中國粉體網(wǎng)訊 為滿足人們?nèi)找嬖鲩L的出行需求，鋰離子電池的能量密度在發(fā)展中不斷攀升到新的高度，隨之而來的，是更高的產(chǎn)熱量和更大的安全隱患。鋰離子電池的能量密度和循環(huán)壽命與其工作溫度密切相關(guān)，過高或過低的工作溫度、電芯之間較大的溫度差異都會影響其性能的發(fā)揮。
為了保證鋰離子電池的穩(wěn)定運行、延長電池壽命、避免災(zāi)難性事故的發(fā)生，需要將電池溫度維持在合適范圍內(nèi)，因此，發(fā)展一系列經(jīng)濟、高效的電池熱管理體系(BTMS)具有重要意義，這逐漸成為工業(yè)界和學(xué)術(shù)界共同關(guān)注的重點。
通常，主流的BTMS技術(shù)根據(jù)冷卻介質(zhì)類型的不同可以分為以空氣為冷卻介質(zhì)的風(fēng)冷、以液體為冷卻介質(zhì)的液冷、基于熱管技術(shù)的熱管冷卻以及用相變材料為介質(zhì)的相變材料冷卻。
風(fēng)冷系統(tǒng)
風(fēng)冷借助空氣作為冷卻介質(zhì)，分為自然風(fēng)冷和強制風(fēng)冷。自然風(fēng)冷是依靠汽車在行駛過程中帶動的氣流將電池表面的熱量帶走，強制風(fēng)冷則通過安裝風(fēng)扇來驅(qū)動更大的氣流以達到更好的散熱效果。風(fēng)冷熱管理系統(tǒng)具有制造成本低、安裝簡單、可靠性強等優(yōu)點，目前，在商業(yè)化的電動汽車中占據(jù)主導(dǎo)地位。
風(fēng)冷散熱
研究人員通過設(shè)計更加科學(xué)、高效的通風(fēng)排列結(jié)構(gòu)以期達到更加優(yōu)良的冷卻效果。自然風(fēng)冷的散熱效果與散熱通道的進出口設(shè)置方式、電池排列情況和通道間隙大小息息相關(guān)，通過合理設(shè)計，可以使得內(nèi)外流暢協(xié)同工作，達到最佳效果。
然而，空氣作為冷卻介質(zhì)，由于它比熱容低、導(dǎo)熱性差這些本源性問題，實際應(yīng)用時會受限于環(huán)境的溫度變化，并且在面臨更大能量密度的電池和更密集的電池模塊時，風(fēng)冷的性能遠無法滿足電池散熱需求。
液冷系統(tǒng)
液體相較于空氣具有更好的傳熱能力，能夠應(yīng)對更高的散熱需求，根據(jù)液體與電池之間接觸方式的不同將液冷分為直接液冷和間接液冷。直接液冷通過將電池單體或電池模塊浸入冷卻介質(zhì)中來降低溫度，系統(tǒng)的一致性帶來良好的溫度均勻性，在冷卻液體種類的選取上，直接液冷需要用電絕緣的液體(如礦物油、硅基油)，但這類物質(zhì)的黏度比較大，在換熱過程中的流速會受到限制，需要額外的能耗驅(qū)動。
間接液冷則借助流體穿過放置電池的冷板和獨立管道實現(xiàn)電池冷卻，冷卻液體(如乙二醇/水混合物、納米流體、液態(tài)金屬)具有相對小的黏度，可以節(jié)省能耗。通過在液體中加入金屬或金屬氧化物顆粒如氧化鋁能夠有效增強液體導(dǎo)熱系數(shù)，提高導(dǎo)熱能力。
此外，間接液冷過程由于冷卻劑傳導(dǎo)熱量需要經(jīng)過管道表面以及電池和管道之間的空氣，因而系統(tǒng)本身的熱阻會更大，一般用導(dǎo)熱硅膠片填補電池與管道之間的間隙來消除傳熱阻隔。
液冷散熱
液冷一定程度上為特殊情況下電池高溫的散熱提供了解決方案，但系統(tǒng)的管道設(shè)計復(fù)雜、重量大以及存在漏液問題，為了防止泄露造成短路危險，需要做好封裝和檢修，這無疑增加了成本。
熱管冷卻系統(tǒng)
熱管由蒸發(fā)器、絕熱管、冷凝器組成。將蒸發(fā)器部分附著在熱源處，熱管內(nèi)的液體介質(zhì)經(jīng)過受熱汽化，在壓力差的作用下傳遞到冷凝端，然后遇冷液化同時釋放熱量，再借助毛細作用回流到蒸發(fā)端，熱量在如此的循環(huán)過程中進行傳遞。
熱管原理圖
為了實現(xiàn)有效散熱，蒸發(fā)器與熱源之間需要良好的接觸，這對熱管形狀的設(shè)計和大小的選擇提出了挑戰(zhàn)。除此之外，冷凝器端如果可以將熱量快速傳遞到外界將有利于降溫，一般通過與其他冷卻方式(如強制風(fēng)冷)結(jié)合實現(xiàn)。
熱管的冷卻效率高、溫度均勻性良好，但目前仍然處于科學(xué)研究階段，并沒有實際應(yīng)用到商用電動汽車中，究其原因是熱管的運作需要借助額外動力，并且在長期使用過程中的清潔、保養(yǎng)不僅影響熱管的傳熱性能還損害熱管材料壽命。
相變冷卻系統(tǒng)
相變冷卻系統(tǒng)是利用相變材料(PCM)發(fā)生相變過程中被動地吸收或釋放大量潛熱來進行熱量管理的系統(tǒng)。隨著溫度的升高，相變材料首先以顯熱形式吸收、存儲能量，在達到相變溫度時以潛熱的形式吸收、存儲能量。
相變材料根據(jù)化學(xué)性質(zhì)可以分為有機相變材料(如石蠟、脂肪酸、多元醇)、無機相變材料(如水合鹽、熔融鹽)和共晶相變材料，它們具有儲能密度高、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點，整個相變過程中不需要消耗額外的能量，并且材料本身的溫度幾乎保持恒定，因而被認為是很有前景的熱管理材料。
隨著動力電池散熱需求的不斷提高，單一的熱管理方式已不能滿足需求，因而研究人員將相變材料與風(fēng)冷、液冷、熱管耦合形成復(fù)合型的熱管理系統(tǒng)。
實際應(yīng)用的相變材料需要滿足多種條件，如相變溫度范圍合適、過冷度低、體積變化小、無毒無腐蝕，此外，相變材料本身導(dǎo)熱率低、熔融態(tài)容易泄露也限制了其應(yīng)用，因此，提高相變材料的導(dǎo)熱性能、抑制熔融態(tài)泄露成為了近年來研究的熱點。
為提高相變材料導(dǎo)熱性，通常將金屬基導(dǎo)熱填料、碳基導(dǎo)熱填料、陶瓷基導(dǎo)熱填料等具有優(yōu)良導(dǎo)熱性的填料與之復(fù)合。其中，陶瓷基導(dǎo)熱填料(如SiO2、BN、Al2O3)不僅具有很大的導(dǎo)熱系數(shù)，并且具有電絕緣性能，能夠應(yīng)對電池受到機械碰撞時會發(fā)生的短路危險。
資料來源：
王卓雅：導(dǎo)熱增強相變復(fù)合材料用于鋰離子電池散熱研究，浙江大學(xué)
梁邦朝：用于電動汽車電池熱管理的復(fù)合相變材料開發(fā)和制造，湖南大學(xué)
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/平安）
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