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摘要：鋰離子電池由于具有優(yōu)良的電化學特性，在電動汽車及儲能等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，但是其工作性能及安全性受溫度的影響較大，因此，需要采用合理有效的熱管理系統(tǒng)，以確保電池的溫度維持在適宜范圍內(nèi)。本文歸納了常見的熱管理系統(tǒng)，總結(jié)了風冷、相變材料冷卻、熱管冷卻和液冷的研究現(xiàn)狀及優(yōu)缺點，重點從直接接觸液冷和間接接觸液冷兩方面介紹了當前液冷技術(shù)的優(yōu)化方式。對于單一熱管理系統(tǒng)存在的局限性，從耦合熱管理系統(tǒng)角度分析了液冷與其他方式相結(jié)合的熱管理系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀。提出液冷熱管理系統(tǒng)應(yīng)向綜合優(yōu)化、智能管控的方向發(fā)展，特別是與被動散熱方式的耦合以及電池管理系統(tǒng)的匹配連接。
關(guān)鍵詞：鋰離子電池；液冷；熱管理系統(tǒng)；優(yōu)化
中圖分類號：X913.4；TM911
基金項目：廣東電網(wǎng)有限責任公司科技項目（GDKJXM20220255）
我國是全球最大的汽車生產(chǎn)與消費國，發(fā)展新能源汽車對促進我國交通能源轉(zhuǎn)型升級，減少碳排放具有十分重要的意義。因此，我國提出了“3060雙碳目標”，旨在減少二氧化碳等溫室氣體的排放。
鋰離子電池是目前電動汽車的主要動力來源。然而，鋰離子電池的性能受溫度的影響較大，其熱安全性是制約鋰離子電池推廣應(yīng)用的關(guān)鍵問題之一。為了保障電池性能的一致性，電池組中的最大溫差應(yīng)低于5 ℃。因此，為了保證鋰離子電池工作的安全性，延長電池的使用壽命，有必要采用合理有效的鋰離子電池熱管理系統(tǒng)（Battery thermal management system， BTMS）。
1 熱管理技術(shù)分類
目前，常見的BTMS有風冷BTMS、基于相變材料（Phase change material， PCM）的BTMS、熱管BTMS和液冷BTMS。
風冷BTMS是指利用空氣的自然對流或強制對流將電池工作過程中產(chǎn)生的多余熱量傳遞出去，因其裝置結(jié)構(gòu)簡單且成本相對較低，在電動汽車中得到了廣泛應(yīng)用。但是，風冷BTMS也存在體積規(guī)模較大、需要大量額外耗能、電池高倍率工況下工作散熱效果不佳等問題。相關(guān)學者通過優(yōu)化電池間距、電池組排布方式、風速、輔助翅片材料等來提高熱管理系統(tǒng)的性能。SAHIN R C等研究了不同形狀擾流板對風冷系統(tǒng)散熱性能及功耗的影響，得到三角小翼擋板可以在增加能耗最少的前提下獲得最佳的冷卻效果。QIN P等綜述了風冷BTMS與其他熱管理方式的耦合性能，并對各種優(yōu)化方式進行了對比分析。然而，風冷BTMS在極端環(huán)境和工況下的熱管理效果仍然難以滿足市場要求。
基于PCM的BTMS作為一種被動換熱系統(tǒng)，無需外界能耗即可進行熱管理，同時對電池組的溫度一致性具有良好的控制效果，其利用PCM在相變過程中的高潛熱，吸收電池產(chǎn)生的熱量吸收，并將其散發(fā)到外界。為了改善PCM導熱系數(shù)較低且具有可燃性的問題，相關(guān)研究通過在PCM中添加導熱材料（膨脹石墨）以及阻燃劑（聚磷酸銨、氫氧化鋁）來提高PCM的導熱性和阻燃性。DENG J等使用石蠟-聚磷酸銨-苯乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物以及膨脹石墨制備得到的阻燃柔性的相變材料，即使復合材料被點燃后火焰也僅持續(xù)5 s。同時，大量研究設(shè)計了PCM的結(jié)構(gòu)，并結(jié)合其他熱管理方式，以改善PCM熱管理系統(tǒng)存在的潛熱有限和相變易泄漏的問題。但是，PCM會增加電池組的質(zhì)量，且在實際中的應(yīng)用仍需要進一步探索，目前還處于實驗室階段。
熱管BTMS是一種新型的熱管理方式，其利用熱管中介質(zhì)發(fā)生的相變將電池產(chǎn)生的熱量從蒸發(fā)端運輸?shù)嚼淠?，也是一種被動換熱的方法。由于其具有高導熱效率、溫度均勻性優(yōu)良且使用壽命長等優(yōu)點，目前也是BTMS的研究重點。熱管的種類可分為燒結(jié)熱管、扁平熱管和微熱管陣列，由于熱管單獨使用時散熱效果不佳，通常與風冷、液冷或者PCM結(jié)合進行熱管理，LUO Y H等和LIANG L等將燒結(jié)熱管和微熱管陣列分別與翅片和液冷等技術(shù)復合應(yīng)用于電池組散熱和預(yù)熱，但是這也增加了熱管BTMS的復雜性，并且與鋰離子電池的匹配度較差，因此，還不能廣泛應(yīng)用于BTMS。
2 基于液體換熱的熱管理系統(tǒng)
液冷BTMS主要利用液體與電池之間的對流換熱來實現(xiàn)電池的散熱。由于液體的導熱系數(shù)和比熱容比空氣大得多，因此，采用液冷散熱的效果更佳。目前，液冷技術(shù)在市場上也已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，很多汽車廠商均在電動汽車上應(yīng)用了液冷技術(shù)。液冷BTMS根據(jù)冷卻液與電池組的接觸方式，可分為直接接觸液冷和間接接觸液冷。
2.1 直接接觸液冷
直接接觸的液體換熱技術(shù)也可以被稱為浸沒式液冷技術(shù)，與PCM熱管理系統(tǒng)類似，但無須對其工質(zhì)進行定型處理。同時，選擇低介電常數(shù)、高比熱容、高導熱系數(shù)、低凝固點、不易燃、無腐蝕和環(huán)保的冷卻液，冷卻效率較高且溫度均勻性好。目前，常用的冷卻液包括電子氟化液、碳氫化合物、硅油類、酯類、水基類。VAN GILS R W等將電池單體浸入Novec7000溶液中，發(fā)現(xiàn)浸沒冷卻的效果明顯優(yōu)于空氣，并且如果冷卻液出現(xiàn)了沸騰，可以進一步使電池溫度均勻化。GOODARZI M等使用低沸點的介電制冷劑1-二氯-1-氟乙烷作為冷卻液，對12節(jié)18650電池組成的模組進行散熱研究。結(jié)果表明，冷卻液高度的增加可以降低電池組的最高溫度、電池單體之間的溫差和每個單體內(nèi)部的溫差，即使在循環(huán)充放電或者高倍率放電下，該熱管理系統(tǒng)仍可以有效降低電池組的最高溫度和最大溫差。LIU Q等和WANG Y F等也分別將10號變壓器油和HFE-7000作為冷卻液的熱管理系統(tǒng)，進行了試驗和仿真研究。但是，研究使用的冷卻液并不能兼顧直接接觸液冷的所有要求，如電子氟化液對人體和環(huán)境有害且成本較高，碳氫化合物易燃且閃點不高，水基流體的電絕緣性較差。因此，急需開發(fā)新型的冷卻液，滿足直接接觸液冷的散熱以及安全經(jīng)濟的要求。
直接接觸液冷技術(shù)已經(jīng)在實踐工程中得到了示范應(yīng)用，但由于體積和質(zhì)量較大，目前不適用于動力電池的熱管理，主要應(yīng)用于儲能電站中。南方電網(wǎng)某儲能電站于2023年3月6日正式投入運營，其規(guī)模為70 MW/140 MWh，按照1.75 次/天充放測算，具有每年可發(fā)電近8 100萬kWh的潛力。該電站的BTMS采用的冷卻液為LD5，屬于硅油系，熱穩(wěn)定性高，不易氧化變質(zhì)且絕緣強度高。該儲能電站的每個浸沒式液冷電池艙容量為5.2 MWh，能夠?qū)崿F(xiàn)電池的運行溫升不超過5 ℃，不同電池的溫差不超過2 ℃，可靠性顯著。該儲能電站的成功推出，促使其他企業(yè)也相繼推出了全浸沒式液冷儲能系統(tǒng)產(chǎn)品。
直接接觸式液冷對冷卻液的密封性、絕緣性以及電池箱體的抗壓性要求較高，這也增加了熱管理系統(tǒng)的成本，特別是在電池模組出現(xiàn)故障時，需要將整個模組進行返廠處理和維修，因此，直接接觸液冷的熱管理方式有待進一步研究，目前得到廣泛研究和應(yīng)用的液冷形式依然是間接式接觸液冷。
2.2 間接接觸液冷
目前，針對BTMS的研究更多關(guān)注于間接接觸式液冷，其主要通過冷卻液在管路中的流動與電池對流換熱來降低電池組的溫度。間接接觸液冷通常采用液冷板與電池表面緊密貼合的方式，以增大換熱面積，并通過對冷卻液流速和流向等的優(yōu)化，達到最佳的換熱效果。DENG T等分析了液冷中冷卻液的質(zhì)量流量、冷板數(shù)量、通道分布和冷卻方向?qū)﹄姵亟M熱性能的影響，發(fā)現(xiàn)1 g/s的質(zhì)量流量適合散熱，且合理的冷卻方向以及在電池組中間放置更多的冷板，能夠有效促進散熱。同樣，液冷板在大型電池組中的放置位置也會影響B(tài)TMS的散熱效果。CHUNG Y等提出了D型BTMS的結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用對稱堆疊的布置，等效導熱系數(shù)與系統(tǒng)體積的比值提高了64%，電池組的最大溫差降低到5.4 ℃，其溫度的均勻性得到了顯著改善。ZHANG Z D等利用現(xiàn)有流道類型的液冷板對軟包電池進行熱管理，并從數(shù)值分析的角度研究了質(zhì)量流量、冷卻觸發(fā)條件和乙二醇溶液濃度對電池溫度分布的影響。
在液冷板流道結(jié)構(gòu)的設(shè)計方面，也出現(xiàn)了許多新型的結(jié)構(gòu)，特別是一些仿生技術(shù)的應(yīng)用，可以優(yōu)化液冷BTMS的性能。ZHAO D等設(shè)計了一種蜂窩結(jié)構(gòu)的液冷板，通過密集的蜂窩通道可以顯著增加冷卻通道的換熱面積，并采用對比試驗的方法設(shè)計了最優(yōu)的蜂窩結(jié)構(gòu)：冷卻通道寬度為3 mm，正六邊形鋁塊中心到其邊長的垂直距離為6.8 mm。LUO W M等設(shè)計了一種方形螺旋環(huán)狀小通道液冷板，以減小因電池局部溫度過高造成的溫度梯度，利用仿真研究了流道圈數(shù)、流道寬度、流道彎曲半徑和入口質(zhì)量流量對電池溫度特性和冷卻液壓降的影響。LIU F等提出了一種軟包方形鋰離子電池的仿生葉脈分支通道液冷板，采用正交試驗的方法研究了進口流量、通道寬度、通道角和通道數(shù)對電池最高溫度、最大溫差以及冷卻液壓降的影響，并通過非支配排序遺傳算法-II對結(jié)果進行優(yōu)化，得到的最優(yōu)設(shè)計參數(shù)為：進口流量為0.1 m/s，通道角為159°，通道數(shù)為15，通道寬度為2.6 mm。
除了采用正交試驗及智能算法，對液冷通道結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化外，拓撲優(yōu)化的方法也在液冷BTMS中得到了廣泛的研究。JI H S等以冷板通道的最大換熱和最小流動阻力為優(yōu)化目標，將拓撲優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用于液冷BTMS，經(jīng)過優(yōu)化迭代，得到了非均勻N形通道。并將其與其他兩種通道結(jié)構(gòu)（均勻通道U形和直通道T形）進行了比較，結(jié)果表明，N形冷板的綜合性能最好。GUO C等利用雙目標優(yōu)化函數(shù)得到了不同類型的拓撲微通道模型，并研究了冷板類型、流道深度和質(zhì)量流量對電池冷卻性能的影響，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計的拓撲液冷板在冷卻性能方面相比直通道有了顯著的提升，提高了61.82%。類似的，SUN Y S等使用拓撲優(yōu)化方法設(shè)計了新型液冷通道，并與蛇形冷卻板和矩形冷卻板進行了比較，可以獲得較好的冷卻性能。雖然經(jīng)過拓撲優(yōu)化得到的液冷板與常見的液冷板相比性能更加優(yōu)良，但是大多結(jié)構(gòu)較為復雜，還停留在模擬仿真的階段，想要在實際生產(chǎn)中大規(guī)模應(yīng)用仍面臨較大的困難。
間接接觸式液冷常用的冷卻液是水和乙二醇的混合物，為了進一步提高冷卻液的導熱性，納米流體的應(yīng)用是提升液冷BTMS性能的一個重要方向。MITRA A等在乙二醇和水的混合物中加入3種不同體積分數(shù)（0.15%、0.30%和0.45%）的多壁碳納米管，在雙通道逆流，體積分數(shù)為0.45%時，電池單體平均溫度下降了11 ℃，且電池組的最大溫差低于3 ℃，完全滿足BTMS的要求，但較高添加物的體積分數(shù)也增加了冷卻液的壓降，造成了一定的能量損耗。GUO Z J等進一步探究了不同形狀的納米顆粒對BTMS冷卻性能的影響，發(fā)現(xiàn)方形納米顆?？梢暂^好地冷卻電池組并減少了電池容量的衰減，而球形納米顆?？梢杂行л^低壓力損失，進而減少能耗。
表1對比了風冷、相變材料冷卻、熱管冷卻和液冷4種主要熱管理技術(shù)的優(yōu)劣。單一的熱管理方式存在各自的優(yōu)勢與劣勢，因此，需要耦合使用不同的熱管理方式，以充分發(fā)揮各自的優(yōu)點。
表1 不同熱管理技術(shù)的關(guān)鍵指標對比
3 液冷與其他散熱方式的耦合
使用單一的液冷方式對電池組的散熱效果是有限的，并且液冷會導致電池組溫度的均勻性降低，因此，可將液冷與其他熱管理方式相結(jié)合。通過綜合運用不同熱管理方式的優(yōu)點，實現(xiàn)電池性能的優(yōu)化和提升。
3.1 風冷與液冷耦合
風冷和液冷是常用的熱管理方式，將二者結(jié)合是可行的。XIN S J等提出一種風冷和液冷的混合式BTMS，在電池組的軸向方向上，均勻分布著導熱塊，電池的熱量通過導熱塊傳遞給冷卻液。同時，為了保持電池組邊緣的溫度均勻性，引入空氣進行冷卻，發(fā)現(xiàn)風冷的應(yīng)用可以進一步改善電池組的溫度性能，在風速為1 m/s時，電池組的最高溫度和最大溫差與單獨使用液冷相比，分別降低了3.75、0.96 ℃。
風冷和液冷均屬于主動散熱的方式，不論是空氣的流動還是液體的循環(huán)，都需要外界的供能，因此，會造成額外的能量損耗，并且風冷由于自身的導熱系數(shù)低等原因，在電池組高倍率充放電以及極端溫度條件下的應(yīng)用也會存在較大的局限性。
3.2 液冷與相變材料耦合
相變材料散熱作為一種被動換熱的熱管理方式，可以彌補液冷BTMS額外消耗的能量以及溫度不均勻的問題。PING P等研究了在工作溫度為45 ℃的惡劣條件下，相變材料與液冷的耦合系統(tǒng)仍可以將電池組的最高溫度與溫差分別降低到47.6、4.5 ℃，并且分析了冷卻液流速、管道的相對位置以及環(huán)境溫度對耦合系統(tǒng)冷卻性能的影響，包括對相變材料潛熱利用率等的影響。NIU J Y等將低導熱、高潛熱的相變材料與液冷相結(jié)合，發(fā)現(xiàn)BTMS在利用熱阻隔減緩電池的熱失控傳播的同時，也可以有效降低電池組的最高溫度，并保證溫度的均勻性。
為了降低液冷與相變材料耦合時額外的能量消耗，采用合理的冷卻策略是這一耦合系統(tǒng)必須考慮的問題。KONG D P等在探究電池間距、通道數(shù)和冷卻液流速等因素對耦合系統(tǒng)影響的基礎(chǔ)上，提出了一種通過監(jiān)測相變材料溫度和環(huán)境溫度來控制冷卻液流速和入口溫度的液冷策略，進一步提高了熱管理系統(tǒng)的熱性能，并減少了在此過程中不必要的液冷能耗。WANG J J等提出基于環(huán)境溫度調(diào)控冷卻液流速的液冷策略，在滿足不同環(huán)境溫度電池組冷卻需求的同時，也將液冷的能耗以及系統(tǒng)的機械損耗降到較低水平。HU S等提出了基于目標參數(shù)先驗信息的熱電性能系數(shù)和能量利用效率系數(shù)這兩個無量綱值來評價和優(yōu)化主動冷卻策略，得到只有在極端條件下（35 ℃下3 C放電）才需要使用液冷策略進行散熱。優(yōu)化后的冷卻策略僅使用6.51%的能耗，可將電池溫度控制在合理范圍內(nèi)。
相變材料與液冷的耦合系統(tǒng)具有較大的發(fā)展?jié)摿Γ窃陔姵亟M中添加相變材料需要綜合考慮各個方面的因素，包括電池組的重量、能耗和體積等。同時，目前采用的有機相變材料大多具有可燃性，相變材料的加入對于BTMS的安全性也是一個重要的考慮因素。
3.3 液冷與熱管耦合
液冷與熱管耦合時，液冷主要作為一種輔助散熱的方式，與熱管的冷凝端接觸，將熱管中的熱量及時散發(fā)出去。JANG D S等分析了單一液冷、A型熱管液冷和B型熱管液冷3種BTMS的冷卻性能。由于液冷板位于電池組的上方，因此，單一液冷使得電池組的上下部分之間存在較大的溫度梯度。而加入熱管后，特別是B型熱管，較大的接觸傳熱面積和較高的導熱系數(shù)可以有效降低電池組的溫度和溫差。ZENG W等提出一種基于微熱管陣列和液冷的混合熱管理系統(tǒng)，通過試驗和仿真分析了BTMS的冷卻性能，發(fā)現(xiàn)液冷和熱管耦合后，電池組溫差相對單一熱管冷卻有所增大，但可以控制在熱管理要求范圍內(nèi)，并利用多目標優(yōu)化方法對熱管理性能以及BTMS的重量進行了優(yōu)化。并對設(shè)計的BTMS中液冷的流速和往復周期進行了研究，提出將0.05 m/s和200 s作為最佳的流速和往復周期，可以獲得較優(yōu)的冷卻性能。熱管的使用比較依賴電池系統(tǒng)特定的形狀結(jié)構(gòu)，其與液冷的耦合也需要考慮二者之間的適配性。
4 總結(jié)與展望
液冷熱管理系統(tǒng)已經(jīng)在鋰離子電池上得到了廣泛的應(yīng)用，相比其他形式的熱管理系統(tǒng)，其散熱效率高、成本低且容易實現(xiàn)，研究及實踐應(yīng)用已經(jīng)取得了相當多的進展，但為了提高液冷熱管理系統(tǒng)的普適性以及潛在的安全問題，仍然需要進一步優(yōu)化。綜合考慮電池系統(tǒng)的溫度性能、壽命、輕量化以及節(jié)能性，需要采用試驗和仿真相結(jié)合的方式進一步探索。
同時，單一的熱管理系統(tǒng)無法滿足鋰離子電池復雜的運行工況，液冷與其他方式的耦合，特別是被動方式的耦合，是未來發(fā)展的方向，需要綜合考慮高溫冷卻、低溫加熱以及保溫方面，探究適合不同工況的冷卻策略，確保其既節(jié)能又高效，滿足電池工作復雜工況下智能管控和實時響應(yīng)的需求。
