【《锂离子电池热管理技术研究现状文献综述》8100字（论文）】

-PAGEIII-锂离子电池热管理技术研究现状文献综述目录TOC\o"1-3"\h\u18617锂离子电池热管理技术研究现状文献综述 1275321.1空冷技术 1199691.2基于相变材料的热管理技术 594791.3基于热管的电池热管理技术 6182271.4基于液体的热管理技术 9173151.5复合热管理系统 11233981.6锂离子电池热管理技术中存在的一些问题 132840参考文献 14电池热管理(BatteryThermalManagement,BTM)，是根据电池工作时的温度分布对电池性能的影响，结合电池自身的产热机理，进行合理科学的传热系统设计使得电池温度能保持在最佳工况区间内，从而改善电池在温度过高或过低时工作引起的热散逸或热失控，从而提高电池性能的工程技术。通过对电池进行热管理的方式，以确保电池可以在最佳工作温度范围内运行，并且在一定程度上可以改善电池的温度均匀性。包括单体电池内部温度的均匀性、模块中各单体电池间温度的均匀性、各模块之间温度的均匀性等三个方面。在电池运行的过程中，根据Arrhenius定律可知，化学反应速率和温度呈指数关系，电池局部温度过高将造成电池内部、不同电池之间和不同模块之间化学反应的不平衡。当电池整体温度过高时，电池能量密度、功率密度以及寿命都会收到严重的影响。目前发展的比较成熟或受到重视的锂电池热管理技术有以空气为介质的热管理技术、相变材料电池热管理技术、基于热管的电池热管理技术、基于液体的电池热管理技术、以及复合热管理系统。1.1空冷技术基于空气的电池热管理技术（即风冷系统），风冷是以低温空气为介质，利用对流换热改善电池工作温度的一种散热方式，其分为自然冷却和强制冷却(利用风机等)。该技术利用自然风或风机，与汽车自带的蒸发器相配合来为电池降温，风冷系统对设备的要求较低，使用成本不高。同时空气的质量较轻，可以减轻系统的负荷，节省资源。因此在早期的电动乘用车中应用广泛，如日产聆风(NissanLeaf)、起亚SouIEV等，在目前的电动巴士、电动物流车中也被广泛采纳。[3]然而，空气比热容低，且传热能力较差，这限制了它在环境温度较高时的使用。此外，相比于固体和液体介质，空气作为冷却工质时的均匀性也是很难控制的一个因素，如果空气自身不均匀，那么电池的温度均匀性也会受到影响。2019年李康靖等人利用CFD软件对串行风冷式18650圆柱锂离子动力电池包的散热效果进行研究，探究了电池排布方式、电池间距及进风口风速对电池包温度场分布的影响。并设计实验对仿真模型进行了验证。结果如图1-1、1-2、1-3所示。图1-1三种排布电池组的温度分布[4]图1-2单体电池的间距对电池组温度特性的影响[4]图1-3风速对电池组温度特性的影响[4]仿真结果表明：在2C的放电倍率下。顺排排布的散热效果最好；缩小电池间距可以有效降低电池组的最高温度；而电池间距在4mm时电池组的温度均匀性跟好；提高空气的流速能有效改善电池包的散热效果。李康靖等人对锂电池组风冷散热结构的优化进行了研究，他们建立电池组的风冷结构初始模型，然后根据计算流体力学的理论，利用计算机软件对其进行温度场和流场的仿真。他们增加了进风角度和出风角度等影响因素，用多目标优化模型。结果显示,电池组最高温度和温差分别为306.627K(33.477℃)和3.815K(3.815℃),比初始模型分别降低了9.55%和25.89%,与单因素模型相比,分别降低了0.36%和20.27%,这个结果表明多目标优化结果更好。多目标优化的方法能有效处理风冷散热系统结构的离散变量优化问题,今后可为其他结构的设计优化做参考。2020年王天波[5]等人对电动汽车锂离子电池风冷系统的进出口进行了优化设计，从电池组最高温度、单体电池的最大温差、电池组标准差三个方面分析了多种进出口方向、位置、形状对电池组散热效果的影响规律。最后，结合正交优化方法综合考虑多种因素，优化散热结构，结果表明：在进出口面积不变的情况下，次啊用侧向通风散热方式，对称分布式进出口位置间距减小至40mm，且进出口形状为圆形时，散热效果最佳；进出口位置间距过小或者横向贯穿距离过大，反而会导致散热效率降低。综上所述，在以往建立的空冷技术上，现阶段对空冷技术研究的主要方向是不断的改进空冷系统中的细节问题比如说进出口的角度、形状、位置、间距以及电池的排列方式和间距等。1.2基于相变材料的热管理技术相变材料可以通过吸收热（冷）量进行相变，并在需要时放出热(冷)量，从而达到控制温度的目的。相变材料的种类很多，根据PCM的化学成分，PCM一般主要分为无机类、有机类二种：(1)其中无机类PCM包括：结晶水合盐，其他无机相变材料(如水)；金属(包括合金)，如铅、铅锡合金。无机相变材料价格便宜、导热系数大、溶解热大、密度大、使用范围广，但存在严重的过冷和相分离现象；(2)有机类PCM包括：石蜡类、羧酸类、多元醇类、糖醇类和聚醚类等。有机类PCM具有腐蚀性小、性能比较稳定、毒性小、成本低等优点，但其导热系数小、密度较小、易燃烧等缺点也很明显。固-液相变材料相变潜热大、种类众多，价格适中，在实际应用中最为广泛。但是在固-液相变过程中有液相产生，一旦相变材料泄露，那么相变材料就无法循环利用，同时可能会引起环境污染问题。解决此问题的途径有两个：一是相变材料微胶囊化，二是开发定形相变材料[6]。2016年Yan[7]等人研究利用复合板进行电池热管理。复合板由散热板、绝缘板和PCM组成。电池组由三个棱柱形磷酸铁锂电池组成。在20℃的环境温度下，对电池进行1C、3C、5C和10C倍率的放电实验。他们设置了四个实验组，第一组的电池无间隔，第二组的电池间有间隙，第三组在电池间安置散热板，第四组在电池间安置复合板。结果表明，前两组的实验结果相似，第三组电池的散热效果好，但隔热效果差。第四组使用复合板改善了散热、温度均匀性和隔热，能有效避免电池组的热失控。2019年，Weng[8]等人提出了具有梯度厚度和电导率的新型PCM填充方法。他们通过实验探究了相变温度、相变材料厚度等因素对PCM冷却性能的影响。实验中选取的厚度为5、10和15mm，选择的三种PCM相变温度分别为35℃、42℃和55℃。实验结果表明，PCM的吸热能力与厚度有关系，其中厚度为1-10mm的PCM冷却效果最佳。此外，在选择相变材料时，要根据实验的具体情况选择具有合适相变温度的材料。2020年周钰鑫[9]等人对相变材料的锂离子电池热失控分级抑制进行了研究,他们通过对电池热失控过程中的热参数变化特征进行分析。针对50、100℃两个温度节点，采用石蜡-膨胀石墨-活性炭、聚乙二醇1500-甲基纤维素的两级相变材料，以弧形铝蜂巢板为载体，提出了一种基于相变材料的预防锂离子电池组高温热失控的分级抑制方法。在常温常压条件下，以3节锂离子电池并联短路放电对相变材料的有效性进行测试，与未应用两级相变材料的电池组相比最大温差可达446℃，验证了两级相变材料在抑制锂电池组热失控的有效性。总的来看，相变材料的研究前景广阔。相变材料的种类繁多，可以带来可观的冷却效果，它的布置形式也影响着电池热管理的作用能力。同时相变材料和其他类型热管理形式的结合使用也成为了未来重要的发展方向。1.3基于热管的电池热管理技术由于热管具有质量轻、快速均温等特性，目前广泛应用于微电子器件冷却、军工、航天等行业。同时由于其导热系数高和安装结构紧凑能有效节省空间，近几年也得到了大量电池热管理系统的学者的关注。其大致结构如图1-4所示。图1-4基于热管的电池热管理系统示意图[10]2018年，Feng[11]等人设计了一种热管应变监测组合电池热管理系统。实验中使用应变仪来监测锂离子电池组的应变，热管冷却装置用于降低温度。在稳态和动态放电过程中，电池组的温度有着显著差异，当热管冷却装置嵌入电池组中心时，电池组可以保持其最佳工作温度。在电池组配备热管冷却装置后，放电过程中的应变逐渐降低，并且在充放电循环过程中具有相同的温度变化趋势。此外，该系统具有低功耗的优点。同年，Huang[12]等人研究设计了一种基于热管联合相变材料的圆柱形锂电池热管理系统，它由PCM和热管共同参与冷却。实验中表现出优异的冷却性能，可以有效的保证电池在很长的一段时间内温度平稳的工作。通过不同放电倍率的实验结果表明，热管在快速传导热量和改善基于PCM的电池模块的温度起着非常重要的作用。此外，与液体冷却相结合的热管具有显著的控制温度能力，电池在3C放电倍率期间最高温度将会保持在50℃左右。2019年丹聃[13]等人研究了基于平板热管技术的电池热管理散热系统，平板热管(vaporchamber,VC)是一种基于二维平面传热的高导热元件,与传统热管的一维传热方式相比,可有效解决电池组整体均温问题,并进一步简化系统。平面热管结构原理如图1-5、1-6所示。图1-5平面热管内部结构[13]图1-6平面热管传热原理示意图[13]实验研究表示,在产热功率为25W时,平板热管的扩散热阻为0.044℃/W,等效导热系数为650W/K,随着电池产热功率的增大,平板热管的扩散热阻降低,等效导热系数显著增大。在多热源条件下,其表面的最大温差低于4℃,该结果表明平板热管具有较好的均温性，在电池热管理方面有良好的发展前途。2020年田晟[14]等人对基于正交层次法的锂离子电池热管散热模型进行了数值模拟分析。他们设计了一种锂离子电池热管-铝板嵌合式散热模组，增大了热管与电池的接触面积，强化了换热能力。利用数值模拟和正交试验层次分析等方法研究了影响模组散热性能各因素的具体影响权重，对其进行参数优选。结果表明：各试验方案下电池模组的温差均控制在3℃以内，均温性优异；各因素对最高温度的影响程度依次为：热管冷凝段对流传热系数>热管冷凝段长度>铝板厚度>热管间距；结合层次分析确定最佳参数组合为热管冷凝段对流传热系数25W·m-2·K-1、热管长度117mm、铝板厚度2mm、热管间距20mm，该方案下电池以2C倍率放电至20%模组的最高温度为41.60℃，温差为1.35℃，满足所需的散热要求。1.4基于液体的热管理技术空气的对流换热系数小，其冷却效果并不理想。而液体的换热系数大，是目前主流的电池热管理方式。基于液冷式的BTMS，是近年来EV用锂离子电池换热方式中应用最可靠的一种，可分为常规型和微尺度型等2种。常规型LC-BTMS可分为间冷式LC-BTMS和直冷式LC-BTMS。间冷式LC-BTMS是将流通的液体冷却剂在液体管道／冷却护套／冷板等环绕在锂离子电池模组周围进行间接换热。常用的换热介质主要有水、去离子水、硅基油、乙二醇、聚硅酮、矿物油、丙酮等。冷却效果取决于液体的流动状态、粘度、热导率以及流速等，如聚硅酮电介质流体的冷却效果明显优于同样条件下的空气流体。直冷式LC-BTMS是制冷剂与锂离子电池模组直接进行换热的热管理系统，常用的换热介质有矿物油与丙酮等，其中矿物油的有效传热系数是空气的4倍；直冷式LC—BTMS的温度均衡性较好，温差可精准地控制在1℃以内。冷却液体与外界空气直接进行热量交换的LC-BTMS，称为被动式LC—BTMS，与EV制冷装置进行换热的称为主动式LC-BTMS。与风冷相比，液体冷却具有更高的换热系数，是一种极具吸引力的换热方式。Chen等比较了强制空气冷却、翅片冷却、间接液体冷却和直接液体冷却等4种冷却策略的热工性能。得到采用空气冷却方式所需耗电是其他方式的2-3倍，而与直接冷却相比，间接冷却是一种更好的选择。特斯拉EV采用1：1的乙二醇／水溶液作为ModelS的车载LC-BTMS的冷却介质，并对其进行了全新的结构设计和配套的维护保养策略以满足要求，使得特斯拉EV广受市场好评与消费者的青睐[15]2016年罗玉涛[16]等人研究了锂离子电池组液冷热管理系统的直接接触式方法，实验采用了容量为37A·h的锂电池，采用变压器油为冷却介质对电池组进行直接接触式的冷却方法，并据此建立了系统的热模型。通过仿真试验的方法分析了电池在4C(148A)倍率下放电时系统的散热能力。在仿真过程中发现，3进1出的流道结构对电池组的散热效果很好。在极限工况时，能保证电池的最高温度稳定在34.2℃，同时电池的最大温差也不会超过3.3℃。验证了该方案可行性，但在现有实验条件下，冷却工质温度难以控制的问题还有待解决。。2018年冯能莲[17]等人对新型蜂巢式液冷模块进行了仿真开发.他们基于ANSYSFLUENT平台建立了模块的三维热模型,在对模块的散热结构进行传热特性仿真的同时,利用实验平台对其进行了模型验证;在这些研究的基础上,他们提出通过增设导流板的方式来对液冷散热结构进行改善。后续的研究中，他们对电池模块在不同冷却工质温度、流速条件下的三维温度分布情况进行了定量分析.仿真与实验结果表明了他们建立的电池模块三维热模型的是正确的而且其散热结构也是合理的。实验结果发现冷却工质的流速和温度对电池模块的温度分布有很大的影响，后续实验中应该对其进行合理的控制。2020年冯能莲[28]等人基于2018年的仿真结果为4A·h的21700型锂离子电池研发了蜂巢式液冷电池模块，并通过搭建的试验平台测定其充／放电过程的传热特性。结果表明：在25℃环境温度下，0.5Ｃ恒流恒压充电和1C恒流放电过程中，电池模块的最大温差均被控制在2℃以内；40℃环境温度下，1C恒流放电过程中，当冷却液流量大于1L/min时电池模块的最大温差能保持在所要求的5℃以内。说明蜂巢式液冷电池模块冷却性能优良，可为未来电池热管理方案的设计提供技术支撑。图1-7蜂巢式液冷模块结构示意图[18]2020年李潇[19]等人提出了一种基于对角双向流道结构的液冷板的新型设计方案。仿真结果表明，增加该冷板流道的间距能有效降低电池组间的最高温度和最大温差，当流道间距均匀分布时，散热效果最好。而增大流道宽度虽然能有效降低最高温度但是会最大温差也会随之上升，因此对于宽度需要进行综合权衡。当冷却液流速增加时最高温度明显下降，但是当流速超过某一阈值时，最高温度不再变化。图1-8基于对角双向流道液冷板结构示意图[19]同年邱翔[20]等人对动力锂电池组的液冷散热进行了分析和优化，通过仿真计算结果与实验结果进行对比，发现电池模型具有一定的准确性与适用性。文章用冷却液直接接触的方式进行热管理，通过仿真模拟后，得出在高倍率的放电情况下该冷却方式效果不佳的结论，通过在散热系统外壁增加肋条的方式进行结构优化，发现增加肋条能有效的增大电池表面的努塞尔数，从而降低电池组表面的最高温度和电池之间的最大温差。1.5复合热管理系统2016年，魏增辉[20]等人将相变材料和液冷管路相结合用于LiFeP04电池包热管理系统，研究在相变材料完全融化前，液冷开启时刻对电池温升的影响；同时研究了不同冷却液流速对电池温升的影响。结果表明：在相变材料相变结束时，冷却液开启时刻越早。电池温降的斜率越小；随着冷却液流速的增加。电池的温升及温差逐渐减小。图1-9是一种结合了相变、热管、风冷的复合散热系统，系统中电池的热量首先被被相变材料吸收，然后由相变材料中的热管又将其导出，最后在热管的冷端采用强制风冷进行散热，实验结果表明这种复合电池热管理系统对电池组的温度和温差的控制效果良好。图1-9相变-热管-风冷复合热管理系统示意图[21]2017年，Wu[22]等人提出了一种基于热管辅助相变材料的电池热管理系统。与其他系统相比，这个系统具有更好的散热性能。从实际应用的角度上来讲，这种系统结构紧凑，便于安装。实验结果表明，热管辅助的基于PCM的电池热管理系统对于混合动力车是有效且可行的。对于使用PCM和热管的热管理系统，在高放电倍率下可以带来显著的冷却效果。此外，通过使用PCM可以改善电池模块的温度均匀性，在此基础上使用热管时，这一效果将变得更加明显。2018年，江振文[23]等人设计了基于相变材料和水冷组合的热管理系统，研究了PCM已经在电池放电过程中吸收了热量后，如何进一步强化其吸热能力。实验研究了在改变外界条件下，水冷系统对PCM吸热能力的作用效果。结果表明，冷却液可以吸收并导出PCM所吸收的热量，使PCM可以进一步吸热，优化了电池热管理系统。此外，随着相变材料厚度的增加，它的散热效果将会被削弱，影响到了PCM内部的温度均匀性。江振文[23]等人主要研究了用于锂离子热管理的PCM复合材料的性能优化。该相变材料由PCM和膨胀石墨组成，多孔膨胀石墨中吸收了部分石蜡。实验使用的PCM复合材料的熔点在41.6℃到44.7℃之内，让磷酸铁锂电池在5℃的环境温度下放电。结果表明，PCM复合材料可以使电池的最高温度降低10℃。2019年，Jiang[24]等人对相变材料和热管复合热管理系统进行了综合研究。他们组装了包括电池、相变材料和热管组成的的热管理系统。通过实验研究热管和相变材料复合材料对电池温度的影响。建立集总模型分析电池产热、相变材料熔化和热管瞬态热响应的耦合。在不同的环境温度、冷凝段的传热系数、相变材料和电池的厚度比下，总结电池温度和相变过程的潜在耦合机制。利用热管在每个循环结束时恢复相变材料的潜热，以确保电池可以在较低温度下进行长时间循环。结果表明，应该优选相变温度比环境温度高至少3℃的相变材料，以保持每个循环中相变材料的潜热完全恢复。热管冷凝段的传热系数建议在给定区域（30-60W/m2•k）下运行，厚度比约为0.17。根据推荐的相变温度、冷凝段的传热系数和厚度比确定实验工况，可以同时保证电池长时间的安全性、较低的能耗和足够大的能量密度。2020年张江云[25]等人研究了将相变材料/导热翅片复合热管理系统应用于三元锂离子电池模组上的效果。结果表明,无论室温/高温环境条件恒定倍率放电和大电流充放电循环工况,相变材料/导热翅片电池组通过对电池组侧面和正负极处进行强化传热,具有明显有效的降温和均衡温度的能力,可以实现电池组最高温度的快速降低,并维持电池模组最高温差在5℃以内,满足动力电池模组的散热需求。1.6锂离子电池热管理技术中存在的一些问题从各类文献中可以看到，虽然目前学者们对锂离子电池的热管理技术做了很多改进和研究，但是目前仍然存在一些不足之处：（1）不同于以往的以水为主的单相介质进行制冷实验，目前出现了一以些乙二醇等作为冷却工质的两相介质制冷实验，但是这类实验还比较少，存在着广泛的发展空间。选用沸点在电池工作范围内的工质，可以有效的减少功率损耗提高制冷效果。（2）实验中对单体电池的温度分布分析不够具体，模块内时常出现温度分布不均匀的现象，电池的温度会影响电池性能，温度分布不均匀会导致电池单体间的性能差异，从而埋下安全隐患。（3）现有实验中大多数的热管理系统的设计并未与电池的产热特性进行匹配。导致系统结构不够简洁，散热效果未达到应有的水准。了解电池的产热特性，依据产热特性进行热管理系统设计能有效简化系统结构，提高系统散热效果。（4）目前大多数研究是基于计算机仿真进行的，对外部因素的影响研究的还不够广泛，比如工质种类、环境温度、质量流量、电池工况等，这些因素在实际实验过程中会对实验结果产生比较重要的影响。参考文献[1]周嫣.锂离子动力电池热管理系统的研究[J].电子测试,2020,No.437(08):79-81.[2]GGI:2020上半年国内电动汽车起火事故盘点./article/1245926.html.[3]李子敬.电池包热管理系统的三种温控技术[J].汽车维修与保养,2019,000(002):70-70.[4]李康靖,谭晓军,褚燕燕,等.风冷式车用锂离子动力电池包热管理研究[J].电源技术,2019(12).[5]王天波,陈茜,张兰春,等.电动汽车锂离子电池风冷散热结构优化设计[J].电源技术,2020,v.44;No.354(03):73-78.[6]李军,李庆彪,黄际伟,等.基于相变材料的锂离子电池组热管理研究进展[J].电源技术,2014,38(009):1762-1764.[7]YanJ,WangQ,LiK,etal.Numericalstudyonthethermalperformanceofacompositeboardinbatterythermalmanagementsystem[J].AppliedThermalEngineering,2016,106:131-140.[8]WengJ,YangX,ZhangG,etal.Optimizationofthedetailedfactorsinaphase-change-materialmoduleforbatterythermalmanagement[J].InternationalJournalofHeatandMassTransfer,2019,138(AUG.):126-134.[9]周钰鑫,王志荣,郭品坤,等.基于相变材料的锂离子电池热失控分级抑制[J].消防科学与技术,2020(4).[10]丹聃,姚程宁,张扬军,等.基于热管技术的动力电池热管理系统研究现状及展望[J].科学通报,2019,64(7):682-693.[11]FengL,ZhouS,LiY,etal.Experimentalinvestigationofthermalandstrainmanagementforlithium-ionbatterypackinheatpipecooling[J].JournalofEnergyStorage,2018,16:84-92.[12]HuangQ,LiX,ZhangG,etal.Experimentalinvestigationofthethermalperformanceofheatpipeassistedphasechangematerialforbatterythermalmanagementsystem[J].AppliedThermalEngineering,2018,141:S1359431118326085-.[13]丹聃,连红奎,张扬军,等.基于平板热管技术的电池热管理系统实验研究[J].中国科学（技术科学）,2019,49(9):1023-1030.[14]田晟,肖佳将.基于正交层次法的锂离子电池热管散热模组数值模拟分析[J].化工学报,2020,71(8):3510-3517.[15]王振,李保国,罗权权,等.电动汽车锂离子电池热管理系统研究进展[J].包装工程,2020,41(15):232-238.[16]罗玉涛,罗卜尔思,郎春艳.锂离子动力电池组的直接接触液体冷却方法研究.汽车工程,2016