【摘要】

電池熱管理是發展高性能動力電池系統的關鍵技術之一，也是工程熱物理領域研究前沿和熱點。本文介紹鋰離子動力電池熱特性，闡述熱管理對動力電池的重要性。介紹動力電池熱管理主要技術手段，重點介紹熱管技術應用于電池熱管理的研究現狀，從電池運行工況對系統傳熱的影響研究、熱管傳熱特性分析與設計、熱管理系統散熱結構設計與傳熱分析及采用熱管的電池加熱研究4個方面闡述當前基于熱管技術的電池熱管理研究現狀。最后，總結當前研究存在的不足及需要突破的關鍵問題，以期促進先進動力電池熱管理系統開發。

【關鍵詞】

鋰離子電池，熱管理，熱管，強化傳熱，低溫加熱

熱管傳熱特性分析與設計研究（基于動力電池的熱管設計與優化）

熱管設計是影響傳熱性能的重要因素，其換熱效果與通道尺寸、吸液芯結構、充液率等因素密切相關[63~66]，合理的熱管設計對提高電池熱管理效率十分重要。

由于動力電池產熱的特殊性，許多學者在針對電池的熱管設計方面展開研究。Jang等人[67]研究了不同工質對回路型重力熱管換熱性能的影響，當電池發熱量為50?W時，以丙酮為工質可控制電池平均溫度低于45°C，優于以水為工質的散熱效果。Putra等人[68]發現工質散熱效果與電池產熱率密切相關，針對不同的熱源發熱量，采用不同工質才能發揮熱管的最大功效，當電池產熱率大于1.61?W/cm2時，采用乙醇做工質的換熱效率最高。Chi等人[69]研究了充液率對脈動熱管換熱的影響，發現熱管的最佳充液率隨著電池產熱率的增大而提高。因此，需要針對熱源條件選擇適當的工質種類及充液率，以達到最佳換熱效果。

當前研究大多從工質層面(工質種類、充液率)研究和優化熱管用于動力電池的傳熱特性，也有少數文獻從結構角度對熱管性能進行改善。Swanepoel[70]設計了基于脈動熱管的電池熱管理系統，分析了介質和管道寬度對熱管傳熱性能的影響，發現當熱管內工質為氨水時，熱管寬度需小于2.5?mm，才能保證其在電池熱管理中的啟動及散熱效率。

在現有動力電池熱管理研究采用了不同種類的熱管，如重力型熱管、燒結熱管、脈動熱管、平板環路熱管、平板微熱管等[71~73]，尚無統一的選型或設計方法。從結構形式上看，平板類型熱管在動力電池熱管理系統中展現出優越性，有望成為動力電池熱管理的首選，然而當前針對平板熱管的設計研究較少。

熱管布置方案設計

電池熱管理系統布置方式是影響熱管導熱性能的另一關鍵因素。Tran等人[74]對比了水平與垂直放置時熱管導熱性能。施加38?W熱源模擬電池包產熱，水平布置時熱管蒸發端溫度達到61°C，垂直布置時溫度僅51°C。饒中浩[75]采用脈動熱管進行實驗也得到類似的規律，搭建了如圖9所示的電池熱管理實驗測試平臺，實驗表明在相同產熱功率下，豎直放置時電池表面溫升較小，且局部溫差比水平放置時更小。

此外，裝置傾斜角度也對傳熱造成影響[74,75]。熱管水平安裝時，電池表面溫差受傾斜角度影響較大; 而熱管豎直安裝時，重力與毛細力雙重作用降低熱管傳熱阻力，路面坡度對局部溫差幾乎無影響。

上述研究均說明熱管豎直布置時的散熱及均溫效果優于水平布置方式。Wang等人[76]在熱管豎直布置方式下研究電池擺放方向對熱管傳熱效果的影響，表明管內工質可迅速將高溫端(電極)熱量傳遞至冷凝端，相同產熱功率下電極朝上的方式可延緩溫度上升時間。

為保證熱管傳熱性能的發揮，電池熱管理系統結構設計應充分考慮熱管布置方式對其導熱性能的影響。

熱管理系統散熱結構設計與傳熱分析研究

作為電池熱管理傳熱部件，熱管吸收電池產熱的同時需快速將熱量散掉，以保證其在電池組中正常工作。通常情況下，熱管冷端可采用風冷和水冷散熱兩種方式，前者結構簡單，易于實現，后者結構相對復雜，但在散熱需求較大時表現出更好的性能。

冷端風冷散熱

熱管冷凝段采用直接風冷是最簡單的散熱方式。Ye等人[77]對熱管冷端進行強制風冷散熱，可使電池(LiFePO4，18?A?h)在1?C放電條件下維持在35°C以下，若冷端采用自然冷卻，放電末期溫度高于40°C。為強化熱管散熱能力，可采用增加冷端翅片數目、改善冷端翅片設計、提高風冷流速、增大冷凝段長度等方式。

熱管根數、翅片個數、翅片間距對散熱效果也有重要影響[60]。在一節電池表面布置多根熱管可強化散熱，但由于冷端沿氣流方向平均換熱系數越來越低，增大了電池表面溫度不均勻性。通過在第一根熱管前布置擾流圓管(圖10(d))可提升電池表面溫度均勻性。

許多研究者采用熱管與相變材料耦合散熱方式提升電池表面均溫性，將PCM附著在電池表面，熱管嵌入PCM中帶走熱量，冷端采用風冷散熱[78,79]，圖11是一種典型的熱管-PCM耦合風冷散熱系統，該結構可保證電池組2?C放電結束后最大溫差低于2°C，且冷卻風速會影響電池最高溫升[78]。

增大冷凝段長度是提升熱管散熱能力的另一有效途徑，然而冷凝段長度增加會導致電池組溫差增大，為同時保證電池組溫升和溫差，并考慮電池組空間布置等實際因素，熱管冷凝段長度存在最佳值[80]。

冷端液冷散熱

由于空氣比熱容較低，采用熱管與液冷耦合散熱可彌補空氣冷卻的不足。根據熱管冷端與液體流道接觸方式，可分為接觸式液冷換熱和非接觸式液冷換熱。接觸式液冷系統如圖12所示[81]，熱管冷端浸泡在水槽中，內部通入一定流速液體，2?C持續放電半小時后電池溫度不超過42°C，說明熱管與液冷耦合散熱效果。

Zhao等人[82]采取冷端噴水提升電池散熱效率，每兩節電池之間布置一根平板微熱管并向其表面以一定頻率噴水，電池在2?C持續放電工況下溫升僅為4°C，3?C放電工況溫差小于2.5°C。

非接觸式液冷系統通常將熱管排布在電池表面，通過液冷流道與熱管冷端接觸帶走熱量，熱管冷端并非直接浸泡在冷卻液中，安全性較高[83]。奧迪公司[84]設計了如圖13所示的電池熱管理方案，在每兩節電池之間布置一塊銅板，并將4根燒結熱管嵌入銅板內，最后通過貼在熱管冷端表面的液冷板將熱量帶走。在400?W電池產熱功率條件下，該系統可維持電池溫度在50°C以下，具有較好的冷卻效果

當前大部分研究以電池的溫升和溫差作為考核指標，然而，強化傳熱帶來更多系統能量消耗及重量增加，較少從系統層面進行設計考量。如何兼顧電池放電特性、散熱效果以及系統能耗和輕量化等指標，提出熱管理系統高效散熱方案，是將來在電池強化散熱方面的研究重點。

采用熱管的電池加熱研究

如前文所述，低溫環境下鋰離子電池充放電效率大幅衰減，目前采用熱管作為傳熱部件的低溫加熱研究引起廣泛關注。

Ye等人[58]采用微平板熱管布置在電池表面，另一端采用加熱元件加熱(圖14)，電池從-10，-20，-30°C升溫至0°C所用的時間分別為350，780，1100?s，溫升速率是傳統底部加熱方式的1.5倍。加熱過程中溫差可控制在3°C以下，遠低于傳統加熱方式(9°C)。梁佳男等人[85]發現提高加熱功率可提升電池升溫速率，但同時增大電池表面溫差，因此需要綜合考慮加熱時間和電池溫差，以確定最佳加熱策略。

Zou等人[86]設計了如圖15所示的熱管-液體耦合綜合熱管理系統，既可實現電池低溫加熱也可以用于高溫冷卻。管道內的制冷劑經過PTC加熱，然后通過熱管將熱量傳遞給電池。在加熱的初始階段電池溫升較快，隨著熱管的冷、熱端溫差逐漸減小，換熱能力減弱，最終換熱量趨近于定值，約900?s后電池溫度上升至20°C。

當前基于熱管的電池加熱系統通常采用傳統熱管或微通道熱管布置在電池表面，另一端采用熱水加熱或PTC加熱，研究大多處于實驗驗證階段，現有研究結果充分展示了采用熱管加熱的高效性和均溫性，進一步的研究應圍繞低溫加熱策略展開。

總結與展望

溫度是影響動力電池性能的關鍵因素，高效熱管理系統對電動汽車具有重要意義。熱管具有較強的換熱能力和均溫能力，是未來電池熱管理系統的重要研究方向。

采用熱管作為電池散熱/加熱元件的研究已經取得顯著進展，但是隨著電動汽車對熱管理系統要求的提升，熱管的應用目前還存在幾方面問題亟待解決:

(1) 動力電池溫度與其動態產熱工況密切相關，進一步的研究應結合實際車用工況，制定有效的實時控制策略，從而實現高效、低能耗電池熱管理。

(2) 熱管傳熱方面，由于影響熱管傳熱性能因素眾多，需要綜合考慮熱管內部結構設計及其在電池組中的布置方式，優化其在使用過程中的傳熱性能，特別是針對平板類型熱管的傳熱特性分析及優化設計研究，是將來研究的重點之一。

(3) 熱管散熱方面，當前大部分系統設計側重于降低電池組溫升及溫差，較少考慮系統能耗與重量。進一步的熱管強化散熱研究應聚焦于系統多目標優化，綜合系統熱、電特性以及系統能耗和輕量化等指標，提出熱管理系統散熱解決方案。

(4) 采用熱管的加熱研究方面，當前的研究大多處于測試并驗證效果階段，進一步研究熱管在不同使用環境下的換熱特性，特別是低溫環境下的加熱策略研究，是將來研究的重點之一。

隨著電動汽車的發展，動力電池技術和熱管技術的不斷進步，熱管在電池熱管理中將得到更加廣泛的應用。

作者：丹聃, 姚程寧, 張揚軍, 錢煜平, 諸葛偉林

單位：清華大學 汽車安全與節能國家重點實驗室

本文來源：互聯網

版權歸原作者所有，轉載僅供學習交流，如有不適請聯系我們，謝謝。

標簽： 點擊： 評論: