中國粉體網(wǎng)訊  今年入夏以來，全球多地遭遇極端高溫天氣，部分地區(qū)不斷刷新高溫紀錄。究其原因，極端高溫天氣由溫室氣體排放造成的長期全球變暖，和厄爾尼諾現(xiàn)象帶來的短期氣溫攀升共同導致。未來一個半月全球平均氣溫還會繼續(xù)升高，氣象專家警告稱2023年可能是有記錄以來最熱的一年。

我國的華北、黃淮地區(qū)也是進入了“燒烤”模式，極端高溫天氣，對各行各業(yè)以及人們的生活產(chǎn)生了不小的影響。新能源汽車的安全問題也是再次引起人們的關注，很多新能源車的車主會關心，在這樣的高溫天氣里，自己的車輛尤其是動力電池是否安全?

新能源汽車自燃（來源：福建交通廣播）

目前，鋰電池因能量密度高、理論容量大、壽命長等優(yōu)點成為了新能源汽車動力電池的主要形式。鋰電池性能依賴于電池溫度，研究表明，鋰電池適宜的工作溫度通常為20～45℃，當前主流電池的最高使用溫度普遍在60℃以下。高溫天氣會增加電池過熱的風險，電池過熱可能導致電池性能下降、容量減少以及壽命縮短，極度高溫還可能引發(fā)電池的損壞甚至火災，因此要求車輛提供強大的熱管理能力。

電池熱管理系統(tǒng)

合理設計電池熱管理系統(tǒng)（BTMS）及熱管理策略，可保證電池工作溫度在適宜的范圍內(nèi)，改善電池的工作環(huán)境，對于提升電池壽命、效率及系統(tǒng)安全經(jīng)濟性有著重要的作用和意義。目前常見的散熱技術包括風冷散熱、液冷散熱、相變材料和熱管技術。

風冷散熱：風冷是采用空氣作為換熱媒介，使用空氣在電池組中進行循環(huán)，利用電池模塊和空氣之間的溫差進行熱傳遞，一般分為被動風冷和主動風冷。采用風冷技術的設備具有成本低、使用壽命長、便于維護且在電池低放電倍率下具有較低的功耗的特點，是最早開始廣泛使用的動力電池冷卻技術。影響其冷卻效率的因素主要有冷卻方式、空氣流場設計、電池排布及進氣口風速等。

風冷技術結構示意圖（來源：黃沅輝等，《淺析新能源汽車動力電池熱管理技術》）

液冷散熱：液體擁有比空氣更高的比熱容、更高的導熱率，且液冷冷卻速度較快，對降低局部最高溫度、提升電池模塊溫度一致性效果顯著，同時液冷相較于風冷，噪音控制較好。液冷散熱將是未來大功率鋰電池在復雜工況下熱管理的重要研究方向，但液冷系統(tǒng)也存在缺點，如能耗較大、密封要求高，且系統(tǒng)結構復雜，實際應用于儲能系統(tǒng)相較風冷難度更大。目前用于液冷散熱的冷卻液主要有水、醇類（乙醇水溶液、乙二醇水溶液和丙二醇水溶液等）和油類（礦物油、白油、硅油等）。目前市場上通用的冷卻介質以乙二醇水溶液為主，市場占有率近90%。影響液冷散熱系統(tǒng)的主要因素為：冷卻液管道或冷卻板的布局和設計，以及冷卻液的流速。

相變材料：相變材料（PCM）能在恒溫或者近似恒溫的情況下發(fā)生相變，并在相變過程中吸收/釋放潛熱從而達到降溫的效果。目前，采用固-液型PCM的BTMS具有較好的應用前景，由于其比熱容高，可大大減輕系統(tǒng)質量，且冷卻效率也比液冷高出3~4倍；其不足是某些PCM體積變化大，對于系統(tǒng)的空間需求大，同時，PCM吸收的熱量不能有效地釋放到外界環(huán)境中。純PCM有著較大的蓄熱能力，但是熱導率較低，為了解決這個問題，研發(fā)了復合相變材料（CPCM），常見的是與納米顆粒、金屬泡沫或膨脹石墨等其他材料結合。

用于被動冷卻的相變材料（來源：黃沅輝等，《淺析新能源汽車動力電池熱管理技術》）

熱管技術：熱管作為一種高效的換熱元件，目前在大容量電池系統(tǒng)中的實際應用較少，相關研究尚處于實驗室階段。熱管一般由管殼、管芯及工質組成，其結構沿軸方向可以分為蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段三部分。熱管的優(yōu)點有：極高的導熱性、優(yōu)良的等溫性、低成本、恒溫性、可靠控制靈活、高散熱效率且不需要維修，能夠在各種距離上等溫的傳遞熱量。高效靈活的熱管技術在電池儲能熱管理中具有較好的前景。

復合電池熱管理系統(tǒng)

上述每種冷卻方式都有優(yōu)點和局限性。因此，為滿足高溫環(huán)境和高強度工況下電池的散熱需求，學者們嘗試通過將CPCM與風冷或液冷技術結合來提升系統(tǒng)的性能。研究表明，基于CPCM和風冷/液冷的散熱模塊，相較于基于純CPCM散熱，復合系統(tǒng)更適合循環(huán)充電和放電的電池組。

上海理工大學的姜鑫鑫等人，設計了一種相變材料和液冷板復合的冷卻結構，在高放電倍率和高溫環(huán)境下，模擬了在放電和充放電循環(huán)過程中電池熱性能和相變材料液化的變化情況。物理模型如下圖所示。

電池混合冷卻模組結構圖（來源：姜鑫鑫等，《相變材料和液冷結合的鋰離子電池熱管理性能優(yōu)化》）

結果表明，在高放電倍率和高溫環(huán)境下，相比于自然冷卻和相變冷卻，混合冷卻表現(xiàn)出了更好的冷卻效果。同時，混合冷卻可以減小本電池模組的體積，在小間距和高放電倍率時，依然能將電池的溫度控制在合理范圍內(nèi)，并且相變材料不會出現(xiàn)完全液化的現(xiàn)象。此外，液冷的引入在降低電池溫度的同時也降低了首次充放電循環(huán)對后續(xù)循環(huán)過程中電池溫度的影響，并且相變材料的潛熱可以在充電過程中恢復，增加了電池的循環(huán)壽命。動態(tài)調(diào)整冷卻液的流動速度，在控溫的同時減少了輸入功。

同上述研究，以往，復合系統(tǒng)研究多集中傳統(tǒng)平行液冷通道與相變冷卻耦合，相較于分岔通道，傳統(tǒng)的平行冷卻通道的流動阻力、溫度梯度和壓力損失均較大。因此，重慶交通大學的張甫仁等提出了一種新型的分岔冷卻通道與復合相變材料耦合的冷卻系統(tǒng)，如下圖所示。

復合電池熱管理系統(tǒng)（來源：張甫仁等，《鋰電池復合熱管理系統(tǒng)的散熱性能優(yōu)化設計》）

該復合冷卻系統(tǒng)是由電池、復合相變材料和分岔冷卻通道，分岔冷卻通道均勻嵌入相變材料中。其中，復合相變材料與電池緊密貼合，分布在電池的兩側，形成簡單的夾層設計，用于吸收電池產(chǎn)生的熱量。

研究發(fā)現(xiàn)，相較于單一相變冷卻或液體冷卻方式，該復合冷卻系統(tǒng)具有更好的冷卻性能。當分岔液冷通道各級數(shù)量為5、5、7，復合相變材料厚度為5.6599ｍｍ時，可獲得更好的冷卻性能，其最高溫度、最大溫差和壓降分別降低了3.40%、35.36%、46.50%。

小結

鋰電池作為全球動力電池和消費電池領域的主流電池，其熱管理技術的發(fā)展一直備受關注。早期的鋰離子電池熱管理系統(tǒng)較簡單，主要是通過空氣自然對流降溫，即被動式風冷。后來增加了風扇等加快空氣流動或利用冷風水槽提前對空氣進行冷卻，即主動式風冷，冷卻效果得到了改善，但是噪聲較大且溫度均勻性不好。為解決該問題，研究人員發(fā)明了液冷技術，包括冷卻板液冷和浸沒式液冷。其中冷卻板液冷技術發(fā)展較為成熟，具有較好的冷卻效果，但容易出現(xiàn)冷卻液泄漏等問題，從而造成安全隱患。浸沒式液冷是近幾年迅速發(fā)展起來的冷卻技術，冷卻效果明顯，但對冷卻液要求較高。相變材料冷卻和熱管制冷技術是近年來發(fā)展起來的新型冷卻技術，相變材料冷卻沒有移動部件，結構簡單，但是制冷效率低；熱管的冷卻效率高、溫度均勻性良好，但目前仍然處于科學研究階段，并沒有實際應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�？傮w來看，現(xiàn)階段的冷卻技術均存在優(yōu)缺點，一般情況下需要結合兩種或多種冷卻技術對電池進行復合式冷卻。

參考資料：

1、石博文等，《鋰離子電池儲能熱管理技術應用現(xiàn)狀分析》

2、黃沅輝等，《淺析新能源汽車動力電池熱管理技術》

3、李嘉鑫等，《鋰離子電池熱管理技術研究進展》

4、張甫仁等，《鋰電池復合熱管理系統(tǒng)的散熱性能優(yōu)化設計》

5、姜鑫鑫等，《相變材料和液冷結合的鋰離子電池熱管理性能優(yōu)化》

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/長安）

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