動力鋰離子電池熱管理技術(shù)研究進展

賀元驊，余興科，樊 榕，智茂永*

（1.中國民用航空飛行學院民航安全工程學院，四川 德陽 618307;2.民機火災(zāi)科學與安全工程四川省重點實驗室，四川 德陽 618307）

動力鋰離子電池具有高比能量（200～400 W·h/kg）、長循環(huán)壽命、低自放電率和無記憶效應(yīng)等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于電動汽車、電動工具和航空航天等領(lǐng)域[1]。溫度是鋰離子電池安全運行的關(guān)鍵因素，一旦發(fā)生熱失控災(zāi)害，極易造成人員傷亡事故，因此，需要高度重視動力鋰離子電池熱失控風險防控的問題[2]。熱管理系統(tǒng)是防止鋰離子電池過熱的關(guān)鍵。

本文作者從動力鋰離子電池的熱失控過程切入，介紹空氣冷卻、液體冷卻、熱管冷卻、相變材料冷卻和復(fù)合冷卻等熱管理技術(shù)的優(yōu)缺點，綜述近年來上述熱管理技術(shù)的研究進展。

1 動力鋰離子電池熱管理的研究概況

動力鋰離子電池的熱失控問題通常是由電因素、熱因素和機械因素等3種因素單獨或耦合誘發(fā)的。鋰離子電池在熱失控過程中的連鎖反應(yīng)機理如圖1所示[3]。

圖1 鋰離子電池在熱失控過程中的連鎖反應(yīng)機理Fig.1 Chain reaction mechanism of Li-ion battery in thermal runaway process

在濫用條件下，鋰離子電池溫度異常升高時，材料發(fā)生分解等一系列連鎖反應(yīng)，進而引起熱失控。P.T.Coman等[4]研究發(fā)現(xiàn)，鋰離子電池的容量越大，熱失控過程中釋放的能量就越多，越容易造成較大的危害。

為防止鋰離子電池因電因素、熱因素和機械因素等濫用條件觸發(fā)熱失控，保證在適宜的溫度范圍內(nèi)工作，進行熱管理十分重要。人們針對鋰離子電池熱管理技術(shù)展開了大量研究，所用技術(shù)主要包括空氣冷卻、液體冷卻、熱管冷卻、相變材料冷卻和復(fù)合冷卻等5種[5-6]。有關(guān)空氣冷卻和液體冷卻的報道較多，已實現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用;熱管冷卻和相變材料冷卻還處于研究階段;近年來出現(xiàn)的復(fù)合冷卻技術(shù)，可綜合兩種及以上熱管理技術(shù)的優(yōu)點，顯示出更好的冷卻效果，也得到更多關(guān)注。對鋰離子電池熱管理的研究大都是分析不同充放電倍率下電池的升溫情況，包括最高溫度和溫均性。

2 動力鋰離子電池熱管理的研究進展

動力電池熱管理系統(tǒng)包括主動式和被動式。主動式熱管理有空氣冷卻、液體冷卻和制冷劑冷卻;被動式熱管理有自然冷卻、熱管冷卻和相變材料冷卻。目前，冷卻技術(shù)主要有空氣冷卻、液體冷卻、熱管冷卻和相變材料冷卻等4種。

2.1 空氣冷卻

空氣冷卻也稱為風冷系統(tǒng)，利用空氣作為熱量交換載體，起到控制分配動力電池系統(tǒng)內(nèi)部溫度的作用。根據(jù)散熱方式，空氣冷卻又可分為串行通風和并行通風[7]，見圖2。

圖2 空氣冷卻示意圖Fig.2 Schematic diagram of air cooling

在進出風口位置方面，A.Sharma等[8]研究了具有不同進氣口和交錯方案以及雙通道分區(qū)的方法，發(fā)現(xiàn)采用雙向進氣口可以降低電池之間的溫差。在電池間距方面，K.Chen等[9-11]優(yōu)化電池單元的間距，使通道氣流速率均勻化，改善了并聯(lián)風冷電池熱管理系統(tǒng)的冷卻效果;還開發(fā)了不均勻單元間距分布的對稱風冷系統(tǒng)，電池的最大溫差和能耗分別比不對稱系統(tǒng)的低43%、33%。在空氣流速方面，A.A.Hakeem等[12]研究了不同空氣流速熱管理系統(tǒng)的冷卻性能，將空氣流速從1.4m/s增加至3.4m/s，在 0.75 C放電倍率下，電池最高溫度下降了54.28%。R.Mahamud等[13]提出了一種往復(fù)式空氣流動方法，與單向流動相比，電池組的最高溫度降低了1.5℃，電池之間的溫差降低了4.0℃。

優(yōu)化進出風口位置、風的流動方式和電池間距，以及提高風速等，可以提高空氣冷卻的效率，能滿足低功率小體量電池組的熱管理需要。然而，空氣冷卻技術(shù)存在的導熱系數(shù)低、消耗額外功和對電池組溫均性控制效果差等缺點，不能從根本上得到解決。動力鋰離子電池不斷向高比能量方向發(fā)展，空氣冷卻逐漸難以滿足熱管理技術(shù)的要求。

2.2 液體冷卻

液體冷卻以冷卻液作為熱量交換載體，冷卻液起到控制分配動力電池系統(tǒng)內(nèi)部溫度的作用。液體冷卻系統(tǒng)通常利用水泵和管道完成冷卻液在電池系統(tǒng)內(nèi)的流動，可分為直接接觸式和間接接觸式。直接接觸冷卻是將電池組直接浸在冷卻液體中;非直接接觸冷卻是在電池模塊間排布管路或在電池組內(nèi)布置夾套，液體在內(nèi)部流動，吸收并帶走熱量。液體冷卻板示意圖見圖3。

圖3 液體冷卻板示意圖Fig.3 Schematic diagram of liquid cooling plate

在冷卻板的研究方面，Z.H.Rao等[14]設(shè)計了楔形通道冷板，并為電池組設(shè)計分支結(jié)構(gòu)，在3.5 C的放電倍率下，液體流速為1×10-4kg/s時，可將電池溫度控制在45℃內(nèi)，與未改進冷板結(jié)構(gòu)的電池相比，最大溫差降低約35.78%。在液體流量的研究方面，T.Deng等[15]研究了冷卻液質(zhì)量流量的影響，當冷卻液以1 g/s的質(zhì)量流量流動時，冷卻效果最好。在制冷劑和管路設(shè)計等研究方面，S.H.Hong等[16]將兩相制冷劑用于液冷熱管理系統(tǒng)，與傳統(tǒng)液冷系統(tǒng)相比，將電池組最高溫度控制在45℃以下，在老化過程中，電池容量提升16.1%。H.B.Zhou等[17]提出的基于半螺旋導管的液冷系統(tǒng)，可將電池組最高溫度控制在30.9℃，溫差為4.3℃。

液體冷卻具有冷卻效率高、導熱系數(shù)大和可提高電池組的溫度一致性等優(yōu)點。冷卻管在控制電池溫均性上，較冷卻板更好，原因是冷卻板一般設(shè)置在電池底部，而冷卻管設(shè)置在電池模塊之間，使得電池各位置都能得到有效冷卻，能減小溫差。優(yōu)化液體冷卻板結(jié)構(gòu)、提高液體流量、使用高導熱系數(shù)的制冷劑和優(yōu)化管路設(shè)計等手段，可提升液冷系統(tǒng)的導熱系數(shù)和冷卻效率，提高冷卻效果，但仍不能解決存在的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜等缺點。液體泄漏可能導致電池短路，因此對液體冷卻的密封性要求很高，也是液體冷卻存在的安全隱患。

2.3 熱管冷卻

熱管冷卻是利用相變實現(xiàn)熱傳導的熱管理系統(tǒng)。熱管由蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段組成。密封空管內(nèi)的介質(zhì)在蒸發(fā)段會吸收電池產(chǎn)生的熱量，再通過冷凝段把熱量傳遞給外部環(huán)境，達到使電池組迅速降溫的效果。熱管的種類有重力熱管、脈動熱管和燒結(jié)熱管等。熱管工作示意圖見圖4。

圖4 熱管工作示意圖Fig.4 Schematic diagram of heat pipe working

在熱管結(jié)構(gòu)的研究方面，B.Ariantara等[18]提出一種基于環(huán)路熱管與藕狀多孔銅芯的電池熱管理系統(tǒng)，將凝汽器冷卻液溫度保持在28℃，當產(chǎn)熱功率為20W時，電池表面溫度在50℃以下。在熱管種類的研究方面，X.Ye等[19]使用微型熱管陣列設(shè)計熱管理系統(tǒng)，在2 C的充放電倍率下，電池組溫度降到40℃以下，電池表面之間的溫差低于5℃。F.M.Nasir等[20]研究了冷凝管長度對熱管冷卻效果的影響，發(fā)現(xiàn)當冷凝管長度為100～150 mm時，水流量對電池表面溫度影響不大。鄂加強等[21]以無機超導熱管散熱方法為基礎(chǔ)進行分析，模擬表明:以10 A電流放電10 min時，鋰離子電池溫度低于48℃，且隔熱效果良好。

與空氣冷卻和液體冷卻方式相比，熱管冷卻效率較高，但復(fù)雜的熱管結(jié)構(gòu)不能與電池良好地匹配，還會增加整個電池系統(tǒng)的體積。熱管冷卻還有制造成本高、安裝較復(fù)雜、長期使用后傳熱性能下降等缺點。目前，熱管冷卻還不適合大規(guī)模應(yīng)用于動力鋰離子電池熱管理系統(tǒng)，應(yīng)向小型化、簡單化發(fā)展。提高熱管冷卻系統(tǒng)的普適性，是今后發(fā)展的目標。

2.4 相變材料冷卻

相變材料冷卻是利用相變材料的相變潛熱吸收熱量的被動式冷卻方式。相變材料是能夠在一定溫度范圍內(nèi)改變自身物理狀態(tài)的材料[22]，可分為有機相變材料、無機相變材料和復(fù)合相變材料，其中石蠟是一種研究較多的相變材料。相變材料冷卻示意圖見圖5。

圖5 相變材料冷卻示意圖Fig.5 Schematic diagram of phase change material cooling

S.Al-Hallaj等[23-24]將相變材料應(yīng)用于鋰離子電池熱管理系統(tǒng)，相變材料冷卻的電池溫度比自然冷卻低8℃。在石蠟復(fù)合膨脹石墨的研究方面，A.Greco等[25]研究石蠟/膨脹石墨組成的電池熱管理系統(tǒng)，電池組最高溫度比強制對流低29.1℃。Z.Y.Ling等[26]研究發(fā)現(xiàn)，石蠟/膨脹石墨復(fù)合材料可降低電池間的溫差，最大溫差降低了6℃，提高了溫均性。在石蠟復(fù)合泡沫銅的研究方面，J.S.He等[27]制備的膨脹石墨/泡沫銅二元骨架材料，可將電池最高溫度控制在48.0℃，溫差為3.9℃。此外，還有將其他材料與相變材料復(fù)合的研究。V.Choudhari等[28]將相變材料放入翅片結(jié)構(gòu)，使電池溫度降低了9.28%。文一平[29]將相變材料與微小通道耦合，將電池組最高溫度控制在40.1℃，最大溫差限制在1.4℃。

相變材料冷卻具有散熱速度快、控溫均勻性高、低溫下可釋放相變潛熱實現(xiàn)保溫功能等優(yōu)點，還可采用優(yōu)化相變材料種類、將相變材料與其他材料復(fù)合等手段提高性能。采用相變材料冷卻，能減少電池系統(tǒng)占用的空間，且不會額外消耗電池的能量。與前3種熱管理方式相比，相變材料冷卻的綜合性能最好，但也有導熱系數(shù)低、易泄漏等缺點。單純的相變材料冷卻不能及時將材料吸收的熱量散失到外界環(huán)境中，會導致冷卻作用喪失，電池可能持續(xù)升溫甚至出現(xiàn)熱失控。將相變材料冷卻與其他熱管理方式結(jié)合，及時將相變材料吸收的熱量發(fā)散出去，可持續(xù)發(fā)揮材料的冷卻作用。

2.5 復(fù)合冷卻

除了上述的單一熱管理技術(shù)，還可以將多種熱管理技術(shù)復(fù)合，取長補短，克服單一熱管理技術(shù)的缺點，發(fā)揮各自的優(yōu)點，達到更好的熱管理效果。目前，大多數(shù)研究是將主動式和被動式熱管理技術(shù)復(fù)合使用。

在相變材料復(fù)合空氣冷卻的研究方面，P.Qin等[30]設(shè)計了相變材料和強制空氣對流復(fù)合的熱管理系統(tǒng)，在3 C的充放電倍率下，與單一被動式熱管理相比，電池組的最高溫度下降了16.0℃，最大溫差下降了1.2℃。在相變材料復(fù)合熱管冷卻的研究方面，W.X.Wu等[31]設(shè)計的熱管復(fù)合相變材料的熱管理系統(tǒng)，可以將電池組在5 C放電倍率下的最高溫度控制在50℃以下。在相變材料復(fù)合液體冷卻的研究方面，Y.R.Zheng等[32]設(shè)計了一種以液冷為主，結(jié)合相變材料的熱管理系統(tǒng)，復(fù)合相變材料主要起到吸收部分熱量的輔助作用。研究發(fā)現(xiàn)，在8 C放電倍率下，可將電池最高溫度控制在38.69℃，溫差為2.23℃。

在其他復(fù)合冷卻的研究方面，Q.Q.Huang等[33]將熱管與液體冷卻相結(jié)合，使電池在3 C放電倍率下的最高溫度下降至50℃。W.Yang等[34]設(shè)計了空氣冷卻與微通道液冷耦合的復(fù)合熱管理系統(tǒng)，將電池組最高溫度控制在31.73℃，溫差低于4.13℃。

將相變材料與空氣冷卻、液體冷卻或熱管冷卻等熱管理方式相結(jié)合，可發(fā)揮相變材料的高相變潛熱，同時彌補相變材料導熱系數(shù)低的問題，但復(fù)合的方式使得熱管理系統(tǒng)的質(zhì)量增加、結(jié)構(gòu)變復(fù)雜。需要根據(jù)電池組的規(guī)格和運行環(huán)境，并結(jié)合經(jīng)濟效益來制定相應(yīng)的熱管理策略。動力鋰離子電池熱管理各冷卻方式的主要技術(shù)參數(shù)列于表1。

表1 動力鋰離子電池熱管理技術(shù)的參數(shù)Table 1 Parameters of power Li-ion battery thermal management technology

3 總結(jié)與展望

目前，空氣冷卻和液體冷卻是動力鋰離子電池主要的熱管理方式，而熱管冷卻和相變材料冷卻起步較晚。隨著鋰離子電池容量和充放電速率的增加，單一的熱管理技術(shù)已難以滿足使用要求，多種熱管理技術(shù)耦合是未來熱管理技術(shù)的發(fā)展趨勢。在相變材料冷卻熱管理技術(shù)的研究上，除了考慮相變材料的儲熱、導熱等性能外，還應(yīng)考慮相變材料在電池熱管理失效后的安全問題，加強對相變材料阻燃技術(shù)的研究。

目前，對熱管理系統(tǒng)的研究主要針對汽車領(lǐng)域，隨著動力鋰離子電池在海、陸、空等應(yīng)用空間的擴展，在不同環(huán)境下的鋰離子電池熱管理技術(shù)研究也成為未來趨勢。