摘要：分析鋰離子電池熱失控發(fā)生過程，總結空氣冷卻、液體冷卻、熱管冷卻和相變冷卻等鋰離子電池熱管理技術的研究現狀，進而提出動力鋰離子電池熱管理技術未來的發(fā)展方向?？諝饫鋮s和液體冷卻技術存在控溫效果較差、消耗額外能量等缺點，熱管冷卻具有成本較高、結構復雜等不足，相變冷卻能有效降低鋰電池的峰值溫度和提高電池組的溫度均勻性，應用前景良好。關鍵詞：動力鋰離子電池 熱失控 熱管理技術 相變材料動力鋰離子電池（以下簡稱鋰電池）具有高能量密度、長循環(huán)壽命、低自放電率和無記憶效應等優(yōu)點，廣泛應用于電動汽車、電動工具和航空航天等領域。動力鋰電池在汽車行業(yè)已得到大規(guī)模應用，2020 年電動汽車產量達 406.2 萬輛。另外，在民用航空領域，鋰電池因有助于減輕飛機空重、噪音和環(huán)境污染，已成為新型民用飛機電動力儲能的優(yōu)勢選項。

動力鋰電池的能量密度高達 200~400 Wh/kg，大多應用于交通運輸領域，屬于人員活動區(qū)域。溫度是安全運行的關鍵因素，一旦發(fā)生熱失控災害，極易造成人員傷亡事故，因此，需要高度重視動力鋰電池熱失控風險防控問題，采用有效的熱管理系統是防止鋰電池過熱的關鍵。本文作者從動力鋰電池的熱失控過程出發(fā)，介紹電池熱管理的空氣冷卻、液體冷卻、熱管冷卻、相變冷卻和復合冷卻等技術的優(yōu)缺點，并詳細綜述近年來這幾種熱管理技術的國內外研究進展。

1 動力鋰電池熱管理的研究概況

動力鋰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。圖1 為鋰電池在熱失控過程中的連鎖反應機理。

圖1 鋰電池在熱失控過程中的連鎖反應機理

在濫用條件下，鋰電池溫度異常升高時，材料發(fā)生分解等一系列連鎖反應，鋰電池會因內部短路即刻釋放電能，進而熱失控，引起電解質燃燒。P.T.Coman 等研究發(fā)現，鋰電池單體熱失控釋放的總能量中，有42%來自電能轉化，其他大多源于內部材料的分解等反應釋放的熱量。因此，鋰電池的容量越大，熱失控過程中釋放的能量就越多，更易造成較大的危害。

為防止鋰電池因電因素、熱因素和機械因素等濫用條件觸發(fā)熱失控，保證處于適宜的溫度范圍，進行熱管理是非常重要的。國內外學者針對鋰電池熱管理技術展開大量研究工作，主要包括空氣冷卻、液體冷卻、熱管冷卻、相變冷卻和復合冷卻等 5 種技術。有關空氣冷卻和液體冷卻的研究報道較多，已實現規(guī)?；瘧?；而熱管冷卻和相變冷卻的新型電池熱管理技術還處于研究階段；近年來出現的復合冷卻技術可以綜合兩種及以上熱管理技術的優(yōu)點，顯示出更優(yōu)良的冷卻效果，也得到更多的關注。鋰電池熱管理的研究方法大都是分析不同充放電倍率下鋰電池的溫升情況，包括最高溫度和溫均性，以下詳細闡述動力鋰電池熱管理的研究進展。

2 動力鋰電池熱管理的研究進展

動力電池熱管理系統包括主動式和被動式。主動式熱管理包括空氣冷卻、液體冷卻、制冷劑式冷卻；被動式熱管理包括自然冷卻、熱管冷卻和相變材料。目前，冷卻技術主要包含空氣冷卻、液體冷卻、熱管冷卻和相變冷卻等 4 種。這 4 種電池熱管理技術各有利弊，以下分別進行詳細闡述。

2.1 空氣冷卻

空氣冷卻也稱為風冷系統，利用空氣作為熱量交換載體，起到控制分配動力電池系統內部溫度的作用。根據散熱通風方式，空氣冷卻又分為串行通風和并行通風，如圖 2 所示。

圖 2 空氣冷卻示意圖

在進出風口位置的研究方面，A.Sharma 等研究了具有不同進氣口和交錯方案，以及雙通道分區(qū)方法，發(fā)現雙向進氣口可降低電池間溫差。在電池間距的研究方面，K.Chen 等采用優(yōu)化電池單元間距使通道氣流速率均勻化，改善并聯風冷電池熱管理系統的冷卻效果；還開發(fā)了不均勻單元間距分布的對稱風冷系統，比不對稱系統的電池最大溫差低 43%，能耗低 33%。在空氣流速的研究方面，A.A.Hakeem 等研究不同空氣流速熱管理系統的冷卻性能，將空氣流速從 1.4 m/s 升至3.4 m/s，在 0.75 C 放電倍率下，電池最高溫度下降了 54.28%。R.Mahamud 等以提出一種往復式空氣流動方法，與單向流動相比，電池組的最大溫度降低了 1.5 ℃，電池間溫差降低了4.0 ℃?；诳諝饫鋮s電池熱管理技術的各研究參數見表 1。

表 1 空氣冷卻的電池熱管理技術

通過優(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，還不能根本解決空氣冷卻技術存在的導熱系數低、消耗額外功、對電池組溫均性控制效果差等缺點。由于動力鋰電池向高能量密度發(fā)展的趨勢，空氣冷卻逐漸難以滿足熱管理技術要求。

2.2 液體冷卻

液體冷卻又稱液冷系統，利用冷卻液作為熱量交換載體,起到控制分配動力電池系統內部溫度的作用。該系統通常利用水泵和管道完成冷卻液在電池系統內的流動，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布置夾套，液體在內部流動而吸收并帶走熱量。

圖 3 液體冷卻板示意圖

在冷卻板的研究方面，Z.Rao 等設計了楔形通道冷板，并為電池組設計分支結構。在液體流量研究方面，T.Deng 等研究了冷卻液質量流量的影響，當冷卻液以 1 g/s 質量流量流動時，冷卻效果最好。在制冷劑和管路設計等研究方面，S.H.Hong 等將兩相制冷劑用于液冷熱管理系統，與傳統液冷系統比較，可將電池組最高溫度控制在 45 ℃以下，在老化過程中，將電池容量提升 16.1%。H.Zhou 等提出基于半螺旋導管的液冷系統，將電池組最高溫度控制在 30.9 ℃，溫差為 4.3 ℃。基于液體冷卻電池熱管理技術的各研究參數見表 2。

表 2 液體冷卻的電池熱管理技術

液體冷卻具有冷卻效率高、導熱系數大、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，這是由于冷卻板一般設置在電池底部，而冷卻管設置在電池模塊間，這使得電池與冷卻管接觸的區(qū)域不局限于底部，進而使得電池各位置都能得到有效冷卻，減小溫差。通過優(yōu)化液體冷卻板結構、提高液體流量、使用高導熱系數的制冷劑和優(yōu)化管路設計等手段，提升液冷系統的導熱系數和冷卻效率等，進而提高冷卻效果，但依然不能解決存在的結構較復雜等缺點。由于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，這一點也是液體冷卻存在的安全問題。同時，液體冷卻還存在自身質量較大的問題，采用液體冷卻會增加整個鋰電池系統的自重，不利于動力鋰電池的輕量化趨勢。

2.3 熱管冷卻

熱管冷卻是利用相變實現熱傳導的熱管理系統。熱管由蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段組成。密封空管內的介質在蒸發(fā)階段會吸收電池產生的熱量，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、燒結熱管等。

圖 4 熱管工作示意圖

在熱管結構的研究方面，B.Ariantara 等提出一種基于環(huán)路熱管與藕狀多孔銅芯的電池熱管理系統，將凝汽器冷卻液溫度保持在 28℃，當產熱量為 20W 時，電池表面溫度在 50℃以下。在新型熱管的研究方面，X.Ye 等使用微型熱管陣列設計熱管理系統，在 2C 的充放電倍率下，電池組溫度降到40℃以下，電池表面間溫差低于 5℃。F.M.Nasir等研究了冷凝器長度對熱管冷卻效果的影響，當冷凝管長度在 100~150mm 時，水流量對電池表面溫度影響不大。鄂加強等以無機超導熱管散熱方法為基礎，模擬表明：以 10A 電流放電 10min時，鋰電池 溫度低于 48℃，且隔熱效果良好?；跓峁芾鋮s電池熱管理技術的各研究參數見表 3。

表 3 熱管冷卻的電池熱管理技術

與空氣冷卻和液體冷卻方式相比，熱管冷卻效率較高，但在溫度均勻性上表現效果一般，這是由于目前熱管研究還在初期，使用的熱管結構復雜，不能有效地使電池每個部位都能得到散熱。復雜的熱管結構不能與電池良好匹配，還會增加整個電池系統的體積。此外，熱管冷卻還存在制造成本高、安裝較復雜、長期使用后傳熱性能下降的缺點。因此，目前熱管冷卻還不適合大規(guī)模應用于動力鋰電池熱管理系統，應向小型化、簡單化發(fā)展，提高熱管冷卻系統的普適性是今后的發(fā)展目標。

2.4 相變材料冷卻

相變材料是一種能夠在一定溫度范圍內改變自身物理狀態(tài)的材料。相變材料分為有機相變材料、無機相變材料和復合相變材料。相變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，石蠟是一種研究較多的相變材料。

圖 5 相變材料冷卻示意圖

S.Al-hallaj 等首次將相變材料應用于鋰電池熱管理系統，相變冷卻的電池溫度比自然冷卻低 8℃。在石蠟復合膨脹石墨的研究方面，A.Greco 等研究石蠟/膨脹石墨組成的電池熱管理系統，電池組最高溫度遠低于強制對流達到的溫度。Z.Ling 等研究發(fā)現，石蠟 RT44HC/膨脹石墨復合材料可明顯降低電池間溫差，提高溫均性。在石蠟復合泡沫銅的研究方面，J.He 等制備的膨脹石墨/泡沫銅二元骨架材料可將最高溫度控制在 48.0℃，溫差為 3.9℃。此外，還有將其他材料與相變材料復合，V.Choudhari 等將相變材料放入翅片結構，電池溫度降低了 9.28%。文一平將相變材料與微小通道耦合?；谙嘧儾牧侠鋮s電池熱管理技術的各研究參數見表 4。

表 4 相變材料冷卻的電池熱管理技術

相變冷卻具有散熱速度快、控溫均勻性高、低溫保溫等優(yōu)點，還可根據相變材料種類、將相變材料與其他材料復合等手段提高理化性能。采用相變材料冷卻可以減少電池系統占用的空間，且不會額外消耗電池的能量。由于石蠟的導熱系數低，通常將石蠟復合膨脹石墨和泡沫銅，從而提高導熱系數。與其他 3 種熱管理方式相比，相變材料冷卻的綜合性能最優(yōu)，但也存在導熱系數低、易泄漏等缺點。在保證不泄漏的情況下，提升相變材料的導熱性，相變微膠囊是一個不錯的解決方法，需進一步加強這方面的研究。由于單純的相變冷卻并不能及時地將相變材料吸收的熱量散失到外界環(huán)境中，會導致相變冷卻作用喪失，電池可能持續(xù)升溫甚至出現熱失控。如果將相變冷卻與其他熱管理方式相結合，及時將相變材料吸收的熱量散失到外界環(huán)境中，則可持續(xù)發(fā)揮相變材料的冷卻作用。

2.5 復合冷卻

除了上述的單一鋰電池熱管理技術，還可以將多種熱管理技術復合，取長補短，可有效克服單一熱管理技術的缺點，發(fā)揮各自的優(yōu)點，達到更好的熱管理效果。目前，大多將主動式和被動式熱管理技術復合使用。

在相變材料復合空氣冷卻的研究方面，P.Qin 等設計了相變材料和強制空氣對流復合的熱管理系統，在 3C 充放電倍率下，與單一被動式熱管理相比，電池組最大溫度下降 16℃，最大溫差下降了 1.2℃。在相變材料復合熱管冷卻的研究方面，W.Wu 等設計的熱管復合相變材料的熱管理系統，在 5C 的放電倍率下，電池組最高溫度控制在 50℃以下。在相變材料復合液體冷卻的研究方面，Y.Zheng 等設計了一種以液冷為主，并結合相變材料的熱管理系統，復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，在 8C 放電倍率下，可將電池最高溫度控制在 38.69℃，溫差為 2.23℃。在其他復合冷卻的研究方面，Q.Huang 等將熱管與液體冷卻相結合，使電池在 3C 放電倍率下的最高溫度降至 50 ℃。W.Yang 等設計了空氣冷卻與微通道液冷耦合的復合熱管理系統，電池組最高溫度控制在 31.73℃，溫差低于 4.13℃。基于復合冷卻電池熱管理技術的各研究參數見表 5。

表 5 復合冷卻的電池熱管理技術

因此，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合，可以發(fā)揮相變材料的高相變潛熱，同時彌補相變材料導熱系數低的問題，但復合的方式使得熱管理系統的質量增加、結構變復雜。因此，需要根據電池組的規(guī)格和運行環(huán)境，并結合經濟效益來制定相應的熱管理策略。

3 總結與展望

高能量密度和長循環(huán)壽命是動力鋰電池的發(fā)展趨勢，合適的工作溫度是確保鋰電池性能和壽命的關鍵因素，因此，有效的電池熱管理具有重要意義。目前，空氣冷卻和液體冷卻是動力鋰電池主要的熱管理方式，而熱管冷卻和相變冷卻是新型熱管理方式。隨著鋰電池容量和充放電速率的增加，單一的熱管理技術已難以滿足使用要求，多種熱管理技術耦合可以相互補充，是未來熱管理技術發(fā)展的趨勢。同時，應加強復合熱管理技術的研究，設計出綜合性能優(yōu)異的熱管理系統。

由于相變材料應用于電池熱管理的研究起步較晚，單一的相變材料在導熱、控溫性能、防泄漏等方面尚需提高，將相變材料與其他材料復合、相變材料微膠囊化是有效的解決方法。在相變冷卻熱管理技術的研究上，除了考慮相變材料的儲熱、導熱等性能外，還應考慮相變材料在鋰電池熱管理失效后的火安全性問題，加強對相變材料燃燒性能、阻燃技術等的關注和研究。目前，對熱管理系統的研究主要針對汽車動力鋰電池，隨著動力鋰電池在海、陸、空等不同應用空間的擴展，在不同環(huán)境下的鋰電池熱管理技術研究也成為未來趨勢。