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(huì)影響其性能的發(fā)揮。
為了保證鋰離子電池的穩(wěn)定運(yùn)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(jì)、高效的電池?zé)峁芾眢w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(diǎn)。
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(qiáng)制風(fēng)冷。自然風(fēng)冷是依靠汽車在行駛過程中帶動(dòng)的氣流將電池表面的熱量帶走，強(qiáng)制風(fēng)冷則通過安裝風(fēng)扇來驅(qū)動(dòng)更大的氣流以達(dá)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(jiǎn)單、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，目前，在商業(yè)化的電動(dòng)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(jì)更加科學(xué)、高效的通風(fēng)排列結(jié)構(gòu)以期達(dá)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(jìn)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(jì)，可以使得內(nèi)外流暢協(xié)同工作，達(dá)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(shí)際應(yīng)用時(shí)會(huì)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(shí)，風(fēng)冷的性能遠(yuǎn)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(duì)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(huì)受到限制，需要額外的能耗驅(qū)動(dòng)。
間接液冷則借助流體穿過放置電池的冷板和獨(dú)立管道實(shí)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(duì)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(qiáng)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(huì)更大，一般用導(dǎo)熱硅膠片填補(bǔ)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(jì)復(fù)雜、重量大以及存在漏液?jiǎn)栴}，為了防止泄露造成短路危險(xiǎn)，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(shí)釋放熱量，再借助毛細(xì)作用回流到蒸發(fā)端，熱量在如此的循環(huán)過程中進(jìn)行傳遞。
熱管原理圖
為了實(shí)現(xiàn)有效散熱，蒸發(fā)器與熱源之間需要良好的接觸，這對(duì)熱管形狀的設(shè)計(jì)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(qiáng)制風(fēng)冷)結(jié)合實(shí)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(shí)際應(yīng)用到商用電動(dòng)汽車中，究其原因是熱管的運(yùn)作需要借助額外動(dòng)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(dòng)地吸收或釋放大量潛熱來進(jìn)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(chǔ)能量，在達(dá)到相變溫度時(shí)以潛熱的形式吸收、存儲(chǔ)能量。
相變材料根據(jù)化學(xué)性質(zhì)可以分為有機(jī)相變材料(如石蠟、脂肪酸、多元醇)、無機(jī)相變材料(如水合鹽、熔融鹽)和共晶相變材料，它們具有儲(chǔ)能密度高、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，整個(gè)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(rèn)為是很有前景的熱管理材料。
隨著動(dòng)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(shí)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(diǎn)。
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(duì)電池受到機(jī)械碰撞時(shí)會(huì)發(fā)生的短路危險(xiǎn)。
資料來源：
王卓雅：導(dǎo)熱增強(qiáng)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(dòng)汽車電池?zé)峁芾淼膹?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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