【《电池热管理研究现状国内外文献综述》7000字】

电池热管理研究现状国内外文献综述目录TOC\o"1-3"\h\u1117电池热管理研究现状国内外文献综述 1108941.1空气冷却 174251.2液体冷却 2119111.3相变材料冷却 7142111.4热管冷却 815187参考文献 9电池热管理一般有两个目标，一是降低电池组最高温度，二是控制锂电池组的最大温差，为达到这两个目标需对电池进行热管理。近年来关于锂电池热管理的研究越来越多，根据冷却介质的不同，可以分为空气冷却，液体冷却，相变材料（phasechangematerial，PCM）冷却，热管冷却。表1.1为各种冷却方式的代表车型，从表中可以发现，目前新能源汽车冷却方式为空气冷却和液体冷却，并且液体冷却使用车型更多。表1.1不同热管理方式代表车型Table1.1Representativemodelsofdifferentthermalmanagementmethods热管理方式代表车型空气冷却丰田普锐斯、日产Leaf、雷诺ZOE、比亚迪E5、江淮IEV6S液体冷却三菱欧蓝德PHEV、上汽荣威eRX5、特斯拉MODELS/X、比亚迪宋DM、江淮IEV7S、吉利帝豪EV、通用VOLT相变材料冷却无热管冷却无1.1空气冷却以空气为介质带走热量的冷却方式称为空气冷却，原理是低温空气流经电池表面时带走热量达到冷却电池的目的。空气冷却按照风道形状可分为串行通风和并行通风，如图1.4所示。串行通风是利用冷却风依次流经电池表面，随着流动进行冷却风温度升高，对电池的冷却效果下降。并行通风则是在导流板的作用下，冷却风同时流过不同电池表面，相比较串行通风，这种冷却方式电池表面温度均匀性更好。（a）串行通风（b）并行通风图1.4空气冷却Figure1.4AircoolingChen等[4]对并行通风方式进行了优化，电池恒定产热速率下，通过增大最高温度所在电池周围间距，同时降低最低温度电池周围间距，电池组最大温差可降低29%。此外还对电池变产热速率下进行了优化，优化后电池组在4C和5C放电结束时，最大温差降低1.5K和1.8K，改进率达39%和37%。之后，陈凯和汪双凤[5]将遗传算法和流阻网络模型结合，对并行通风方式继续进一步优化，优化后速度标准差由1.9m/s减小为0.4m/s，而且电池组最大温升由7.0K降为5.8K，最大温差减小1.7K，散热性能得到改善。许多学者进一步改变风道形状，Li等[6]选取了18种结构优化U形风冷模型的气流配置和布局，结果表明，当进出口通道数量均增加到3个时，可获得最佳的冷却性能。Liu和Zhang[7]基于Z形和U形结构设计了一种新型的J形电池冷却通道，提出的J形冷却结构有两个开关，可以通过控制两个开关开放程度为整个结构提供最佳的工作策略。Xu等[8]将双U形风管与双l形风管进行了比较，发现与双1型风管相比，双U型风管的最大温升小2.5%，最大温差小24.2%。空气冷却的研究很多，但对带电池底座的风冷研究目前还较少。E等[9]对带电池底座的18650型电池进行了空冷研究，通过改变进出风口位置及添加挡板来研究不同空气冷却策略以获得最佳的冷却方式。研究发现采用模块外壳顶部入口底部出口时，电池最高温度达45.2℃，这和锂电池最佳工作温度40℃差别较大。侧向入口和出口与同侧相比，进出口温度分布更均匀，但最高温度达41.3℃，由此设计了挡板对此方案进行优化，添加挡板后，电池最高温度降低，但电池温差高达7.3℃，性能不好。所以空气冷却虽然装置简单，但是冷却效率低，温度均匀性差，越来越不能满足电池的实际需求。1.2液体冷却液冷热管理因其冷却效率高、价格低廉，受到研究者及各大车企青睐，是目前应用最广泛的热管理方式，继续进一步加强液冷热管理的研究非常有实际意义。液体冷却利用冷却液吸收电池热量达到冷却目的，根据冷却液是否与电池直接接触可分为接触式冷却和非接触式冷却。接触式冷却是将电池模块直接放在冷却液里，虽然这种冷却方式效率高，温度均匀性好，但极易导致短路和电化学腐蚀，因此这方面的研究较少。Al-Zareer等[10]将电池浸泡于液态丙烷中，通过丙烷受热蒸发带走电池表面热量来达到电池冷却效果。Tan等[11]提出一种基于氢氟醚冷却剂的新型电池直接冷却系统，探究了关键参数对系统的影响，发现采用多层结构和液体交叉流动时，最大温差和温度标准差分别降低18.1%和25.0%。非接触式冷却的散热结构和电池形状有关。方块和软包电池冷却结构主要采用带有内流道的冷却板，流道形状有蛇形、U形、一字形等。圆柱形电池冷却结构设计时，一般通过增加冷却装置与圆柱曲面的接触面积增强换热，冷却装置主要包括套筒、波浪形扁管以及一定接触角度的导热块等。（1）方块和软包电池姜水生等[12]在软包电池两侧向布置蛇形通道，发现电池放电倍率增大时，电池模块温度均匀性恶化，而将同向流道改为异向后，电池模块温度和不均匀性都得到有效控制。针对文献[12]中的温度均匀性问题,李潇等[13]提出了一种基于对角双向流道结构的液冷板设计方案，将单通道改为双通道，并且流体反向流动，模拟结果显示该结构既能很好控制电池组温度还能改善电池间温度不均匀性。同样为解决文献[12]中流场均匀性问题，Kalkan等[14]基于传统蛇形通道设计了一种新型的微通道，如图1.5（b）所示，通过实验发现，提出的微通道冷板相比蛇形通道，电池表面平均温度最大可降低5.7℃，温度均匀性最多可提高40%。针对U形通道，Patil等[16]沿方块电池表面布置了液冷板，冷板内通道如图1.5（c）所示，分别从最高温度、最大温差以及冷却效率三个不同角度，选出了最合适的质量流量和冷却剂入口温度。之后，Patil等[17]对U形通道继续进一步优化，采用冷却液在通道入口和出口处交替进出，研究表明，优化后的结构可将电池组温度和温差控制在40℃和4℃以下。对于平行一字形通道，如图1.5（d）所示，Qian等[17]分析了通道数量、质量流量、通道流向和通道宽度对电池组冷却效果的影响，研究发现通道越多，冷却效率越好，但通道数超过5个之后，冷却效率提高较少，同时发现增加通道宽度可以降低能量消耗，当宽度由3mm变为6mm时，压降降低55%。Wang等[18]以一字形通道为基础，提出了一种蜘蛛网冷却通道，如图1.5（e）所示。采用三因素四水平的正交试验，对通道宽度l、通道数量n和通道角度α进行了研究，最终确定l=3mm，n=11，α=120°时，电池模块性能最优，此时最高温度为37.892℃，最大温差为8.864℃，有效降低了电池表面温度，提高了温度均匀性。图1.5冷却结构图Figure1.5Diagramofcoolingstructure(2)圆柱形电池如前所述，圆柱形电池冷却结构主要有套筒、扁管和导热块。李志斌等[19]针对圆柱形锂电池设计了嵌套电池的金属外壳，实验证明加壳可以改善电池之间的温度不均匀性，其中自然对流条件下，加壳后最大温差可以减小10℃以上。Zhao等[20]为了使圆柱形电池最高温度和不均匀性得到控制，提出了一种基于带夹套的微小通道电池冷却方法，如图1.6（a）所示，发现只有当通道数大于8时，微小通道电池冷却方法才能比自然对流冷却有优势。Dong等[21]在18650锂电池和套筒之间设计了一种双螺旋冷却通道，为获取最佳结构参数，使用拉丁超立方抽样确定试验样本点，以电池最高温度、冷却剂进出口温差和压降为待优化的性能指标，采用多目标遗传算法对设计方案进行优化，最终发现，当质量流量为1.94×10−3kg/s、螺距为100mm、直径为0.4mm时，冷却性能最佳。Zhao等[22]首次用槽式液冷热管理系统模拟实际大容量电动汽车电池组，采用71块18650型电池组成电池热模型，如图1.6（b）所示，发现增加相邻电池之间的接触面积可以减小电池模块的最大温差，但影响很小，其中接触角度0°和12°的电池模块温度最多相差0.3K左右。他们还发现增加电池和冷却通道之间的接触面积可以减小电池模块的最高温度，但会增大电池间的温度不均匀性。为了更加准确模拟电池放电情况，Li等[23]综合考虑能量守恒、电荷守恒和电极动力学，建立了圆柱形锂电池三维电化学-热耦合模型，在此基础上，提出半封闭S形结构，探究了冷却通道高度、宽度和进口速度对通道散热性能的影响，确定高度和宽度取值分别为60mm、3mm。针对电池最高温度出现的位置，提出在垂直方向上多通道分散的方法，结果证明该设计可以有效提高电池散热情况。为了减小电池之间的温差，Rao等[24]提出了一种基于可变接触面积的液体冷却模型，并将三种可变接触面积铝块与恒定接触面积铝块进行了比较，发现冷却液进口速度为0.05m/s时，和恒定接触面积铝块相比，接触面积可变铝块的电池最大温差最高可降低28%。Lai等[25]采用具有接触角的导热块增强电池换热，同时提出了重量敏感因子的评价参数，综合评价后最优导热块结构参数为内径d=3mm，接触面高度h=55mm、接触面角度=50°，与初始结构相比，压降P、最大温差T、质量m分别降低了80%、14%和46%。Tang等[26]将导热块与微通道液冷板结合，如图1.6（c）所示，同时为提高圆柱形锂离子电池的温度均匀性，导热块接触角采用梯度设计，使用三维瞬态传热模型，研究了在液冷板两侧布置48个锂电池时电池组的温度变化，发现与接触角恒定相比，增大梯度角不仅可以降低电池的最高温度，还可以改善电池模块的温度不均匀性。Suman等[27]发现在固体接触界面上应用热界面材料可以降低接触电阻，即使在高放电率和低冷却剂流速下，电池组最大温升也保持在7K以内。Jin等[28]通过在直翅片上引入斜槽，提出了一种新型倾斜微通道液体冷却板，与传统通道的连续翅片相比斜翅片更短，有效地抑制了边界层的发展，斜翅片的传热系数接近恒定值，与直通道沿流动方向呈下降趋势不同。经实验证明，倾斜结构显著提高了液体冷却板的性能，能将电池表面温度维持在50℃以下。图1.6圆柱形锂电池冷却结构图Figure1.6Coolingstructurediagramofcylindricallithiumbattery近几年来开始有学者将纳米流体以及相变微胶囊悬浮液用于锂电池冷却，但是相关的研究还是很少。Wang等[29]对水、质量分数10%和20%的纳米相变流体进行了电池热性能测试，发现与水作为冷却工质相比，纳米相变流体作冷却工质的电池组温度更低且温度一致性更好，质量分数越高，效果越明显，同样随着质量分数的增加，管路压降也在增加。Amirhosein等[30]将套筒与波浪形通道相结合，以纳米流体为冷却剂研究了不同变量对锂电池充/放电过程中冷却性能的影响，实验选取1%和2%两种体积分数，结果表明，和水相比，体积分数2%的纳米流体作冷却剂时，充电过程中电池组峰值温度和最大温差分别降低2.4K和0.26K，放电过程中分别减低2.33K和0.54K。黄际伟等[31]将制备的相变微胶囊悬浮液作为冷却液用于锂电池热管理，发现环境温度40℃，电池组以3C放电时，釆用自然冷却和相变微胶囊悬浮液冷却的电池组内部最高温度分别为72℃和62.3℃，较自然冷却，采用悬浮液冷却的电池组内部最高温度降低9.7℃，最大温差减小4.0℃，同时采用悬浮液冷却还能改善电池组内单体电池表面的温度不均匀性。Li等[32]为了研究相变微胶囊悬浮液应用于电池热管理系统的可行性，建立了基于液体冷板的热管理模型。研究发现与自然散热条件相比，使用水或MPCMs作为冷却剂，可以显著降低电极片和电池本体的最高温度，但会增加电池本体的最大温差。1.3相变材料冷却采用相变材料冷却电池是利用相变材料在相变过程吸收热量来达到冷却电池的目的。相变材料的应用有两个特点，第一，相变材料的相变过程具有恒温性，这个特性可以减少电池温度之间的不均匀性；第二，相变材料的相变潜热很高，可以用有限的材料吸收更多的热量。为提高基于石蜡的电池热管理性能，Zhang[33]等建立了石蜡在方形空腔中熔化的数值模型，以壁面热流密度为电池热源，对加热壁的位置进行研究，发现当加热壁位于底部时，空腔中的石蜡熔化最快。此外，还考虑了导热系数和壁面滑移速度的影响，随着导热系数的增加，相变材料的液体分数增大，不同的壁面滑移速度可以加速或延缓石蜡的相变过程。Joshwin等[34]利用数值模拟研究了恒流放电情况下电池的热行为，对于低放电倍率，纯PCM足以将电池工作温度维持在理想范围内，对于高放电倍率，可引入泡沫铜，增强PCM的导热系数。为增强电池模块内相变材料的导热性能，Li等[35]将泡沫铜加入其中，并对空气、纯相变材料和泡沫铜-相变材料冷却效果进行对比，实验结果显示，放电结束时泡沫铜-石蜡复合相变材料的电池表面温度比前两者分别降低29%和12%，温度均匀性也得到有效改善。考虑相变材料不稳定性，Lv等[36]利用纳米二氧化硅吸附石蜡，防止了相变材料的迁移和泄漏，电池模块具有更好的冷却效率和耐久性。越来越多学者将相变材料和其它冷却方式结合，探究复合冷却方式对电池热管理系统性能的影响。Xie等[37]将空气冷却和相变材料相结合，结果显示集成系统的冷却效果明显优于空冷系统。Qin等[38]设计一种混合动力热管理系统，将空气和膨胀石墨-相变复合材料分别用作主动和被动冷却/加热部件，对各种环境温度模拟，结果表明此电池组具有较高的热性能，并能在环境温度55℃时保持电池模块温度低于60℃。Rao等[39]将石蜡与脉动热管耦合，发现耦合系统相较与纯相变材料系统具有更好的性能。Gao等[40]将相变材料和蛇形冷却通道结合提出了一种耦合热管理方式，为提高相变材料导热性将石墨（EG）掺杂其中，采用模拟结合实验的方法对石墨质量分数、冷却液流速、环境温度等进行探究，发现20%EG/PCM散热性能优于其他质量分数；流速较小时增加流速能显著改善电池性能，但当流速超过0.3m/s时，继续进一步增大流速，电池性能改善不明显，最终确定流速0.3m/s为最佳流速；随着环境温度的升高，电池的最高温度在增加，而最大温差却减小。1.4热管冷却在利用热管冷却电池方面，国内外学者做了很多研究。丹聃等[41]通过实验研究了平板热管在不同电池产热功率下的均温性和传热性，研究发现随着产热功率的增大，平板升温速率加快，达到稳定的时间缩短。加热功率较小时，温差随着时间增加而增大并逐渐达到稳定。加热功率较大时，表面温差开始快速达到峰值，随后降低并趋于稳定。Jin等[42]建立了复合板与热管相结合的三维耦合电池热管理系统，发现采用热管加复合板的系统比采用单一复合板的系统性能更好。此外，垂直和水平管道组合的电池热管理系统综合冷却效率高于单管组合。Wei等[43]开发了一种插件式脉动热管，并对不同比例的纯水-乙醇进行了实验测试和比较，与纯乙醇和水相比，乙醇-水混合物更适合用作工作流体，电池组表现出更好的冷却性能和温度均匀性。Wang等[44]通过正交试验对提出的热管结构进行优化，分析了电池间距、传导元件的厚度、电池与传导元件之间的圆周角以及传导元件的高度四个因素对电池模块温度分布的影响，结果表明传导元件高度对电池模块最高温度和温差的影响最大，电池间距和传导元件厚度的影响最小。为增加散热面积，Chen等[45]在热管的冷凝端安装矩形翅片，同时将TiO2纳米流体作为工作介质，发现TiO2纳米流体的热管理系统具有优异的散热性能，可以最小化温度梯度并提高电池表面的热均匀性，确保锂离子电池在适当的温度范围。Tran等[46]将热管添加于散热器上，结果表明添加热管可使普通散热器的热阻在自然对流条件下降低30%，在低风速冷却条件下降低20%，因此电池温度可保持在50℃以下。增强冷却介质的导热性方面，Zhou等[47]将碳纳米管加入乙醇水溶液制得纳米流体，实验结果表明与乙醇-水混合物相比，输入功率56W且碳纳米管浓度为0.2wt%时，热管的蒸发器平均温度和热阻分别低于乙醇-水混合物9.8℃和0.278C/W，同时电池组的平均温度和最大温差可以分别保持在45℃和1℃以下。同时，也有很多学者将热管冷却与其它冷却方式结合，Feng等[48]将焊接翅片的热管冷却装置与空气强制对流用于18650锂离子电池组的热应变管理系统，结果表明与环境自然冷却相比，带风扇的热管系统冷却电池时，组件的最高温度降低15℃，应变也降低50%。Zhao等[49]将湿式冷却与热管相结合，发现提出的热管理系统在结构、重量以及控制电池温度等方面都有优势。Lei等[50]将喷雾与热管冷却相结合，当室温超过40℃时，电池运行环境恶化，喷雾功能通过液滴蒸发快速散热，实验结果表明此系统是一种具有灵活冷却策略的可靠的热管理手段。He等[51]提出了一种基于热管和液体冷却板相结合的电池热管理系统，基于正交设计进行模拟，采用模糊关联分析法来评估各影响因素与电池组温度分布之间的关系，得出了主要影响因素及各因素的最优值。参考文献周安,刘景林.新能源汽车对城市节能减排影响的新探索[J].学术交流,2012(7):101-105.RamadassP,HaranB,WhiteR,etal.CapacityfadeofSony18650cellscycledatelevatedtemperaturesPartII.Capacityfadeanalysis[J].Journalofpowersources,2002,112(2):614-620.AhmadA.Pesaran.Batterythermalmodelsforhybridvehiclesimulations[J].JournalofPowerSources,2002,110(2):377-382.ChenK,SongMX,WeiW,etal.Structureoptimizationofparallelair-cooledbatterythermalmanagementsystemwithU-typeflowforcoolingefficiencyimprovement[J].Energy,2018,145:603-613.陈凯，汪双凤.基于遗传算法的风冷式动力电池热管理系统优化[J].工程热物理学报,2018,39(2):384-388.LiXK,ZhaoJP,YuanJL,etal.Simulationandanalysisofaircoolingconfigurationsforalithium-ionbatterypack[J].TheJournalofEnergyStorage,2021,35:102270.LiuYZ,ZhangJ.DesignaJ-typeair-basedbatterythermalmanagementsystemthroughsurrogate-basedoptimization[J].AppliedEnergy,2019,252:113426.XuXM,HeR,Researchontheheatdissipationperformanceofbatterypackbasedonforcedaircooling[J].JournalofPowerSources,2013,240:33-41.EJQ,YueM,ChenJW,etal.Effectsofthedifferentaircoolingstrategiesoncoolingperformanceofalithium-ionbatterymodulewithbaffle[J].AppliedThermalEngineering,2018,144:231-241.Al-ZareerM,DincerI,RosenMA.Novelthermalmanagementsystemusingboilingcoolingforhigh-poweredlithium-ionbatterypacksforhybridelectricvehicles-ScienceDirect[J].JournalofPowerSources,2017,363:291-303.TanXJ,LyuPX,FanYQ,etal.Numericalinvestigationofthedirectliquidcoolingofafast-charginglithium-ionbatterypackinhydrofluoroether[J].AppliedThermalEngineering,2021,196:117279.JarrettA,KimIY.Designoptimizationofelectricvehiclebatterycoolingplatesforthermalperformance[J].JournalofPowerSources,2011,196(23):10359-10368.李潇,陈江英,李翔晟.基于新型流道液冷板的动力电池热管理性能[J].电源技术,2020,44(10):1438-1442.KalkanO,CelenA,BakirciK,etal.ExperimentalinvestigationofthermalperformanceofnovelcoldplatedesignusedinaLi-ionpouch-typebattery[J].AppliedThermalEngineering,2021,191(3):116885.袁昊,王丽芳,王立业.基于液体冷却和加热的电动汽车电池热管理系统[J].汽车安全与节能学报,2012,3(04):371-380.PatilM,PanchalS,KimN,etal.CoolingPerformanceCharacteristicsof20AhLithium-IonPouchCellwithColdPlatesalongBothSurfaces[J].Energies,2018,11(10):2550-2550.QianZ,LiYM,RaoZH,etal.Thermalperformanceoflithium-ionbatterythermalmanagementsystembyusingmini-channelcooling[J].EnergyConversionandManagement,2016,126:622-631.WangJF,LiuXD,LiuF,etal.Numericaloptimizationofthecoolingeffectofthebionicspider-webchannelcoldplateonapouchlithium-ionbattery[J].CaseStudiesinThermalEngineering,2021,26(9):101124.李志斌,岑继文,彭鹏,等.圆柱形锂离子电池热管理实验研究[J].新能源进展,2016,4(04):305-311.ZhaoJT,RaoZH,LiYM.Thermalperformanceofmini-channelliquidcooledcylinderbasedbatterythermalmanagementforcylindricallithium-ionpowerbattery[J].EnergyConversionandManagement,2015,103:157-165.DongF,ChengZY,ZhuJW,etal.Investigationandoptimizationoncoolingperformanceofanoveldoublehelixstructureforcylindricallithium-ionbatteries[J].AppliedThermalEngineering,2021,189(2):116758.ZhaoCR,Ca