作者：

刘小杰1 ,张 英1 ,刘 洋2 ,李 琪1? 

(1. 武汉理工大学安全科学与应急管理学院,湖北 武汉 430070; 2. 武汉电力职业技术学院电力工程系,湖北 武汉 430074) 

摘要:

锂离子电池对温度较敏感,在不同温度下会发生复杂的电化学反应。 温度过高或过低均可能引起电池性能衰减,甚 至诱发热失控,需要引入热管理系统控制电池温度,改善模块温度均匀性。 根据传热介质的不同,将热管理技术分为风冷、 相变材料、液冷和热管,分析各技术在应用中的优缺点和改进策略。 从成本、控温效果和持续性等方面,对各技术进行多角 度的综合性分析和评价,以明确适用范围。 对多种技术相结合的耦合式系统进行可行性分析。 

关键词:

锂离子电池; 热管理; 相变材料; 耦合式系统; 风冷; 液冷; 热管 

中图分类号:TM912. 9 文献标志码:A 文章编号:1001-1579(2022)02-0208-05

A review on thermal management system for Li-ion battery 

LIU Xiao-jie 1 ,ZHANG Ying 1 ,LIU Yang 2 ,LI Qi 1? 

(1. School of Safety Science and Emergency Management,Wuhan University of Technology,Wuhan,Hubei 430070,China; 2. Department of Electrical Engineering,Wuhan Electric Power Vocational and Technical College,Wuhan,Hubei 430074,China) 

Abstract:

Li-ion battery was sensitive to temperature because complex electrochemical reactions would occur at different temperatures. Both high and low temperature might degrade battery performance and even caused thermal runaway. Thermal management system was required to control the battery temperature and improve the temperature uniformity of the module. According to the different heat transfer medium,the thermal management technology was divided into air cooling,phase change material,liquid cooling and heat pipe. The advantages, disadvantages and improvement methods of these technologies in application were analyzed. Various technologies were comprehensively analyzed and evaluated from multiple perspectives in terms of cost,temperature control effect and sustainability,so as to clarify the scope of application of each technology. The feasibility analysis of the coupling system combine with a variety of technologies was carried out. 

Key words:

Li-ion battery; thermal management; phase change material; coupled system; air cooling; liquid cooling; heat pipe

锂离子电池的理想工作温度为 25~ 40 ℃ ,电池模组内的 最大温差应低于 5 ℃ [1] 。 温度过高会加快固体电解质相界 面(SEI)膜的分解,造成热失控隐患;而低温会增加电解液的 黏度,影响电池充放电性能,还会加快锂沉积反应速率,形成 镀锂层或锂枝晶。 此外,模组温度梯度过大,会导致单体电 池之间放电性能的差异,影响模组的整体放电性能[2] 。 需要 设计一种较好的热管理系统,以维持电池的温度及均匀性。 根据是否有额外能源消耗,热管理技术可分为被动技术和主动技术。 根据传热介质不同,热管理技术可进一步细分 为风冷、相变材料、液冷和热管[3-5] 。 许多学者都对锂离子电 池热管理技术的研究进展进行了回顾和探讨[3-8] ,但鲜有文 献从各类技术的特点出发,根据成本、适用范围和控温效果 等因素,进行多方面的综合评价,并在此基础上分析各类技 术之间的兼容性,以及结合多种技术形成耦合系统的可行性。 各类技术拥有不同特点,且与不同类型电池间的契合度 不同,因此应根据电池模组的实际需求和几何形状,设计相 应的热管理系统。 此外,随着电池能量密度的增加,模组热 积蓄问题愈加严峻,仅采用一种技术很难同时保证模组温度 及均匀性,结合多种技术的耦合式系统成为研究热点。 有必 要在分析各类技术特点及兼容性的基础上,对各种形式的耦 合系统进行深入研究,以促进锂离子电池的安全发展。 本文作者首先对锂离子电池的产热机理进行分析,再总 结几种锂离子电池热管理系统,展望今后的研究方向。

1 锂离子电池产热机理分析 

锂离子电池工作时产生的热量可分为 4 个部分:反应 热、欧姆热、极化热和副反应热[9] 。 反应热是电池内部发生 电化学反应时,Li +转移生成的热量;欧姆热是电池欧姆内阻 产生的热量;极化热是电池极化效应产生的热量,计算时,通 常假设为存在一个极化内阻,以产生的热量等价替代[10] ;副 反应热是电池自放电等副反应所产生的热量,一般很小,可 以忽略不计[11] 。 目前常用的电池产热计算方法是 D. Bernardi 等[12] 提出 的电池产热速率模型:

式(1) 中: dEoc dT 为电池升温系数,mV/ K;I(Eoc -E) 和 IT dToc dT 分别表示电池的可逆热和不可逆热。

2 锂离子电池热管理系统 

热管理研究中比较常见的技术包括风冷、相变材料、液 冷和热管[3-5] ,技术的特征和性能列于表 1。

表 1 不同热管理技术的特征和性能 Table 1 Characteristics and performance of different thermal management technologies

2. 1 风冷技术 

风冷根据驱动方式可分为自然对流风冷和强制对流风 冷。 在实际应用时,锂离子电池以并联或串联的形式封装在 电池盒中,自然对流的方式很难及时散热。 K. H. Yu 等[13] 提 出一种交错式的电池组排列方式,并比较自然对流和强制对 流两种情况下,电池放电过程中的温度变化。 自然对流无法 满足电池散热需求,而强制风冷可将电池温度控制在理想范 围内。

强制风冷作为一种成熟的主动式冷却技术,利用风扇 来驱动空气进行循环冷却,可以在电池低充放电倍率运行时 进行降温,已经投入商业应用,如应用于本田 Insight 和丰田 C-HR 电动车。 由于空气导热系数较低,风冷系统需要搭建 通风管道,导致风机能耗高,且噪音较大。 

改善风冷系统散热效果的办法,按照原理可以分为 3 种: ①优化电池组布局;②提高传热介质导热率,如利用雾化方 式形成细液雾,以增大空气传热特性[14] ;③优化通风路线。 A. A. Pesaran [1]利用 Fluent 软件分析了串联和并联两种排风 设置对电池冷却效果的影响。 在串联方案中,电池组两侧最 大温度差达到 18 ℃ ;在并联方案中降至 8 ℃ 。 尽管这些优 化方法在一定程度上提高了风冷系统的冷却效率,但风冷系 统依旧无法满足电池在高放电倍率下的散热需求[15] 。 

2. 2 相变材料 

相变材料利用相变潜热实现废热回收,被广泛应用于储 能和建筑保温行业,近年来作为一种无源热管理技术发展迅 速。 与有源热管理技术相比,相变材料无需外部能源驱动, 可吸收电池废热并在低温环境下实现电池预热,研究前景较 好。 相变材料主要分为 3 类:有机化合物(石蜡、脂肪酸和月 桂酸等)、无机化合物(水合盐、金属化合物等) 和低共熔混 合物[16] 。 

相变材料的选择条件为:首先,材料的相变温度范 围应在锂离子电池的理想工作温度范围内;其次,材料应具 有高潜热、相变过程中体积变化小和高循环稳定性,不会出 现明显过冷和相分离的现象;此外,应难燃且无毒[17] 。 石蜡可满足以上需求,成为热门研究材料,但是纯石蜡存在一些 缺陷,因此基于相变材料的热管理系统仅处于实验室研究阶 段。 纯石蜡的应用限制有:①导热系数低,过低的导热系数(0. 10~ 0. 25 W/ m·K)导致有效传热厚度小;②泄漏,石蜡发 生固液相变后存在泄漏风险;③饱和失效,材料全部发生相 变后,无法及时恢复至固态,导致热管理系统失效;④高温失 效,当环境温度高于相变温度时,相变材料完全失效。 针对石蜡导热系数低和泄漏的问题,一些文献提出向纯 石蜡中添加膨胀石墨、热塑性材料作为支撑材料,以避免液 态石蜡泄漏,如添加纳米银/ 铜、碳纳米管和碳纤维板等改性 材料,提高相变材料的导热系数[18-22] 。 还有研究者将金属 翅片和金属泡沫加入到相变材料中,以期提高石蜡的导热系 数[23-24] 。部分复合相变材料的热物性列于表 2。 

表 2 部分复合相变材料的热物性

Table 2 Thermal physical properties of some composite phase change materials

向材料中添加金属或石墨烯,可提高相变材料的导热系 数,但从微观角度来看,颗粒无规律分布在相变材料中,提升 效果有限,很难突破 5 W/ (m·K)。 随着固-液相变循环次数 的增加,复合材料的结构逐渐不稳定,松散的高导电性材料 使电池模块存在外短路风险。 金属泡沫可提高相变材料的 导热系数,但使电池模块质量成倍增大。 此外,金属泡沫很 难避免材料泄漏。 在相变材料内部构建三维导热网络结构, 可以提高复合相变材料的导热系数,并利用微观空隙的毛细 作用来吸附液相材料,以防止泄漏和变形[21] 。 除利用低熔 点(30~ 45 ℃ )有机相变材料控制电池温度外,一些研究尝试 采用高熔点(60 ℃以上)无机相变材料抑制电池组中的热失 控传播。 G. Yana 等[27]对电池组进行针刺以施加机械滥用, 并使用 MgCl 2·6H2O、Mg(NO3 )2·6H2O 和石墨矩阵混合物抑 制热失控传播,发现无机相变材料能抑制热失控的传播。 在 高温环境下,相变材料会因提前达到相变温度而失效,因此, 将复合材料与其他热管理技术耦合的混合系统,逐渐成为研 究热点。 Z. Y. Ling 等[30] 设计了由相变材料、热管和喷淋系 统耦合而成的混合热管理系统,发现在低温( - 10 ℃ ) 环境 下,相变材料能将电池温度保持在 0 ℃超过 6 h,从而在一定 程度上避免冷启动,但仍无法完全满足电池预热的需求。 随 着复合相变材料导热系数的提高,低温对电池的影响更明 显。 仅利用相变材料废热再利用的特点,很难完全解决电池 冷启动的问题,因此,耦合系统还需要进一步研究。 

2. 3 液冷技术

液冷技术可分为直接接触式和间接接触式。 直接接触 式是将电池组浸泡在工程冷却液中,利用工程液体液-气相 变的潜热吸收电池热量[28] 。 将电池组浸泡在冷却液中,可 以提高电池表面的换热面积,具有较好的温度均匀性;但冷 却液存在泄漏的风险,工艺要求和成本费用较高。 

间接接触式液冷采用泵送循环系统驱动冷却液流过电 池表面的液冷管或冷板的内部通道,利用强制对流换热的方 式对电池进行散热或加热。 液冷循环系统所用的冷却液通 常为水、矿物油或水/ 乙二醇混合物。 这些冷却液主要是利用显热来吸收热量,因此储能密度偏低,需要较高的泵输送 功率,方能满足锂离子电池在高放电倍率下的冷却需求。 T. Amalesh 等[31]通过实验发现,冷板进出口之间温差较大。 J. H. Cao 等[32]通过实验发现,冷板入口处温度过低会导致电 池组温度均匀性变差。 为了更好地改善液冷系统的冷却效率 和温度均匀性,人们提出了各种改进方法,如:研究冷却液、 优化通道设计、研究液冷技术和耦合其他冷却技术等。 

为了提高液冷系统的冷却性能且不增大输送能耗,需要 使用高比热容、低黏度的冷却液。 H. Q. Liu 等[33-34]向相变材 料中添加碳纳米管,增强纳米乳液的导热性,研究乳液对 18650 型电池的散热效果,但发现碳纳米管会大幅度增加冷 却液的黏度。 

许多研究针对液冷系统的结构进行优化,以增强冷却效 果。 Y. T. Huo 等[26]设计了一种微通道冷板并建立电池模块 的三维热模型,分析通道数量、流动方向、进口质量流量和环 境温度对放电过程中电池温升和均匀性的影响。 模拟结果 显示,冷板的冷却性能随着进口质量流量的增大而上升,但 存在流量饱和值,因此液冷系统流量过大时,不但会增加泵 送功率消耗,而且提升效果有限。 T. Amalesh 等[31] 设计了不 同通道内壁形状的冷板,并利用 Fluent 软件模拟研究内部流 体状态对冷板效果的影响,发现锯齿形 D6 和圆形槽通道 D7 中冷却液的边界层更薄,冷却性能更好。

为应对电池高放电倍率时的产热问题,需要提高泵输送 功率。 这不但会加大输送能耗,而且无法保障电池表面温度 分布的均匀性。 可将其他冷却技术与液冷技术相耦合,形成 耦合式液冷系统,以满足电池高放电倍率时的散热需求。 A. Mohsen 等[35]提出了一种填充式液冷板,并结合三维(3D) 模型对冷板的性能进行研究。 实验结果显示,混合液冷板比 同体积的传统铝冷板轻 36%,在同等冷却效果下,泵送能耗 降低了约 30%。 耦合系统可以发挥各种技术的优势,提高系 统的轻便性,但有些耦合系统制作技术要求较高,进而提高 了系统成本。 在研究高效、低成本的耦合系统时,应考虑各 技术的特点和相容性。

2. 4 热管 

热管是一种无源传热装置,由管壳、毛细网状的吸液芯 和传热工质组成,具有高导热率和低成本等优点。 与传统的 液冷系统相比,热管不消耗额外能源,结构简单且成本低。 此外,热管可基于电池表面温度分布进行针对性降温,使电 池温度分布更均匀,也能根据电池几何形状设计多热管板状 结构。 A. Greco 等[36]基于热回路法和 Fluent 软件建立热管 均温板模型,提出一种适用于方形电池的热管冷却系统,并 对有效性进行分析。 H. Behi 等[37] 设计了扁平热管,对 8 C 放电的方形单体 LiCoO2 锂离子电池进行冷却,并使用 COMSOL 软件模拟电池组的充放电过程。 实验结果表明:单根热 管可满足电池 29. 1%的所需散热效率。 模拟结果显示,放电 结束时,空气冷却、液体冷却和热管冷却的电池的最高温度 分别为 56. 7 ℃ 、39. 7 ℃和 38. 2 ℃ 。 热管可实现热管理系统 低能耗化,但也会增大电池组的整体体积,而且无法实现电 池预热。 基于热管高导热系数的特点,结合相变材料,开发 适用于低散热需求的无能耗热管理系统,或将热管与风冷或 液冷相耦合以提高有源冷却技术的冷却效率等方案,都有一 定的研究意义。

3 结论 

锂离子电池工作性能对温度较敏感,开发热管理系统是 当前的必要之举。 热管理技术主要分为风冷、液冷、相变材 料和热管等。 相变材料和热管具有无能耗的特点,可以降低 热管理系统的运行成本。 相变材料持续性能差,且在高温环 境下会失效,而热管导热效果依赖于冷热两端的温差,因此 这两种技术都无法满足高温环境或高产热情况下的散热需 求。 风冷和液冷技术需要消耗外部能源驱动风扇或泵循环 系统输送传热介质,持续性能强且可控程度高。 风冷技术的 散热效果有限,无法满足高散热需求;液冷系统散热效率高, 但无法维持电池组的温度均匀性。 在设计热管理系统时,应 根据各技术的优缺点、适用范围和兼容性,将部分技术耦合 为高性能的混合热管理系统。 今后的研究需要对电动汽车电池的热行为进行分析,并 在系统层面采取更安全的电池设计。 对于不同的温度条件, 制定针对性的热失控预防策略。 在低温环境下,对锂离子电 池施加加热或保温措施,以防止析锂和锂枝晶现象;在常温 和高温环境下,需要对电池进行高效冷却,以降低热量积蓄, 防止热失控。 基于不同的应用需求,选择合适的热管理技 术,可保证电池热安全。 考虑到电池发生热失控时外部供能 系统的局限性,以及高倍率放电下的剧烈产热,应该进一步 研究无源技术(相变材料、热管等)和有源技术(液冷系统) 的耦合系统。 此外,在研究电池热失控特征温度和其他特征 参数的基础上,可以建立神经网络模型或电化学-热模型,预 测电池实际应用中可能出现的热风险问题,依据电池实际应 用需要和模型预测结果,建立合适的热管理系统,以保障电 池的安全运行。 随着电动汽车节能高效性的不断提高,动力 电池热管理系统中的热收集、热回收等问题,也是未来要讨 论的方向。

2022年4月发布于《电池》