当前，电动汽车逐渐成为交通工具的主流趋势之一，为满足电动汽车高电压和大容量的需求，动力电池单体采用最常见的串并联相结合的方式进行使用。在电动汽车运行过程或充电过程中，电池温度会发生很大的变化，若不及时散热，热量在电池模块内持续积累，导致电池模块热量不断上升和不均匀扩散。锂电池内部化学成分耐热性较差，因此在高温下会加速反应，导致锂离子电池内部结构产生质变，最终造成严重的安全后果。因此，需要一个高效的电池热管理系统(Battery thermal management system，BTMS)来保持适当的电池工作温度范围，以防止温度变化所带来的不利影响。

随着电动汽车的发展和动力系统功率的不断提升，电池组的密度也比以往增加更多，快速充电的需求导致电池在大电流充放电时产生更多的热量。在这种趋势下设计出合理的电池热管理系统成为焦点，需要在高温下进行快速散热、低温条件下能够进行加热或保温，以提升电动汽车的整体性能。

电池热管理系统可分为电池散热系统和电池加热系统，其中，目前较成熟的散热系统根据传热介质可分为四部分，分别为风冷、液冷、相变材料冷却(Phase-change material，PCM)和热管冷却。

电池冷却系统分类

常见的锂电池散热系统类型

1. 空气冷却系统（风冷）

空气冷却风（风冷）是目前使用最广泛的电池散热方式，可与整车的行驶特性设计相结合。可通过车速形成的自然风将热量带走，也可通过风扇运转产生强制气流。自然对流具有简单易行，低成本，散热过程多以自然对流为主等优点，缺点为风力不可控；强制对流相比自然对流更可靠，更易于维护，因此成为常见的电池冷却方式，不过强制对流的缺点是电池内的温度分布不均匀，由于空气本身的特性，冷却效果有一定的局限性。

丰田混合动力汽车HV蓄电池热管理系统结构

基于风冷热管理的优点包括：运行过程中的安全性与可靠性、所需材料简单且易于实现、产生有害气体时能够及时有效通风；与液体和相变材料相比，空气作为冷却介质的降温能力明显不足，且仅适用于低密度电池。

庞大的电池组产生的热量使得主动式风冷系统随之增加体积，从而影响电动汽车的性能和乘客的舒适度。为解决风冷系统面临的问题并提高其性能，众多学者开始研究将其他冷却介质加入到风冷系统中。

2.液体冷却系统

与基于风冷的电池热管理系统相比，基于液体的热管理具有更高的传热系数和比热容，对提高电池组能量密度和热管理能力有着更显著的效果。

根据电池与冷却液接触的方式，液冷系统可分为直接接触式和间接接触式两种。根据电池液冷散热的结构又可分为主、被动两种方式，被动式系统中，冷却液与外界空气进行热量交换，将电池热量送出；主动式系统中，电池热量通过液-液交换的方式送出。

奔驰48v液冷锂电池组

直接接触式冷却：冷却液直接与电池或电池模块表面接触为直接接触式液冷，相较于风冷能够更好地进行电池散热。冷却液的特点为导热率高且绝缘，但由于使用的冷却液体流动性不强，因此散热效果也会受到一定的影响。

间接接触式冷却：间接接触式冷却系统是通过装有冷却液的翅片或热沉等物质与电池接触带走热量，从而达到使电池降温的目的。对于圆柱形电池，可设置成环形夹套式结构，其液体的流速不受限制，因此可使用导热率高的液体材料。

液冷散热系统效果良好，能够有效降低电池的工作温度和局部温差，同时也存在系统结构复杂，质量相对大，存在漏液以及常常需要维护等不利影响。但在对电池工作条件要求相对严格、热管理优先的电动汽车热管理系统中，液冷系统电池散热方式具有比风冷更明显的优势。

近几年来，在液体冷却上较为普遍的研究为采用新型的冷却液，如采用液态金属、纳米流体等来优化液冷散热。但当前对液体冷却通道的设计仍是液冷系统的研究现状如：通过冷却液通道数量的增加来降低电池放电后的最高温度、优化液体冷却的通道结构、采用具有小翼结构的冷却通道、设计新型液体冷板等来控制电池组的温差并加强散热能力

3.热管冷却系统

热管(Heating pipe，HP)是利用管内介质相变进行吸热和放热的高效换热元件，广泛应用于工业等众多领域。常用的热管有三部分组成：封闭式金属管、吸液芯和端盖，将热管内抽成真空，充入适当的冷却液体，使管内壁的吸液芯毛细多孔材料内充满冷却液后加以密封。

当热管的加热端受热时，工作介质受热蒸发并在管内流体的受力下流向冷凝端，然后蒸汽在冷凝端散热重新变为液体，冷凝端的液体受重力或多孔材料的毛细力作用下流回蒸发端，以达到散热的目的。如此循环，将电池产生的热量传递到外界空气，从而实现小温差大热流的传输，使电池温度降低。

阵列热管

热管由于具有良好的热流密度可变性、导热性、密度可变性、热流方向可逆性、优良的恒温热性和环境适应性等特点，已成为电子设备重要的散热技术之一。

热管相比于其他冷却系统具有更强的传热能力，但并不意味着可以无限增大其热负荷，热管的热效率受众多因素制约。当热管达到极限时，传热量将不再继续增加，传热极限取决于热管的形状、内部吸芯液的结构、工作介质和周围环境。

影响热管传热的各种极限

虽然热管在电子设备散热领域有着极为广泛的应用，但其缺点为热管的容量小、接触面积小，对大型电池组需要使用更多的热管进行散热，以及无法对电池组进行加热。

4.相变材料冷却系统

相变材料(Phase change materials，PCM)的物理状态随温度而变化，相变过程中温度变化范围小，但吸收或释放的潜热大。相变材料具有体积变化小、潜热大、稳定性好等优点。

常见的PCM材料可分为有机材料、无机材料和共晶材料，有机材料包括石蜡(PA)和石蜡化合物，如硬脂酸和长链烷烃等；无机材料包括水合盐和金属等材料；共晶材料是两种或多种具有特定原子比的有机和无机化合物的混合，具有较高的潜热和较高的熔点。

相变材料用于动力电池

PCM 依赖于自身高潜热的能力，然而当温度超过自身的熔点后PCM冷却性能就会显著下降。因此一些改进方案将PCM与常用冷却方法耦合起来构成混合系统，确保长期使用。例如PCM填充至电池和热管的缝隙中，由于PCM耦合热管系统既有PCM的固液相变蓄热，又有脉动热管工质的液汽传热，因此在各种工况下，PCM耦合热管的系统具有更好的散热性能。

未来，对高功率、高能量密度和高充电效率电池的需求将持续增长，随之而来的是对更高效、更稳定、更经济、更紧凑的电池热管理系统的需求。从低能耗和结构角度来看，PCM的散热系统更具有潜力，需要进一步研究来提高商业应用性。首先，寻找高导热率的PCM来代替；其次，设计以PCM为主体，其他散热系统为辅助的协同机制，以保证电池热管理系统的耐久性。

参考来源：

1.动力电池散热技术研究进展，于仲安、陈可怡、张军令、胡泽洲（电气工程学报）；

2.动力电池热管理和热安全发展动态，广东工业大学张国庆教授

3.热管技术及其应用，陈彦泽、喻建良、丁信伟（现代化工）；

4.相变储能材料的应用及研究现状，尚燕、张雄（同济大学材料科学与工程学院）。

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