車用鋰離子電池?zé)峁芾硌芯窟M(jìn)展

許炫皓 李軍

（重慶交通大學(xué) 機(jī)電與車輛工程學(xué)院，重慶 400074）

主題詞：鋰離子電池電池?zé)峁芾砜諝饫鋮s復(fù)合冷卻

1 前言

近幾年，節(jié)能減排的觀念受到越來(lái)越多的關(guān)注，國(guó)家也在2020年正式提出了雙碳目標(biāo)，在此大背景下，交通領(lǐng)域中新能源電動(dòng)汽車的發(fā)展也必將是大勢(shì)所趨。鋰離子電池由于其具有高功率、大容量、低放電率和長(zhǎng)循環(huán)壽命的優(yōu)點(diǎn)在電動(dòng)汽車電池組上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。眾所周知，動(dòng)力電池組受溫度的影響很大，其適宜工作溫度區(qū)間僅為0～50℃，單體電池間溫差也不應(yīng)大于5℃，溫度過高會(huì)破壞電池內(nèi)部化學(xué)平衡，嚴(yán)重的情況甚至?xí)?dǎo)致熱失控，溫度過低電池內(nèi)阻增加，會(huì)影響電池功率和能量輸出。因此，為了使電動(dòng)汽車始終保持在安全高效的工作條件下，設(shè)計(jì)一款適宜的熱管理系統(tǒng)非常有必要，目前電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)主要包括主動(dòng)式和被動(dòng)式以及主被動(dòng)聯(lián)合的方式。

本文首先確定電池?zé)峁芾淼某霭l(fā)點(diǎn)，接著分別從不同冷卻方式入手，闡述近幾年的熱管理研究進(jìn)展，分析不同冷卻方式的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)鋰離子電池散熱技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行展望，為未來(lái)熱管理相關(guān)方面的研究提供一些幫助。

2 電池?zé)峁芾硌芯扛艣r

電池的性能、壽命和安全問題一直是阻礙電動(dòng)汽車不能快速發(fā)展的原因，而這些問題大都與電池的溫度相關(guān)。

電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)只有在特定的溫度下才會(huì)發(fā)生，溫度過高或過低都會(huì)導(dǎo)致鋰電池在充放電時(shí)電池容量下降，嚴(yán)重影響鋰電池的使用壽命。溫度過高會(huì)破壞電池內(nèi)的化學(xué)平衡，增加電化學(xué)反應(yīng)極化，降低電池倍率性能，經(jīng)過高溫循環(huán)后電芯的化學(xué)活性衰減，電池性能和壽命降低。溫度過低時(shí)電解液粘度增大，電極反應(yīng)率下降，導(dǎo)致電池內(nèi)部正負(fù)極化學(xué)物質(zhì)反應(yīng)變慢，電池內(nèi)阻增加，低溫下對(duì)鋰電池進(jìn)行充電甚至?xí)霈F(xiàn)析鋰現(xiàn)象，不僅會(huì)使電池性能下降，還會(huì)大大縮短電池的循環(huán)壽命。電池溫度過高嚴(yán)重的情況下還會(huì)致使電池模組發(fā)生熱失控，引起電池自燃，導(dǎo)致爆炸甚至火災(zāi)。熱失控現(xiàn)象的發(fā)生很大一部分原因都是因?yàn)殡姵貎?nèi)部短路，當(dāng)鋰電池外部受力時(shí)，其內(nèi)部膈膜破裂，正極和負(fù)極相接觸，便會(huì)引發(fā)電池短路，從而產(chǎn)生大量的熱，儲(chǔ)存在材料內(nèi)的電化學(xué)能量會(huì)隨著熱量的產(chǎn)生而進(jìn)一步釋放，當(dāng)熱量累積到一定程度時(shí)，便會(huì)引發(fā)熱失控。熱失控的能量會(huì)引發(fā)模組乃至系統(tǒng)的熱蔓延，嚴(yán)重的情況下，導(dǎo)致整車燒毀。由此可見，當(dāng)電池內(nèi)部溫度升高，熱量得不到釋放時(shí)，為使電池溫度盡可能保持在適宜溫度區(qū)間，保證電池性能和壽命的同時(shí)，防止電池發(fā)生熱失控現(xiàn)象，進(jìn)行熱管理研究是非常有必要的。

3 電池?zé)峁芾硌芯窟M(jìn)展

目前，在車用鋰離子電池?zé)峁芾矸矫?，?guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)做了大量研究，電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)主要包括空氣冷卻、液體冷卻、熱管冷卻、相變冷卻和復(fù)合冷卻，空冷和液冷因?yàn)檠芯科鸩捷^早，技術(shù)較為成熟，已實(shí)現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用；熱管冷卻和相變冷卻雖然效果較好，但現(xiàn)仍處于試驗(yàn)階段，尚未做到產(chǎn)品應(yīng)用。近幾年，越來(lái)越多的學(xué)者關(guān)注到可以將兩種或多種冷卻方式耦合起來(lái)，對(duì)電池進(jìn)行復(fù)合冷卻熱管理，這種冷卻方式不僅效果更好，其適用范圍也得到增加，具有良好的發(fā)展前景。

3.1 空氣冷卻

空氣冷卻也稱風(fēng)冷，主要是通過外部空氣的高流速給電池降溫，常見的風(fēng)冷有2種方式：（1）被動(dòng)風(fēng)冷，是利用汽車行駛時(shí)空氣的高流速帶走熱量；（2）強(qiáng)制風(fēng)冷，主要是通過添加風(fēng)扇來(lái)增強(qiáng)空氣流速，從而帶走電池內(nèi)多余熱量。

對(duì)于風(fēng)冷系統(tǒng)，影響其冷卻效率的主要因素有：電池排列方式、風(fēng)道的設(shè)計(jì)、進(jìn)出風(fēng)口位置的設(shè)計(jì)以及空氣流速和溫度。在電池排列的研究方面，李康靖等比較了3種電池排列方式:順排、錯(cuò)位和交叉。圖1是錯(cuò)位和交叉排列的平面結(jié)構(gòu)圖，相比于錯(cuò)位和交叉排列，電池組以順排排布時(shí)不僅最高溫度較低，而且電池組間溫差也較小，此外電池間距的大小也影響溫度均勻性，當(dāng)間距控制在4 mm時(shí)溫均性最好。在風(fēng)道設(shè)計(jì)研究方面，陳凱等針對(duì)Z形的空氣流道，采用數(shù)值模擬的方法對(duì)流道進(jìn)行了優(yōu)化，對(duì)比發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的空氣流道在壓降不改變的情況下，電池組溫差減小了48%以上。在進(jìn)出風(fēng)口位置設(shè)計(jì)研究方面，E J等模擬了3個(gè)入口/出口位置以獲得最優(yōu)解:上入口和下出口、同側(cè)入口和出口和不同側(cè)入口及出口。結(jié)果表明，將入口和出口放置在電池組的相對(duì)兩側(cè)是最佳解決方案，使用額外的擋板結(jié)構(gòu)來(lái)防止空氣通過外殼和電池之間的距離，可以大大提高橫向進(jìn)氣冷卻策略的性能。在空氣流速的研究方面，任詩(shī)皓等采用數(shù)值模擬方法發(fā)現(xiàn)，增加進(jìn)風(fēng)口空氣速度或者降低進(jìn)風(fēng)口空氣溫度也能有效提高電池散熱能力。

圖1 錯(cuò)位和交叉結(jié)構(gòu)俯視圖[8]

空冷系統(tǒng)具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高的特點(diǎn)，但其導(dǎo)熱系數(shù)低，溫度均勻性控制較差，只能滿足一些低功率電池組的熱管理要求，市場(chǎng)上采用風(fēng)冷方式冷卻的主要是電池容量較小的新能源汽車，比如五菱宏光MINI、豐田普銳斯、歐拉黑貓、哪吒等車型。當(dāng)環(huán)境溫度過高或風(fēng)速較低時(shí)，空氣冷卻無(wú)法達(dá)到降溫的作用。目前，空冷系統(tǒng)在市場(chǎng)上雖然還有一席之地，但隨著電池組開始向高能量密度方向發(fā)展，單獨(dú)使用空氣冷卻已無(wú)法滿足要求。

3.2 液體冷卻

液體冷卻的工作原理是通過設(shè)計(jì)將某一冷卻介質(zhì)放進(jìn)特定的流道，使其流經(jīng)電池表面從而帶走熱量。液體冷卻主要分為直接冷卻和間接冷卻，主要的區(qū)別在于冷卻液與電池間接觸方式的不同。

液冷板和流道布置的改進(jìn)是提高液體冷卻效率的主要方式，王明悅等提出了一種基于蛇形通道的液體冷卻熱管理方案并進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后的液冷結(jié)構(gòu)可以使電池溫度保持在20～35℃之內(nèi)。蔡森林等設(shè)計(jì)了一種并聯(lián)非等長(zhǎng)直流道的液冷板結(jié)構(gòu)，在保證最高溫度和溫差在適宜范圍內(nèi)的同時(shí)也較好的控制了液冷板的壓降。宋德才等設(shè)計(jì)了一種新型細(xì)小通道冷卻板，與傳統(tǒng)冷卻板相比，采用串并聯(lián)結(jié)合的流道具有更好的溫度表現(xiàn)，而且隨著流速的增大，散熱效果也越好，但這一趨勢(shì)在流量達(dá)到5 g/s時(shí)逐漸失效，如圖2是串并聯(lián)結(jié)構(gòu)流道示意圖。安治國(guó)等研究了液冷管道數(shù)量、管道間距對(duì)液冷散熱效果的影響，管道數(shù)量增加散熱效果變強(qiáng)，管道間距設(shè)計(jì)過大或過小都不利于散熱，最優(yōu)管道間距為65 mm。

圖2 串并聯(lián)結(jié)構(gòu)式液體流道圖[14]

液體冷卻雖然存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、質(zhì)量大的缺點(diǎn)，但相比較于空氣冷卻，液體冷卻不僅換熱系數(shù)較高，而且可以使電池組的溫度分布更均勻，目前市場(chǎng)上主流的新能源汽車大都采用液冷作為熱管理方式，如特斯拉設(shè)計(jì)的波浪形液冷板已經(jīng)申請(qǐng)了多項(xiàng)專利，小鵬P7冷卻液不僅能夠降溫也能夠升溫，還有諸如理想ONE、比亞迪元EV360、廣汽傳祺GE3等眾多車型。液體冷卻仍是目前大多數(shù)新能源電動(dòng)車的首選，通過改變冷卻板結(jié)構(gòu)，流道結(jié)構(gòu)以及液體流速是目前優(yōu)化液體冷卻效率的有效手段。

3.3 熱管冷卻

熱管冷卻早期多應(yīng)用于核冷卻領(lǐng)域和航天領(lǐng)域，近些年隨著新能源電池的發(fā)展，熱管冷卻技術(shù)也被作為一種電池冷卻的有效方法。熱管主要由蒸發(fā)器、絕熱器和冷凝器3部分構(gòu)成。管內(nèi)介質(zhì)在蒸發(fā)段蒸發(fā)，蒸氣通過絕熱段流向低溫冷凝器段，管內(nèi)介質(zhì)在該段內(nèi)進(jìn)行冷凝，由此一個(gè)工作循環(huán)。

在熱管冷卻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，曾健等對(duì)所設(shè)計(jì)的一種基于熱管的散熱模塊中熱管的幾何尺寸進(jìn)行研究，對(duì)比發(fā)現(xiàn)當(dāng)熱管蒸發(fā)段中水平段與豎直段比例為1時(shí)，散熱效果最好。甘云華等研究發(fā)現(xiàn)在熱管中加入導(dǎo)熱元件可以增大電池與熱管之間的接觸面積，提高熱管的冷卻效率，增加導(dǎo)熱元件厚度的也能夠降低電池溫度，一般將厚度控制在4 mm以下。田晟等設(shè)計(jì)的熱管-鋁板嵌合式散熱結(jié)構(gòu)如圖3所示，在2 C放電倍率下，有效地將單體電池間溫差控制在3.2℃，同時(shí)運(yùn)用雙因素方差分析法，比較得出鋁板厚度的增加相比于熱管數(shù)量的增加能更有效的控制電池最高溫度。周海闊等針對(duì)大功率電池模組，設(shè)計(jì)了一款熱管-翅片-集熱板的組合，通過有限元計(jì)算模擬和試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在1 C放電倍率下可以將電池組溫度始終保持在15℃以內(nèi)。

圖3 熱管-鋁板嵌合式結(jié)構(gòu)模型[19]

熱管技術(shù)在電池冷卻方面的研究目前多停留在模擬仿真和試驗(yàn)階段，還未達(dá)到實(shí)車應(yīng)用的要求。熱管冷卻技術(shù)不僅冷卻效率比風(fēng)冷和液冷高，而且可以滿足高溫和低溫的雙工況要求，雖然目前其成本較高，結(jié)構(gòu)也較復(fù)雜，但其仍然具有很好的發(fā)展前景，未來(lái)的研究將重點(diǎn)放在降低系統(tǒng)能耗和輕量化方面。

3.4 相變冷卻

相變冷卻是一種冷卻效果較好的被動(dòng)式冷卻，主要是利用相變材料在物質(zhì)狀態(tài)變化過程中，溫度保持不變的同時(shí)吸收熱量，也叫相變潛熱。目前相變材料大致可以分為3類：無(wú)機(jī)材料、有機(jī)材料和復(fù)合相變材料，而鋰電池的相變冷卻中采用的多是石蠟和石墨的復(fù)合相變材料。

基于石蠟和石墨復(fù)合相變材料的研究眾多，王海民等設(shè)計(jì)了一種正六邊形的電池模組，并在其電池周圍填充石墨-石蠟的復(fù)合相變材料，其結(jié)構(gòu)如圖4所示，分析了相同放電倍率下，不同電池間距相變材料的散熱特性，結(jié)果表明間距小的模組溫升高于間距較大的電池模組。林裕旺等通過在石蠟相變材料中添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的膨脹石墨，研究其冷卻效果發(fā)現(xiàn)增加膨脹石墨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以提高系統(tǒng)的散熱能力。吳偉雄等將石蠟與膨脹石墨復(fù)合制備成一種導(dǎo)熱性極佳的復(fù)合相變材料板，與純石蠟材料相比導(dǎo)熱系數(shù)提高了近30倍，采用該方法電池組在5 C放電倍率下最大溫差僅為2℃。凌子夜等將石蠟RT44HC與膨脹石墨復(fù)合，導(dǎo)熱率比純相變材料提升了20～60倍，可以將電池溫度很好的控制在適宜溫度內(nèi)。

圖4 相變冷卻結(jié)構(gòu)模型[22]

相變冷卻與其它冷卻方式相比不需要大量的附件設(shè)備，安全性高，而且能更好的控制電池組間的溫差，可以避免出現(xiàn)局部過熱的現(xiàn)象。目前對(duì)相變材料的研究大多依賴于有機(jī)相變材料，鑒于有機(jī)相變材料的低導(dǎo)熱性，未來(lái)的研究重點(diǎn)可能轉(zhuǎn)向?qū)嵝愿玫臒o(wú)機(jī)材料。隨著電動(dòng)汽車的發(fā)展，電池功率越來(lái)越大，單靠基于相變材料的熱管理已經(jīng)無(wú)法滿足散熱要求，因此，未來(lái)研究重點(diǎn)要放在將相變材料與其它冷卻方式結(jié)合方面。對(duì)相變材料的研究目前主要集中在吸熱制冷方面，但隨著新能源汽車向高寒地區(qū)的推廣，未來(lái)也需要對(duì)相變材料低溫蓄熱能力方面進(jìn)行更多的研究。

3.5 復(fù)合冷卻

前文介紹的4種冷卻方式都是較為單一的熱管理技術(shù)，都具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，為了進(jìn)一步提高電池冷卻效率，很多熱管理研究開始選擇將多種冷卻方式復(fù)合起來(lái)，使不同的冷卻方式取長(zhǎng)補(bǔ)短，克服單一冷卻方式的缺點(diǎn)，保留其優(yōu)點(diǎn)，以此達(dá)到更好的熱管理效果。目前大多數(shù)的復(fù)合冷卻是將主動(dòng)冷卻與被動(dòng)冷卻相結(jié)合起來(lái)。

Yang等提出了一種將空氣冷卻和相變冷卻相結(jié)合的熱管理系統(tǒng)，研究比較了自然對(duì)流、自然對(duì)流與相變復(fù)合和強(qiáng)制對(duì)流與相變復(fù)合3種不同熱管理方式，對(duì)比發(fā)現(xiàn)強(qiáng)制對(duì)流與相變復(fù)合的熱管理方式可以很好的將電池組最高溫差控制在2℃。吳學(xué)紅等為了提高電池散熱能力，在相變材料和液冷板復(fù)合的電池表面添加了導(dǎo)熱翅片，該復(fù)合冷卻方式可以保證電池組溫度維持在33～38℃的安全范圍內(nèi)。黃菊花等設(shè)計(jì)了一種相變材料與液冷水套耦合的散熱結(jié)構(gòu)模型，探究了不同流道對(duì)電池溫升的影響，不同流道結(jié)構(gòu)模型如圖5所示，比較發(fā)現(xiàn)在3 C放電倍率下，6流道結(jié)構(gòu)可以控制電池表面最高溫度為33.78℃，比單一的相變冷卻溫度降低了7.23℃。Huang等設(shè)計(jì)了一系列基于相變材料的熱管理系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)將熱管與液冷以及相變材料結(jié)合的熱管理方式可以在3 C放電倍率下，將最高溫度控制在50℃內(nèi)，并且與另外兩種方式相比溫差下降了3℃。

圖5 相變材料與液冷水套耦合結(jié)構(gòu)模型[29]

復(fù)合冷卻將主動(dòng)冷卻與被動(dòng)冷卻相結(jié)合，與其他單一冷卻方式相比不僅冷卻效率得到提高，適用范圍也得到進(jìn)一步擴(kuò)大。目前復(fù)合冷卻存在的主要問題是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，質(zhì)量和體積偏大，如何在保證其冷卻效率的前提下減小其質(zhì)量是一個(gè)亟待解決的問題。不同的電池?zé)峁芾硇Ч麑?duì)比如表1所示。

表1 5種冷卻方式效果對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前，新能源汽車技術(shù)發(fā)展迅速，電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)在保證電池性能和使用壽命方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，電池?zé)峁芾淼闹饕δ苁菍?duì)電池進(jìn)行實(shí)時(shí)的溫度監(jiān)控、保持電池間溫度一致性、溫度過高時(shí)有效散熱、低溫時(shí)能夠快速加熱。目前，市場(chǎng)上的新能源汽車多采用風(fēng)冷和液冷2種方式對(duì)電池進(jìn)行降溫，而熱管冷卻和相變冷卻作為新型被動(dòng)冷卻仍然停留在試驗(yàn)研究階段，在新能源車上還未得到大批量應(yīng)用，隨著電池容量和充放電倍率的增加，單一的電池?zé)峁芾矸绞揭呀?jīng)不足以滿足電池散熱的要求，因此使用多種方式耦合的熱管理系統(tǒng)必定是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

鋰離子電池正在向高能量密度、長(zhǎng)循環(huán)壽命方向發(fā)展，與此同時(shí)，電池產(chǎn)熱速率增加導(dǎo)致峰值溫度增高，溫度一致性變差，因此，未來(lái)重點(diǎn)將主要放在對(duì)單體電池峰值溫度和電池模組間溫度均勻性控制的研究。