中國(guó)粉體網(wǎng)訊 今年入夏以來(lái)，全球多地遭遇極端高溫天氣，部分地區(qū)不斷刷新高溫紀(jì)錄。究其原因，極端高溫天氣由溫室氣體排放造成的長(zhǎng)期全球變暖，和厄爾尼諾現(xiàn)象帶來(lái)的短期氣溫攀升共同導(dǎo)致。未來(lái)一個(gè)半月全球平均氣溫還會(huì)繼續(xù)升高，氣象專家警告稱2023年可能是有記錄以來(lái)最熱的一年。
我國(guó)的華北、黃淮地區(qū)也是進(jìn)入了“燒烤”模式，極端高溫天氣，對(duì)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(wèn)題也是再次引起人們的關(guān)注，很多新能源車的車主會(huì)關(guān)心，在這樣的高溫天氣里，自己的車輛尤其是動(dòng)力電池是否安全?
新能源汽車自燃（來(lái)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(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)成為了新能源汽車動(dòng)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(dāng)前主流電池的最高使用溫度普遍在60℃以下。高溫天氣會(huì)增加電池過(guò)熱的風(fēng)險(xiǎn)，電池過(guò)熱可能導(dǎo)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(zāi)，因此要求車輛提供強(qiáng)大的熱管理能力。
電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)
合理設(shè)計(jì)電池?zé)峁芾硐到y(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(duì)于提升電池壽命、效率及系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)性有著重要的作用和意義。目前常見(jiàn)的散熱技術(shù)包括風(fēng)冷散熱、液冷散熱、相變材料和熱管技術(shù)。
風(fēng)冷散熱：風(fēng)冷是采用空氣作為換熱媒介，使用空氣在電池組中進(jìn)行循環(huán)，利用電池模塊和空氣之間的溫差進(jìn)行熱傳遞，一般分為被動(dòng)風(fēng)冷和主動(dòng)風(fēng)冷。采用風(fēng)冷技術(shù)的設(shè)備具有成本低、使用壽命長(zhǎng)、便于維護(hù)且在電池低放電倍率下具有較低的功耗的特點(diǎn)，是最早開(kāi)始廣泛使用的動(dòng)力電池冷卻技術(shù)。影響其冷卻效率的因素主要有冷卻方式、空氣流場(chǎng)設(shè)計(jì)、電池排布及進(jìn)氣口風(fēng)速等。
風(fēng)冷技術(shù)結(jié)構(gòu)示意圖（來(lái)源：黃沅輝等，《淺析新能源汽車動(dòng)力電池?zé)峁芾砑夹g(shù)》）
液冷散熱：液體擁有比空氣更高的比熱容、更高的導(dǎo)熱率，且液冷冷卻速度較快，對(duì)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(shí)液冷相較于風(fēng)冷，噪音控制較好。液冷散熱將是未來(lái)大功率鋰電池在復(fù)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(diǎn)，如能耗較大、密封要求高，且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實(shí)際應(yīng)用于儲(chǔ)能系統(tǒng)相較風(fēng)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(chǎng)上通用的冷卻介質(zhì)以乙二醇水溶液為主，市場(chǎng)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(shè)計(jì)，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(guò)程中吸收/釋放潛熱從而達(dá)到降溫的效果。目前，采用固-液型PCM的BTMS具有較好的應(yīng)用前景，由于其比熱容高，可大大減輕系統(tǒng)質(zhì)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(duì)于系統(tǒng)的空間需求大，同時(shí)，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(dǎo)率較低，為了解決這個(gè)問(wèn)題，研發(fā)了復(fù)合相變材料（CPCM），常見(jiàn)的是與納米顆粒、金屬泡沫或膨脹石墨等其他材料結(jié)合。
用于被動(dòng)冷卻的相變材料（來(lái)源：黃沅輝等，《淺析新能源汽車動(dòng)力電池?zé)峁芾砑夹g(shù)》）
熱管技術(shù)：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(shí)際應(yīng)用較少，相關(guān)研究尚處于實(shí)驗(yàn)室階段。熱管一般由管殼、管芯及工質(zhì)組成，其結(jié)構(gòu)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(diǎn)有：極高的導(dǎo)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(shù)在電池儲(chǔ)能熱管理中具有較好的前景。
復(fù)合電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)
上述每種冷卻方式都有優(yōu)點(diǎn)和局限性。因此，為滿足高溫環(huán)境和高強(qiáng)度工況下電池的散熱需求，學(xué)者們嘗試通過(guò)將CPCM與風(fēng)冷或液冷技術(shù)結(jié)合來(lái)提升系統(tǒng)的性能。研究表明，基于CPCM和風(fēng)冷/液冷的散熱模塊，相較于基于純CPCM散熱，復(fù)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(xué)的姜鑫鑫等人，設(shè)計(jì)了一種相變材料和液冷板復(fù)合的冷卻結(jié)構(gòu)，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(guò)程中電池?zé)嵝阅芎拖嘧儾牧弦夯淖兓闆r。物理模型如下圖所示。
電池混合冷卻模組結(jié)構(gòu)圖（來(lái)源：姜鑫鑫等，《相變材料和液冷結(jié)合的鋰離子電池?zé)峁芾硇阅軆?yōu)化》）
結(jié)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(shí)，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(shí)，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(huì)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(shí)也降低了首次充放電循環(huán)對(duì)后續(xù)循環(huán)過(guò)程中電池溫度的影響，并且相變材料的潛熱可以在充電過(guò)程中恢復(fù)，增加了電池的循環(huán)壽命。動(dòng)態(tài)調(diào)整冷卻液的流動(dòng)速度，在控溫的同時(shí)減少了輸入功。
同上述研究，以往，復(fù)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(dòng)阻力、溫度梯度和壓力損失均較大。因此，重慶交通大學(xué)的張甫仁等提出了一種新型的分岔冷卻通道與復(fù)合相變材料耦合的冷卻系統(tǒng)，如下圖所示。
復(fù)合電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)（來(lái)源：張甫仁等，《鋰電池復(fù)合熱管理系統(tǒng)的散熱性能優(yōu)化設(shè)計(jì)》）
該復(fù)合冷卻系統(tǒng)是由電池、復(fù)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(fù)合相變材料與電池緊密貼合，分布在電池的兩側(cè)，形成簡(jiǎn)單的夾層設(shè)計(jì)，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(fù)合冷卻系統(tǒng)具有更好的冷卻性能。當(dāng)分岔液冷通道各級(jí)數(shù)量為5、5、7，復(fù)合相變材料厚度為5.6599ｍｍ時(shí)，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(jié)
鋰電池作為全球動(dòng)力電池和消費(fèi)電池領(lǐng)域的主流電池，其熱管理技術(shù)的發(fā)展一直備受關(guān)注。早期的鋰離子電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)較簡(jiǎn)單，主要是通過(guò)空氣自然對(duì)流降溫，即被動(dòng)式風(fēng)冷。后來(lái)增加了風(fēng)扇等加快空氣流動(dòng)或利用冷風(fēng)水槽提前對(duì)空氣進(jìn)行冷卻，即主動(dòng)式風(fēng)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(wèn)題，研究人員發(fā)明了液冷技術(shù)，包括冷卻板液冷和浸沒(méi)式液冷。其中冷卻板液冷技術(shù)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(wèn)題，從而造成安全隱患。浸沒(méi)式液冷是近幾年迅速發(fā)展起來(lái)的冷卻技術(shù)，冷卻效果明顯，但對(duì)冷卻液要求較高。相變材料冷卻和熱管制冷技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新型冷卻技術(shù)，相變材料冷卻沒(méi)有移動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(xué)研究階段，并沒(méi)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(zhǎng)期使用過(guò)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(lái)看，現(xiàn)階段的冷卻技術(shù)均存在優(yōu)缺點(diǎn)，一般情況下需要結(jié)合兩種或多種冷卻技術(shù)對(duì)電池進(jìn)行復(fù)合式冷卻。
參考資料：
1、石博文等，《鋰離子電池儲(chǔ)能熱管理技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀分析》
2、黃沅輝等，《淺析新能源汽車動(dòng)力電池?zé)峁芾砑夹g(shù)》
3、李嘉鑫等，《鋰離子電池?zé)峁芾砑夹g(shù)研究進(jìn)展》
4、張甫仁等，《鋰電池復(fù)合熱管理系統(tǒng)的散熱性能優(yōu)化設(shè)計(jì)》
5、姜鑫鑫等，《相變材料和液冷結(jié)合的鋰離子電池?zé)峁芾硇阅軆?yōu)化》
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/長(zhǎng)安）
注：圖片非商業(yè)用途，存在侵權(quán)告知?jiǎng)h除！
