摘要：對鋰電池組的散熱冷卻方式進行了總結(jié)與分析。電池組的冷卻方式有空冷、液冷、相變冷卻和熱管冷卻，以及將單一冷卻方式耦合使用的復(fù)合散熱冷卻方式?？绽渑c液冷的冷卻效果主要取決于其流道的結(jié)構(gòu)、數(shù)量、流速等因素；相變冷卻效果主要依賴于組成相變材料的成分；熱管冷卻方式有著高效的散熱效率和散熱速度；復(fù)合散熱冷卻方法有熱管 - 空冷、熱管 - 液冷、熱管 -PCM 等耦合方式。 
關(guān)鍵詞 ：鋰電池；散熱；冷卻方式；冷卻效果；散熱效率
0 引言
嚴(yán)重的環(huán)境污染和化石燃料的枯竭，使得發(fā)展新能源汽車成為重要策略之一。新能源汽車的能源和環(huán)境效益越來越顯著，體現(xiàn)在節(jié)能、污染小等方面。傳統(tǒng)燃料汽車大都以汽油、柴油為燃料，行駛中的排放給環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染；新能源汽車以高能蓄電池的電能為動力，行駛中基本沒有排放污染。因此，新能源汽車將逐漸取代傳統(tǒng)燃油汽車。鋰離子電池具有容量大、壽命長、能量密度高、運行穩(wěn)定等優(yōu)點，是新能源電動汽車最先進的電能存儲和轉(zhuǎn)換技術(shù)之一。但鋰離子電池的缺點也較為明顯，在低溫環(huán)境下，鋰離子電池的容量變小，高溫環(huán)境下會導(dǎo)致鋰離子電池的熱量聚集，影響其安全運行，嚴(yán)重時甚至?xí)?dǎo)致設(shè)備燃燒爆炸，因此電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)（BTMS）對電池保持在最佳溫度范圍（20~45℃），并將溫差控制在5℃以下是必要的。
目前電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)成熟的冷卻方式有空冷、液冷、相變冷卻和熱管冷卻，無論是單一散熱方式還是耦合的多種散熱方式都有各自的優(yōu)缺點。為了進一步提高鋰離子電池散熱效率及經(jīng)濟性，給研究人員提供更多參考，本文整理有關(guān)文獻，對鋰電池散熱方式進行了分析介紹。
1 產(chǎn)熱機理
鋰離子電池有2種熱源，即可逆熱源和不可逆熱源。當(dāng)鋰離子插入電極中的活性材料時，電化學(xué)反應(yīng)的熵會隨鋰離子濃度的變化而變化?？赡鏌崤c電池的熵有關(guān)，熵的變化取決于活性材料自身的離子運動過程?？赡鏌峒瓤梢允俏鼰嵝?yīng)，也可以是放熱效應(yīng)；不可逆熱與電池的內(nèi)阻有關(guān)，總是放熱的。
電池單體的能量方程為：

式中：ρb—電池的密度，kg/m3；

Cpb—電池的比熱容，J/(kg·K)；

T—電池的溫度，K；t—時間，s；

k—電池的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；

r —電池的半徑，m；φ—電池的圓周角，rad；

z —電池的長度，m；

Qg —電池內(nèi)部單位體積的熱生成率，W/m3。
電池的熱產(chǎn)生或熱損失主要是由可逆熱（Qrev）和不可逆熱（Qirr）組成，公式如式（2）：

總產(chǎn)熱速率計算如式（3）：

式中：I—工作電流，mA；

 E—電池在充放電過程中的實際工作電壓，V；

 Eoc—平衡狀態(tài)下電池的開路電壓，V；

 T—電池的溫度，K。
產(chǎn)熱速率也可以表示為：

式中：I—工作電流，mA；

Rf —電池?zé)嶙?，Ω?

T—電池的溫度，K。          

F—法拉第常數(shù)，96485C/mol；

?S—化學(xué)反應(yīng)焓變，kJ/mol。
2 單一冷卻方式概述
2.1 空冷
空氣冷卻主要是以空氣為介質(zhì)進行熱交換，通過空氣的流通對發(fā)熱的鋰電池組進行降溫處理，因其成本低、結(jié)構(gòu)簡單、維護方便等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于早期電池?zé)峁芾碓O(shè)計中。空冷可分為自然對流冷卻和強制對流冷卻。自然對流冷卻是指利用空氣的自然流動來達(dá)到散熱的目的；強制對流冷卻是指利用風(fēng)扇或?qū)ｉT設(shè)計的風(fēng)管在特定空間內(nèi)形成相應(yīng)的氣流，以達(dá)到散熱的目的。兩者的區(qū)別就是空氣流動的速度即風(fēng)速不同，而在設(shè)計中也常采用對比不同風(fēng)速比較散熱效果的方法。不同的風(fēng)口設(shè)計將會導(dǎo)致速度場和溫度場的分布不同。為探究其中的規(guī)律，YI Yang等人研究了不同出風(fēng)口模式的熱流場。結(jié)果表明，隨著速度場和溫度梯度場協(xié)同度的提高，風(fēng)冷電池包的散熱性能會有所提高；SHAHABEDDIN K等人進行了鋰離子電池組件強制對流空氣冷卻實驗。研究發(fā)現(xiàn)，通過增加進風(fēng)速度或減小電池間的距離，可以使電池模塊的溫升較?。籜U X M等人研究了不同風(fēng)道模式下的散熱性能。研究發(fā)現(xiàn)，縱向電池組相比于水平電池組，散熱性能因為氣流路徑的縮短而提高。由于增加底部風(fēng)道，可以增加接觸導(dǎo)熱面積，以及自然對流會發(fā)生在電池包頂部區(qū)域，因此底部風(fēng)道方式的散熱性能更優(yōu)越。對于底部風(fēng)道模式的電池包，采用雙“U”型風(fēng)道比雙“1”型風(fēng)道散熱性能有所提高。
以上是從散熱結(jié)構(gòu)或氣流速度方面進行研究，尋找最佳散熱效果的方法。除了對散熱機組本身進行設(shè)計調(diào)整，還可以添加輔助散熱裝置增強散熱效果，翅片是一種不錯的選擇。WEI Tonga等人研究了移動鋰離子電池旁邊的一種特殊的鋁銷鰭翅片散熱器，通過其高度的增加、氣流通道的寬度方向的改變研究鋰離子電池組熱管理。
風(fēng)冷在電池的熱管理系統(tǒng)中是最簡單的冷卻方式，在流道、風(fēng)速、進出口數(shù)量和位置以及流型等方面已廣泛討論。但因空氣的比熱容較低，故空氣冷卻難以處理大量熱量，其應(yīng)用具有一定的局限性。
2.2 液冷
液體冷卻是指電池模塊可以用液體冷卻介質(zhì)如水、礦物油、乙二醇、電介質(zhì)等進行冷卻。由于液體冷卻具有較高的換熱系數(shù)，與空氣冷卻系統(tǒng)或PCM冷卻系統(tǒng)相比，液體冷卻系統(tǒng)可提供更好的熱交換能力。
由于液冷中冷卻介質(zhì)的密度比空氣大得多，所以液冷散熱結(jié)構(gòu)的質(zhì)量遠(yuǎn)高于風(fēng)冷結(jié)構(gòu)。為解決這一問題，LEI Sheng等人研究了以輕型液體冷卻技術(shù)進行熱管理，實驗驗證了輕型液體冷卻設(shè)計與常規(guī)熱設(shè)計的冷卻效果相似，最重要的是，前者比后者降低57%的冷卻板質(zhì)量。同時實驗發(fā)現(xiàn)，增大流體流量和通道寬度可以提高冷卻板的性能。除了對流體的研究，多數(shù)學(xué)者從液冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)入手。LEI Sheng等人研制了一種蜂窩型液冷夾套，通過實驗?zāi)M和蜂窩夾套的優(yōu)化設(shè)計的無量綱分析，發(fā)現(xiàn)交錯流動方向可以獲得較低的溫度標(biāo)準(zhǔn)差和更均勻的熱分布，且其研制的單體冷卻夾套對21700圓柱形單體的熱態(tài)有較好的控制效果。與風(fēng)冷相同的是，結(jié)構(gòu)的差異會導(dǎo)致散熱效果不同，液冷通道數(shù)也會對散熱效果產(chǎn)生影響；YUZHANG Dinga等人研究了電池在不同放電速率和散熱條件下的瞬態(tài)熱行為和溫度分布特性。研究發(fā)現(xiàn)，通道數(shù)對鋰離子電池組的最高溫度和溫差有明顯影響，但這種影響有限。增大矩形通道的長徑比可以降低鋰離子電池組的最高溫度和溫差。通過多組實驗研究對比，得出了采用C型液冷系統(tǒng)，在通道入口布置中采用交變布置，可以獲得最平衡的溫度分布。
在進行液冷冷卻實驗與研究時，往往會考慮其結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過改變流道數(shù)目、進出口方向以及設(shè)置折流板等，改善散熱。液冷相比于風(fēng)冷，有著優(yōu)良的散熱效果，但是其結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，還要密封，否則就會產(chǎn)生漏液的問題。
2.3 相變材料（PCM）冷卻
相變材料根據(jù)材料組成可以分為無機相變材料、有機相變材料、復(fù)合相變材料等。其中無機相變材料主要有石墨、熔融鹽、結(jié)晶水等，其優(yōu)點是高相變焓、高熱導(dǎo)率，但是過冷度也較高，而且熱穩(wěn)定性差；有機相變材料，例如石蠟、醋酸等，具有無腐蝕性、過冷度低、化學(xué)穩(wěn)定性好等特點；復(fù)合相變材料是將有機材料和無機材料復(fù)合在一起使用，各取所長。相比之下，復(fù)合相變材料對鋰電池的熱管理有更好的效果。
復(fù)合相變材料的研究很早就已經(jīng)成熟了，LUO Mingyun等人研究了一種導(dǎo)電石蠟/膨脹石墨復(fù)合相變材料（cPCM）用于惡劣環(huán)境下鋰離子電池的熱管理。該cPCM集加熱和冷卻于一體，利用焦耳熱效應(yīng)對電池進行預(yù)熱，利用蓄熱器對電池進行冷卻，可用于-40~50℃極端條件下，且提供20~50℃舒適的環(huán)境；LV Youfu等人研究了相變材料冷卻200次電池模塊的熱電化學(xué)性能，結(jié)果表明，耦合相變材料冷卻后，模塊的溫度和溫度梯度可以得到很大程度的降低。由于相變材料（PCM）的低導(dǎo)熱系數(shù)極大地阻礙了基于相變材料的熱管理系統(tǒng)（BTMSs）的發(fā)展，LIN Chunjing 等人采用膨脹石墨基體和石墨片補償PCM的低導(dǎo)熱系數(shù)，提高了電池的溫度均勻性。翅片散熱效果的強化，不僅用于風(fēng)冷、液冷，相變材料也可以用翅片增強散熱冷卻效果；FAN Ruijin等人提出了一種用于鋰離子電池組件熱控制的金屬翅片強化PCM系統(tǒng)，金屬翅片增加了換熱面積且使導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)更加均勻。研究表明，在環(huán)境溫度為20℃、30℃和40℃時，與PCM系統(tǒng)相比，翅片強化PCM系統(tǒng)的工作時間分別增加了1.48、1.49和1.81倍，表明翅片強化PCM系統(tǒng)優(yōu)于PCM系統(tǒng)。
通過以上介紹可以發(fā)現(xiàn)，單一PCM的使用在電池?zé)峁芾碇胁⒉荒軡M足散熱要求，為鋰電池工作提供安全且高效的環(huán)境，PCM大都會與多孔、高導(dǎo)電材料復(fù)合使用，以增強電池的熱擴散。
2.4 熱管冷卻
熱管冷卻是充分利用了熱傳導(dǎo)原理與制冷介質(zhì)的快速熱傳遞性質(zhì)，透過熱管將鋰電池的熱量迅速傳遞到冷端。熱管具有更高的安全性，而且相比于風(fēng)冷、液冷、相變材料冷卻，熱管冷卻有著高效的散熱效率和散熱速度。
為了研究對比熱管的散熱冷卻效果，ZHANG Zhuqian等人設(shè)計了一套包含扁平熱管的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，建立了模型實驗，并與空氣自然對流和鋁板冷卻兩種冷卻系統(tǒng)進行了比較。結(jié)果表明，采用平板熱管可以有效地降低最高溫度和溫差，且能耗最低；CHI Riguang等人提出了一種長蒸發(fā)段、短冷凝段、八圈的鋰離子電池OHP冷卻系統(tǒng)的設(shè)計方案，并且熱管冷凝器段的底端外表面與冷卻板系統(tǒng)的頂表面直接接觸。通過對各參數(shù)的實驗，發(fā)現(xiàn)工質(zhì)的填充速率決定了熱管系統(tǒng)的傳熱性能，即加熱速率越大，最佳VF越大。熱管技術(shù)不僅用于電池放電過程中的散熱冷卻，對充電中鋰電池的散熱冷卻也有突出表現(xiàn)，KLEINERA J等人研究了一種基于熱管輔助冷卻的單電池級熱管理新概念，將一個25 A·h的鋰離子電池擴展為2個彎曲的熱管原型，用于額外的終端冷卻。實驗研究表明，該系統(tǒng)對于快速充電的鋰電池散熱有明顯幫助，可以顯著降低并聯(lián)串中不同單元位置母線對熱均勻性的影響，降低模塊內(nèi)每個單元的整體溫度。
國內(nèi)雖然對熱管冷卻已經(jīng)有諸多研究，但因成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維修困難、性價比較低等原因，熱管的研發(fā)在國內(nèi)尚未成熟，沒有得到廣泛應(yīng)用。
3 復(fù)合散熱冷卻方式概述
單一的散熱冷卻方式往往不能滿足電池組的散熱需求，復(fù)合散熱冷卻時將單一的冷卻方式設(shè)計耦合使用，將多種單一散熱冷卻的優(yōu)點結(jié)合起來，有著比單一散熱冷卻方式更好的散熱冷卻效果和均溫相性。
復(fù)合散熱冷卻有熱管-風(fēng)冷、熱管-液冷、熱管-pcm、pcm-液冷等方式的耦合。LEI Shurong等人設(shè)計了燒結(jié)銅粉熱管結(jié)合冷凝段噴水的方法解決這一問題。將燒結(jié)銅粉熱管夾在電池之間，在正常熱條件下通過空氣對流的方式來消除電池?zé)崃?，?dāng)室溫超過40℃時，電池運行惡化，此時通過水噴霧功能，液滴蒸發(fā)快速散熱。與其他基于熱管的BTM相比有著更好的冷卻效果，同時保護了鋰離子電池在惡劣的熱環(huán)境下大電流放電。ZHANG Wencan等人采用混合相變材料和液體冷卻技術(shù)，結(jié)合PCM和液體熱管理方案的優(yōu)點，充分滿足極端工況下的散熱需求。該系統(tǒng)還具有良好的散熱能力，可通過優(yōu)化PCM的導(dǎo)熱系數(shù)和水流速度等參數(shù)避免系統(tǒng)的熱失控。
有些散熱思路源于生活事物，YANG Wen等人設(shè)計了集六邊形冷卻板、仿生液體微通道和相變材料于一體的新型蜂窩電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，采用正交實驗進行優(yōu)化，與傳統(tǒng)的散熱空冷相比，優(yōu)化的熱特性有了明顯的提高；AAMER等人將相變材料、泡沫銅和重力輔助熱管進行了實驗研究。將熱管和泡沫銅集成到相變材料中，通過延緩相變材料的相變，有效地降低了基溫，從而使相變材料以較小的溫升儲存更多的熱量，冷卻程度也可以調(diào)控。HEKMAT等人以冷卻管道作為主動部分，以PCM作為被動部分，對比了7種不同的冷卻方式進行研究。實驗表明，空氣自然冷卻需要較長的時間，增加孔道數(shù)的冷卻管和與PCM結(jié)合的冷卻效果最佳，且發(fā)現(xiàn)PCM在電池模塊中有均勻溫度分布的有效作用。
復(fù)合散熱冷卻的方式較多，且有著更為優(yōu)越的散熱性能，對鋰電池的熱管理系統(tǒng)有著更為突出的效果，同時也有著更好的發(fā)展前景。
4 結(jié)語
不同散熱冷卻方式有各自的優(yōu)缺點?？绽浞绞诫m然具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低等優(yōu)點，但散熱冷卻效果不理想限制了空冷系統(tǒng)的發(fā)展，可將空冷與熱管冷卻這種高效散熱冷卻方式相結(jié)合，或者采用PCM與空冷相結(jié)合的方法，這種耦合的散熱冷卻方式結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計也不太過于復(fù)雜。
空冷和液冷很難結(jié)合，因為液冷需要一個相對密封的工作環(huán)境以防止漏液，而空冷則需要空氣流通，二者的工作條件使得它們很難結(jié)合到一起。液冷設(shè)計大多從散熱冷卻結(jié)構(gòu)入手，改變其流速、流道數(shù)等。液冷與PCM的結(jié)合較為常見，因為PCM能有效均勻溫度分布，且可以儲存熱量，而液冷的換熱效果較好，可以在相變材料未達(dá)到極限之前將熱量帶走，從而避免熱失控的發(fā)生。PCM首先要研究材料成分，不同的材料和配比制成的PCM有著不一樣的散熱冷卻效果。目前，PCM散熱冷卻在國內(nèi)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。熱管冷卻很少單獨使用，高效的換熱效果使熱管多出現(xiàn)于復(fù)合散熱冷卻方式中，成本過高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不易維修等缺點使它很少出現(xiàn)在大眾視野。
在諸多散熱方式中，復(fù)合散熱冷卻的熱管理性能是較好的，解決了單一散熱冷卻方式存在的缺點。在未來的研究中，可以嘗試將4種單一散熱方式相結(jié)合，雖然這種散熱冷卻設(shè)計結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本過高，且不易維修，但是散熱冷卻效果卓越，可以多種擋位工作，在以后的設(shè)計中可簡化結(jié)構(gòu)進而降低成本，復(fù)合散熱冷卻方式是未來電動汽車鋰電池?zé)峁芾淼拇笾纶厔荨?