锂离子电池热管理技术王磊1马欣成2

锂离子电池热管理技术王磊1 马欣成2
发布时间：2023-06-18T02:15:38.718Z 来源：《科技新时代》2023年7期作者：王磊1 马欣成2
[导读] 能源紧缺和环境污染促进了能量存储技术的不断革新。

为了实现车辆减排和控制污染的目标，许多国家的车企都在努力从传统的燃油汽车向绿色、环保的新能源汽车转变。

在我国“双碳”目标、高油价的大背景下，电动汽车正逐渐成为人们出行的首选交通工具。

三电（电池、电机、电控）是电动汽车的核心，电池又是电动汽车的动力来源，其使用性能的好坏，深刻影响车辆的续驶里程。

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2.身份证号码：12022119960902xxxx
摘要：能源紧缺和环境污染促进了能量存储技术的不断革新。

为了实现车辆减排和控制污染的目标，许多国家的车企都在努力从传统的燃油汽车向绿色、环保的新能源汽车转变。

在我国“双碳”目标、高油价的大背景下，电动汽车正逐渐成为人们出行的首选交通工具。

三电（电池、电机、电控）是电动汽车的核心，电池又是电动汽车的动力来源，其使用性能的好坏，深刻影响车辆的续驶里程。

车辆在行驶和充放电过程中电池内部将产生反应热和焦耳热，引起电池温度升高，电池单体和模块之间形成温差，如果不能及时有效散热，均衡电池温度，不但会造成电池容量减退，降低动力电池的性能，缩短使用寿命，而且还会导致电池包内不稳定，引起热失控。

此外，极端快速充电和寒冷的气候等恶劣的运行条件会加速电池的老化，老化的电池内部电阻变大，产生过多的焦耳热，造成温度失控。

温度对电池综合性能影响很大，为了安全、高效地利用电池能量，将电池组的温度保持在最佳范围内，以保证电池组的热均匀性，并平衡充放电状态，开发一套性能优良、可靠的电池热管理技术势在必行。

关键词：锂离子电池；热管理技术；策略
1温度对锂离子电池性能的影响结果
1温度对充放电效率的影响。

电池的充放电效率，即电池在一次充放电循环过程中放出的能量与充电时消耗的能量之比，是电池储能应用性能的关键指标，而过高过低的温度和较大温差都会导致电池充放电效率的降低。

2温度对循环寿命的影响。

当锂离子电池长期处于温度过低、过高或者温差较大的环境下，会导致电池老化的加速，从而降低循环寿命。

2热管理技术
2.1风冷技术
电动汽车最初普遍采用结构简单的风冷系统。

利用鼓风机的抽吸作用，把外部空气吸入动力电池总成，空气流过电池模组周边，最后动力电池产生的热量随空气从出风口排出，达到对电池散热的效果。

风冷因通风方式不同可被划分为自然对流和强制对流两种散热方式。

自然对流是利用外部冷空气流经每个电池单元表面，进行热交换实现冷却的目的。

强制对流冷却是在此基础上加上机械装置，需要消耗电池的部分能量加以驱动。

强制对流比自然对流更可靠，维护更简便，因此强制对流在不同车型上比较常见。

然而，电池间温度的不均匀性是强制对流亟待解决的一个大问题。

根据通风模式的不同，风冷有串行和并行两种通风模式。

串行通风时，空气进入通风管路依次流过每个电池单体表面，在空气流动过程中，空气温度逐渐升高，和电池之间的温差持续缩小；由于电池模组两侧的温度和流速不同，气流先流过的一侧电池温度低、空气流速大；气流到达另一侧时传热效率降低，这时电池表面温度变化不大，导致两侧电池组之间温度不均匀。

并行通风时，空气同时流过不同电池表面，流速相对一致，各电池的热交换情况几乎相同，改善了模组温度均衡性，因此并行通风被广泛应用。

电池的排列方式也会影响风冷效果，顺排布置的电池模组，虽然冷却气流的流动阻力较小，但电池单元的接触面积少，对流效果不佳，散热效率较差，通常不采用。

交叉布置增大流经电池之间的气流扰动，提高了散热效果，但流动阻力损耗较大。

采用梯形布置方式可提高传热系数，均衡电池两端散热效果，使电池组整体温度基本保持在比较稳定的水平。

2.2液体冷却
液体冷却是一种常用的冷却方法，它利用液体流动带走设备中的热量，从而达到降温的效果。

相比于其他冷却方法，液体冷却的效率更高，传热系数更高。

因此，在很多领域中，如电子、机械等，液体冷却都被广泛使用。

液体冷却可分为直接冷却和间接冷却两种形式。

直接液体冷却是将液体直接流过被冷却物体表面，通过液体的流动带走热量，以达到冷却的效果。

这种方法适用于锂电池等需要保持温度均匀性的设备，因为它可以提高锂电池的温度均匀性。

但是，直接液体冷却对防水性能的要求较高，因为液体可能会渗入设备内部，造成设备损坏。

间接液体冷却是将液体流经热交换器，通过热交换器与被冷却物体进行热量交换，以达到冷却的效果。

这种方法易于实施，安全性更高，因此引起了学术界的关注。

它适用于对设备的防水性能要求较高的场合，如军事、医疗等领域。

总的来说，液体冷却是一种高效、广泛应用的冷却方法。

在实际应用中，应根据设备的具体情况选择合适的液体冷却方法，以保证设备的安全性和稳定性。

2.3PCM冷却技术
PCM在物质状态发生变化时能够吸收或放出大量潜热，并确保温度在一段时间内保持恒定。

PCM冷却技术是利用这种特性，电池与PCM直接接触，由电池向PCM传递热量，在物质状态发生变化过程中储存和释放热量，实现对动力电池的低温加热、高温散热的效果。

PCM包括有机、无机和复合PCM三种。

有机PCM价格低廉、稳定性好、毒性低、无腐蚀性、无过冷和相分离等特性，然而具有导热性差和易燃的缺点。

为了解决上述问题，研究人员尝试在有机PCM中添加高导热材料和阻燃材料，这是电池热管理领域的热点问题。

由于相变温度的限制，可用的无机PCM大多为水合盐，其热物理性质不稳定。

无机PCM是完全不可燃的，成本比有机PCM低得多。

无机PCM因相分离、脱水或过冷导致的导热性和稳定性差问题，阻碍其广泛应用。

为改善有机PCM和无机PCM的这些缺点，综合了以上两者的优势研制出了复合PCM，具有更好的热传导性和相变潜热。

WANG等[19]在PCM中加入泡沫铜得到复合PCM，其控温效果优于空冷。

2.4热管冷却技术
热管技术的应用在现代科技中变得越来越普遍，这种新技术主要是用于消除相变材料（PCM）热管理技术的缺点。

传统的热管由管壳、吸液芯和端盖三个构件组成。

它们通常可分为热端、绝热部分和冷端三个部分。

热管的工作原理是通过将封闭的金属壳体抽成负压后充以适量的冷媒实现散热的效果。

当热管的一端吸收电池产生的热量时，冷媒蒸发汽化，气态冷媒在压力梯度作用下流向另一端放出热量，重新凝结成液体，液体在毛细力作用下流回蒸发器，以上不断循环。

相比于传统的PCM热管理技术，热管技术的优势在于其能够更快地将热量从热源中移除。

同时，热管技术还可以用于各种应用，如：电池散热、LED散热、太阳能热水器、空调等。

3结论
随着锂离子储能技术向着高容量和紧凑化的方向发展，锂电池的热安全性成为现阶段研究的重点，且锂离子电池相较于其他电池，对工作温度的要求更为严苛，如何让储能系统的大量电池在稳定的环境下安全运行成为必须解决的问题，需要热管理系统准确监控电池的状态，在温度偏离正常范围时及时控制电池温度。

本文主要结论如下：（1）在电池的性能方面，总结了温度对电池充放电效率、循环寿命和安全性的影响，数据显示温度控制是电池正常运行的重要保障。

（2）在电池储能热管理技术方面，风冷、液冷、相变散热和热管技术是目前大规模电池储能的主要技术类型，各类热管理系统设计中关键因素不同，需要通过设计参数优化、系统设计及控制策略等途径来提升热管理效果及综合能效。

（3）通过散热效率、散热速度、温差分布、寿命和成本对不同散热技术进行对比，结果表明液冷、热管冷却及相变冷却在散热速度上均优于风冷技术，热管冷却具有更优的降温效果，但风冷成本较低。

参考文献：
[1]眭艳辉，王文，夏保佳，等.混合动力汽车动力电池组散热特性实验研究[J].制冷技术，2021，29（2）：16-21.
[2]李康靖，谭晓军，褚燕燕，等.风冷式车用锂离子动力电池包热管理研究[J].电源技术，2021，43（12）：1975-1978，2035.
[3]闵小滕，唐志国，高钦，等.基于微小通道波形扁管的圆柱电池液冷模组散热特性[J].浙江大学学报（工学版），2021，53（03）：463-469.
[4]曹明伟.纯电动汽车电池组被动式液冷散热系统仿真分析与优化[D].合肥：合肥工业大学，2021.。