(wú)需額外冷卻部件和無(wú)需消耗額外能量等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)前，相變制冷的難點(diǎn)在于導(dǎo)熱系數(shù)較低以及需要較長(zhǎng)的冷卻時(shí)間。因此，有關(guān)相變制冷的研究主要集中在相變物質(zhì)的選取及改良，其主要方法有：1）利用導(dǎo)熱系數(shù)高的填充物（如碳纖維［24-25］、納米粒子）；2）將PCM 嵌入到多孔介質(zhì)中（如金屬泡沫［26］、膨脹石墨［27-28］）；3）將PCM 依附于金屬網(wǎng)格、石墨片或散熱片上；為了防止持續(xù)充/放電時(shí)相變物質(zhì)完全融化而發(fā)生泄露，通常利用相變制冷技術(shù)與其他方式的結(jié)合（包括強(qiáng)制風(fēng)冷［29］、水冷或熱管冷卻），常見(jiàn)電池?zé)峁芾砑夹g(shù)及其應(yīng)用如表2所示。

表2 常見(jiàn)電池?zé)峁芾砑夹g(shù)及其應(yīng)用Table 2 Common battery thermal management technology and its application

2 基于熱管技術(shù)的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)

近年來(lái)，由于熱管具有傳熱效率高、等溫性能優(yōu)良和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注，其工作原理是液體工質(zhì)在蒸發(fā)端受熱蒸發(fā)汽化，在壓差驅(qū)動(dòng)下流向另一端并在冷凝段凝結(jié)放熱，液體工質(zhì)通過(guò)毛細(xì)力沿多孔材料返回蒸發(fā)段。結(jié)合熱量在基于熱管的電池?zé)峁芾碇袑?shí)際流動(dòng)方向，從電池與熱管間的熱量傳遞、熱管的選型與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、散熱端冷卻方式等3方面考慮，充分利用以熱管為基礎(chǔ)的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，以提高電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的能力。

2.1 電池與熱管傳熱設(shè)計(jì)與傳熱特性分析

電動(dòng)汽車的運(yùn)行工況復(fù)雜多變，在穩(wěn)定狀態(tài)下，電池的產(chǎn)熱速率隨放電倍率非線性增加，在非穩(wěn)定狀態(tài)下，如隨時(shí)可能遇到的急剎、變速等情形，電池的溫度變化更加劇烈。這就要求電動(dòng)汽車必須建立一個(gè)良好的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)以隨時(shí)掌控電動(dòng)汽車內(nèi)鋰電池的溫度變化。在電池與熱管間的傳熱研究中，熱管理系統(tǒng)建立的難點(diǎn)在于如何使電池產(chǎn)生的熱量更均勻和最大化地傳遞到熱管的蒸發(fā)段。

2.1.1 電池與熱管間的傳熱設(shè)計(jì)

由于熱管與電池接觸的區(qū)域近乎呈線性接觸，使得如何提高熱管與電池的接觸效率成為熱管在電池?zé)峁芾響?yīng)用上的難點(diǎn)。Kuan-Ting Lin 等［31］通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了燒結(jié)熱管和溝槽熱管在被壓平之后的性能變化，當(dāng)熱管蒸發(fā)段被壓平之后，僅對(duì)熱管的蒸發(fā)段熱阻有較小的影響，壓平前后其最大熱負(fù)荷幾乎不變。也可通過(guò)在電池單體間增加導(dǎo)熱板［32］等方法來(lái)提高熱管與電池的接觸面積，從而提高熱管的傳熱特性。陳維等［33］通過(guò)模擬比較有無(wú)鋁集熱板對(duì)電池?zé)峁芾硇阅艿挠绊?，結(jié)果表明，有鋁集熱板的電池組溫差可以維持在3 ℃左右，而無(wú)鋁集熱板的電池組溫差超過(guò)了5 ℃，表明鋁集熱板在散熱方面的有效性及良好的均溫性。Jianqin Wang 等［34］通過(guò)正交法分析了電池間距、導(dǎo)熱元件的厚度、電池與導(dǎo)熱元件的接觸角和導(dǎo)熱元件的高度對(duì)電池?zé)崃糠植嫉挠绊懀ㄈ鐖D1 所示），結(jié)果表明導(dǎo)熱元件的高度對(duì)電池的最大溫度和溫差影響最大，接觸角次之，導(dǎo)熱元件的厚度和電池間距對(duì)電池溫度分布的影響最小。

圖1 電池模塊結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of battery module structure

除此之外，在熱管與電池間填充相變材料［35］不僅可以增加電池?zé)峁荛g的接觸面積，更能提高溫度的一致性。張維［36］研究了微小平板型環(huán)路熱管和相變材料耦合散熱對(duì)電池的最高工作溫度和溫度分布的影響。實(shí)驗(yàn)表明，在相同放置方式和相同功率的條件下，微小型環(huán)路熱管和相變材料耦合散熱時(shí)，電池的最高溫度保持低于最佳工作溫度上限50 ℃的時(shí)間最長(zhǎng)，微小型環(huán)路熱管系統(tǒng)其次，自然風(fēng)冷系統(tǒng)最短。同時(shí)，應(yīng)該注意的是，相變物質(zhì)的導(dǎo)熱率、厚度以及熔點(diǎn)等性質(zhì)對(duì)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)散熱也有著較大的影響。Wencan Zhang 等［37］以相變物質(zhì)、液體冷卻和熱管為基礎(chǔ)建立了混合熱管理系統(tǒng)，研究結(jié)果表明：PCM 的導(dǎo)熱率與厚度、熱管的長(zhǎng)度和冷卻水的速度對(duì)于電池的最大溫度和溫差都有著很重要的影響。Hamidreza Behi 等［38］比較了在自然冷卻、熱管冷卻和熱管冷卻結(jié)合相變制冷3 種形式下的熱管理系統(tǒng)的冷卻效果，研究結(jié)果表明，在8C 放電倍率下，自然對(duì)流下的電池組最高溫度達(dá)到53 ℃，熱管冷卻下達(dá)到了46.3 ℃，而熱管結(jié)合相變制冷的冷卻方式，利用熱管的超高導(dǎo)熱性補(bǔ)償了相變物質(zhì)的低導(dǎo)熱性，使得電池的最高溫度僅33.2 ℃。

2.1.2 熱管布置方案設(shè)計(jì)

熱管不同的安裝方式對(duì)電池的熱管理有著重要影響。Saleem Abbas 等［39］以平板熱管、相變物質(zhì)和水冷為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了兩種安裝方式：分離式熱管（detached heat pipe，DHP）和附著式熱管（attached heat pipe，AHP）。與DHP 相比，在6W 的產(chǎn)熱率下，AHP 模式下不僅能使單次充放電循環(huán)中整體的最大溫度降低31%，且在不同的充放電循環(huán)過(guò)程中的電池最高溫度保持一致，還能夠用更少的時(shí)間達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。熱管不同的放置位置［40］以及偏轉(zhuǎn)角度就成為熱管理系統(tǒng)不可缺少的研究之一。Thanh-Ha Tran 等［40］比較了垂直位置左右傾斜20°時(shí)系統(tǒng)的冷卻性能，研究表明，熱管中毛細(xì)效應(yīng)在液體運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中起主要作用，而重力作用的效果相對(duì)較小，因此，熱管冷卻系統(tǒng)在不同等級(jí)的路面條件下均能高效地工作。

2.2 熱管結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與傳熱特性分析

作為熱量傳遞過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，熱管不僅需要快速吸收鋰電池的產(chǎn)熱，更為重要的是將鋰電池的熱量及時(shí)傳遞給外界。由于熱管的熱管理性能受熱管的選型、啟動(dòng)時(shí)間、結(jié)構(gòu)、內(nèi)部工質(zhì)的設(shè)計(jì)及改良等多重因素的影響，因而只有通過(guò)對(duì)熱管合理的設(shè)計(jì)和改良使其能夠充分發(fā)揮熱管優(yōu)良的熱管理性能，才能使得電池組的溫度維持在合理的范圍內(nèi)。

2.2.1 熱管的選型和啟動(dòng)

通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度低于熱管的啟動(dòng)溫度時(shí)，鋰電池?zé)崃康膫鬟f主要以管材為主，但當(dāng)溫度大于熱管的啟動(dòng)溫度時(shí)，以內(nèi)部工質(zhì)相變傳熱為主［41］。目前熱管的選型主要以脈動(dòng)熱管（振蕩熱管）、L型熱管、平板微熱管［42］以及燒結(jié)熱管等為主。不同的熱管具有不同的優(yōu)勢(shì)，如脈動(dòng)熱管對(duì)于圓柱形電池的散熱具有較大的優(yōu)勢(shì)，L型熱管能夠很好地節(jié)約空間，平板微熱管具有較大的接觸面積，因而選擇何種類的熱管在電池?zé)峁芾眍I(lǐng)域尚無(wú)統(tǒng)一的選型和設(shè)計(jì)，目前的研究中一般基于不同的熱管理性能選擇不同的熱管。Hamidreza Behi 等［43］設(shè)計(jì)了一種L 型平面熱管結(jié)合散熱銅片的散熱結(jié)構(gòu)（如圖2所示），與自然對(duì)流相比，電池模組在X方向僅增加7 mm，但電池的最高溫度下降了42.7%，溫度一致性提高了73.4%。

圖2 電池模組結(jié)構(gòu)示意[43]Fig.2 Schematic diagram of battery module structure

熱管的啟動(dòng)主要分為持續(xù)啟動(dòng)和間歇啟動(dòng)，考慮到同步冷卻可能過(guò)度降低電池的溫度，會(huì)對(duì)電池的功率產(chǎn)生不利的影響。Liang 等［44］通過(guò)控制入口冷卻劑和電池的溫差來(lái)研究間歇冷卻中熱管的時(shí)間滯后問(wèn)題，研究結(jié)果表明：間歇冷卻與持續(xù)冷卻相比，不僅可以使電池有相近的冷卻表現(xiàn)，更能夠通過(guò)減少以熱管為基礎(chǔ)的熱管理系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間來(lái)大幅降低電池的功率消耗。Rao等［45］通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)振蕩熱管的啟動(dòng)溫度必須由期望的最高溫度和電池組可接受的最高溫差決定。設(shè)計(jì)出良好的啟動(dòng)時(shí)間和啟動(dòng)溫度不僅能夠使電池組工作在合理的溫度范圍內(nèi)，還能有效地降低電池運(yùn)行的額外功耗。

提升熱管散熱能力的另一有效途徑是選擇合適的熱管數(shù)目，不僅能夠增加蒸發(fā)段的吸熱面積，更能提高熱管的傳熱速度。Jia qiang E 等［46］利用正交法對(duì)熱管數(shù)目、冷卻劑的流動(dòng)速度、冷卻通道的寬度和高度等參數(shù)進(jìn)行量化分析，確定其主要和次要因素并找到了最優(yōu)組合模型。數(shù)值模擬結(jié)果表明，熱管數(shù)目能夠明顯影響電池的平均溫度，冷卻速度次之；電池溫度一致性方面，熱管的數(shù)目和冷卻劑的流動(dòng)速度有著相同的影響程度。

2.2.2 熱管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

尺寸設(shè)計(jì)包括熱管各部分的結(jié)構(gòu)尺寸［47］及比例，吸液芯的結(jié)構(gòu)，王建等［48］通過(guò)研究冷凝端的長(zhǎng)度對(duì)電池散熱的影響發(fā)現(xiàn)：由于熱管冷凝段長(zhǎng)度的增加，使得冷凝端與電池箱外空氣的對(duì)流換熱面積增大，從而降低了電池組的溫度；同時(shí)，冷凝段太長(zhǎng)不僅會(huì)增加電池組的溫差，還會(huì)增加電池組的體積。合理設(shè)計(jì)熱管不同部分的長(zhǎng)度及比例既可以考慮到電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的散熱性能，還能兼顧電池組的整體體積。曾?。?9］探討了U型熱管模塊在不同的蒸發(fā)段幾何尺寸下的電池溫升情況，結(jié)果表明，當(dāng)蒸發(fā)段水平和豎直長(zhǎng)度之比逐漸增大時(shí)，電池壁面的最高溫度和平均溫度先下降后升高，且兩者均在比值等于1時(shí)達(dá)到最小。

2.2.3 內(nèi)部工質(zhì)的設(shè)計(jì)與改良

工質(zhì)的種類（如水和甲醇）和充液率及濃度比［50-51］。熱管工質(zhì)種類的選擇是基于冷卻能力和蒸發(fā)段的工作溫度范圍。在相同的配置下，以水為工質(zhì)的熱管比以甲醇為工質(zhì)的熱管熱阻更小，但是以水為工質(zhì)的熱管的工作溫度范圍要較大，不利于在鋰電池?zé)峁芾矸矫娴膽?yīng)用，而甲醇則易蒸干［52］；陳萌等［53］通過(guò)試驗(yàn)分析了不同工質(zhì)配比對(duì)電動(dòng)汽車車用鋰電池散熱性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明：較高的充液率會(huì)帶來(lái)較高的熱阻值，而較高的工質(zhì)濃度配比會(huì)加強(qiáng)TiO2-CLPHP 傳熱性能。因此，脈動(dòng)熱管傳熱的可靠性和有效性需要考慮合適的工質(zhì)配比。

2.3 散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與傳熱特性分析

作為與外界環(huán)境接觸的冷凝段，熱管傳遞的熱量需要迅速地釋放給外界環(huán)境，以保證熱管在電池?zé)峁芾碇懈咝Чぷ?。通?？紤]的是空氣冷卻或液體冷卻。冷凝段結(jié)合空氣冷卻，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于安裝實(shí)現(xiàn)；冷凝段與液體冷卻結(jié)合，散熱效率更高，能應(yīng)對(duì)更大的散熱需求。

2.3.1 冷凝段與空氣冷卻結(jié)合

熱管冷凝段與空氣冷卻的結(jié)合是最簡(jiǎn)單最常用的散熱方式，Liyuan Feng 等［54］通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在熱管的冷凝段，利用自然對(duì)流冷卻時(shí)在放電結(jié)束溫度已超過(guò)電池的正常使用范圍，而結(jié)合強(qiáng)制冷卻的方法不僅能夠使電池的最大溫度降低約15 ℃，還能有效降低電池的應(yīng)變，應(yīng)變降低約50%。因此，與空氣冷卻結(jié)合的過(guò)程中，主要考慮的是強(qiáng)制冷卻。為進(jìn)一步提高換熱效率，可采用增加冷凝段的面積如增加熱管的數(shù)目或冷凝段的面積。王小平等［55］的研究表明：熱管個(gè)數(shù)增加會(huì)相應(yīng)提高冷卻系統(tǒng)成本，增大對(duì)流換熱系數(shù)會(huì)增加功率消耗，而增大冷凝段長(zhǎng)度又會(huì)增加熱管冷卻系統(tǒng)的體積，因而，常需要在保證冷卻要求的前提下，合理設(shè)計(jì)這3個(gè)變量。

冷凝段添加翅片并考慮翅片的數(shù)量、翅距和翅厚［56］是提高冷凝段散熱的另一種方法。Jiaqiang E等［57］研究了翅片的間距和厚度對(duì)傳熱的影響，當(dāng)厚度不變時(shí)，隨著相鄰翅片間距的增加，使得翅片的平均溫度略有下降；當(dāng)間距不變時(shí)，隨著翅片厚度的增大，進(jìn)出口的壓力差值變化較小。同時(shí)，需要注意的是，不管是出于散熱還是考慮電池整體的緊湊型，翅片的間距和厚度不是越大越好，都存在一個(gè)合理的值。也有研究者通過(guò)提高風(fēng)速來(lái)增強(qiáng)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的冷凝段散熱能力。過(guò)高的風(fēng)速會(huì)增加額外功率的消耗，過(guò)低的風(fēng)速會(huì)降低散熱效率，結(jié)合考慮電池組空間布置等實(shí)際因素，熱管冷凝段的風(fēng)速存在最佳值。

2.3.2 冷凝段與液體冷卻相結(jié)合

由于空氣的比熱容較低，無(wú)法滿足電動(dòng)汽車日益高漲的散熱需求，因此，利用熱管并結(jié)合液冷的熱管理方式正在受到研究者的關(guān)注。根據(jù)熱管與液體的接觸方式可以分為直接接觸式液冷和間接接觸式液冷。直接接觸式液冷包括冷凝段直接接觸液體或噴水冷卻。Rui Zhao 等［58］采取冷端噴水來(lái)提高電池的熱管理性能，比較了熱管冷凝端結(jié)合自然對(duì)流和噴水式冷卻的冷卻效果，在3C 持續(xù)放電工況下的結(jié)果表明：自然對(duì)流效果最差，電池溫度高且溫度梯度達(dá)到12 ℃，而噴水冷卻在給定的放電條件下，電池溫度為21 ℃且溫升小于4 ℃。

間接接觸式液冷通常將熱管冷凝段與液冷管道相接觸，通過(guò)液冷管道中液體的流動(dòng)帶走冷凝段的熱量。該方法避免了液冷過(guò)程中的冷卻液與電池的接觸，極大提高了電池的安全性。Tang Wei 等［59］為提高電池組件的溫度均勻性，在平板熱管結(jié)合單向液體冷卻的基礎(chǔ)上提出了平板熱管結(jié)合往復(fù)冷卻策略（如圖3 所示），模擬結(jié)果表明：轉(zhuǎn)換時(shí)間τ（τ=3 600 s，1 800 s，900 s）越短，電池組的最大溫升越低；與平板熱管結(jié)合單向流動(dòng)策略相比，最大溫升可降低8.7%，最大溫差可降低13.5%。

圖3 平板熱管結(jié)合液體冷卻結(jié)構(gòu)示意圖[59]Fig.3 Schematic diagram of flat heat pipe combined with liquid cooling structure

間接接觸式液冷不可避免地會(huì)出現(xiàn)冷卻液在流動(dòng)方向上冷卻效果變差，為了能夠降低電池的溫差，Yong huang Ye等［60］的研究表明：在熱管冷凝段前放置擾流器（如圖4 所示），能夠明顯改善沿流動(dòng)方向上換熱效果逐漸變差的問(wèn)題，從而提高了溫度的均勻性；同時(shí)，與未使用散熱片的電池組相比，散熱片的使用使得最高溫度降低了5.5 ℃，溫差降低了0.3 ℃，電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的冷卻能力從71 W增加到115 W，顯著提高了電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的性能。

圖4 熱管冷凝段設(shè)計(jì)方案[48]Fig.4 Design scheme of condensing section of heat pipe

3 結(jié)語(yǔ)

電動(dòng)汽車的發(fā)展過(guò)程中，溫度對(duì)鋰電池性能和壽命的影響至關(guān)重要，而熱管作為高效的換熱元件是未來(lái)鋰電池電動(dòng)汽車的重要研究方向。盡管當(dāng)前的研究已經(jīng)取得一些進(jìn)展，但隨著鋰電池電動(dòng)汽車的發(fā)展，更高的里程數(shù)和更高的儲(chǔ)備電量需要更有效率的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)。目前，基于熱管的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)尚存在一些問(wèn)題：

1）熱管系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)該結(jié)合實(shí)際的車用工況，充分考慮鋰電池的溫度與其動(dòng)態(tài)產(chǎn)熱的關(guān)聯(lián)性，從而制定出一套更省時(shí)更有效的電池?zé)峁芾聿呗?，?shí)現(xiàn)鋰電池的高效、低能耗的管理。

2）將熱管應(yīng)用于電池的過(guò)程中，熱管與電池的線性接觸很難完全發(fā)揮熱管的高導(dǎo)熱性。因此，不僅需要綜合全面地考慮如何擴(kuò)大接觸面積，更需要充分研究不同類型的熱管的應(yīng)用情形。

3）單一的冷卻手段很難使得電池運(yùn)行在合適的溫度和溫差范圍內(nèi)，巧妙結(jié)合不同冷卻手段的優(yōu)勢(shì)是未來(lái)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的必備手段，比如熱管的蒸發(fā)段結(jié)合相變材料，冷凝段結(jié)合液冷的方式。

4）目前的研究評(píng)價(jià)體系集中在電池的工作溫度范圍和溫差，但應(yīng)注意的是，不同的方法適應(yīng)不同的工作環(huán)境和熱管理需求，這些措施在對(duì)電池的熱管理性能帶來(lái)改善的同時(shí)，也會(huì)相應(yīng)增加電池的體積或重量等弊病，輕量化和低能耗是未來(lái)電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)發(fā)展地必然趨勢(shì)，因此，電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)應(yīng)該更加全面綜合地研究各個(gè)傳熱因素。