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随着国际市场对化石能源的消耗日益增加，为了解决环境恶化的问题，世界各国不断调整相应的能源结构，以期改变对化石能源的依赖，其中电动汽车的推广成为重要的组成部分，与传统汽车相比，电动汽车具有节能环保、能量利用率高等特点。如果电动汽车能够得到大力推广与使用，将极大地缓解当今日益突出的能源问题。
自上世纪90年代起，为了抢占市场国外许多汽车企业在电动车的研发和推广过程中投入了大量的资源。世界各国政府也相继出台了相应的政策扶持电动汽车市场的发展，比如美国主要采取的措施：新一代的汽车伙伴关系计划；自由汽车合作伙伴计划。日本主要采取的措施：着力研发低排放量的汽车；日本氢能和燃料电池示范工程。欧盟主要采取的措施：着力研发电动汽车的燃料电池的关键技术；燃料电池发展示范计划；燃料电池公共汽车示范项目；电动汽车的城市分布系统方案。中国主要采取的措施：电动汽车、燃料电池汽车以及中国863电动汽车研发计划；中国973电动汽车专项规划。
当前电动汽车主要分为3种类型：燃料电池汽车、纯电动汽车以及混合动力汽车。其中燃料电池汽车主要以氢燃料电池为主，其发展主要受到储氢材料的制约。混合动力汽车的发展前景并不明朗，目前发展较快的主要是以锂电池为动力源的纯电动汽车。然而在锂电池电动汽车迅猛发展的今天，随着市场上纯电动汽车保有量的不断增加，锂电池的热安全问题逐渐限制纯电动汽车的发展。
动力电池是电动汽车的基础，其热特性是影响电池安全、寿命和使用安全的重要因素。在使用过程中，伴随着能量的交换和转移，电池组自身也产生热效应，这种热效应如果没有进行合理的控制，容易造成产热不均、温度分配不均、电池间温差较大等问题。长此以往，必然会导致部分电池系统的充放电性能、容量和使用寿命等下降，从而影响电力驱动系统的性能，严重时甚至会引发热失控危害驾驶人的生命安全。
那么温度对锂电池究竟有着怎样的影响呢？根据相关资料，温度对锂离子电池的影响主要集中在以下几个方面：
1.容量衰减，温度的变化直接影响锂电池内部材料的性质和结构，进而影响锂电池容量的变化；温度越高内部材料的临界失效越严重，电池的容量衰减也越快。
2.热失控，在锂电池工作过程中因为锂电池自身的热阻效应，会产生发热现象，如果不能很好的对这种热效应进行处理，大量热量会积聚在电池内部，诱发有害化学反应的增加，进而引起连锁反应使电池的发热现象失去控制，严重时会引起电池鼓包甚至爆炸。
3.低温特性，低温状态下，锂电池内部的导电介质受到影响，其导电能力受到削弱，放电过程中电极两端的能量交换效率降低而充电过程中的效率受低温的影响并不十分明显，因此会产生过充现象导致电极附近出现锂枝晶现象，进而影响锂电池的各项性能指标，严重时甚至刺破隔膜造成短路引起火灾或爆炸。
锂离子电池的最佳温度区间、工作温度区间和可承受温度区间分别为10～35℃、-20～45℃和-40℃～60℃。10～35℃这一温度区间为锂电池的理想工作状态。在-20～45℃区间内锂电池寿命衰减较小，仍能够正常工作。然而，当温度在-20～-40℃内时，电解液可能会凝固，阻碍锂离子的流动，导致阻抗增加，电池容量明显下降。当温度超过60℃时，锂离子的化学特性开始变得越来越不稳定，电池内部有害化学反应速率较高，可能会破坏电池，严重时会发生事故。
锂离子电池3类工作温度
为了使锂电池电动汽车的安全性得到充分的保障，如何对锂电池热效应进行有效的控制成为一个不可忽视的问题。在探索如何处理锂电池热效应的过程中，科研工作者和工程师们不断贡献自己的智慧，开拓出多种多样的方式。
如何对锂电池进行有效的热控制呢？总体的思路是从源头开始，贯穿整个产业链，在每个细节都尝试进行控制。从电池机理上入手的探索思路是开发新的电极材料和介质材料，使用更高效、稳定的材料进行锂电池的生产开发，从源头保证锂电池的安全应用。然而当前的科研工作还不能很好的满足生产生活需要，如何在现有的产业基础上对锂电池进行安全优化便成为焦点。
目前主流的锂电池热管控方式主要分为以下几种：空气冷却、液体冷却、热管冷却、基于相变材料的冷却方式。这四种锂电池的热管控方式各有特点。
典型热管控技术的特点
空气冷却主要是以空气为介质进行热交换，通过空气的流通来对发热的锂电池组进行降温处理，根据空气流动的方向和制冷结构布局，可以将空气冷却方式简单的分为串行和并行两种冷却方式。按照空气的驱动方式又可以分为自然通风和强制通风。空气冷却的热控制方式具有结构简单、轻便、寿命长、可靠性高、成本低等特点，然而空气的比热容较低，空气冷却难以处理大量的热量，因此其应用具有一定的局限。早期的电动汽车多选用这种技术。
液体冷却是以液体作为导热介质进行的热量控制方式。根据是否与电池接触，可以分为非接触式和非接触式；根据液体流动的驱动方式可以分为主动式冷却和被动式冷却；根据液体的流动通道又可以分为管式液冷、板式液冷。与空气冷却的方式相比，液冷系统的结构复杂、成本较高。但是相交于空气，液体导热介质的比热容有着更大的调整空间，其散热效率和散热速度也更可观。目前电动汽车主要应用液体冷却系统来进行锂电池热管控。
主动式液体冷却方式
被动式常规液体冷却方式
板式液体冷却方式
热管冷却的冷却模式类似于空调的制冷机理，按照其传热机理可以将制冷系统分割为蒸发端、绝热端和冷凝端三个部分。在冷却过程中主要依靠冷却介质发生相变来实现换热过程，相较于液冷系统热管冷却具有更高的散热效率和散热速度。同时因为冷却介质密封于密闭空间，降低了导热介质泄漏的风险，热管具有更高的安全性。然而热管制冷的成本较高，性价比较低，比较适合应用于经常工作在高倍率工况的锂电系统。
基于相变材料的冷却体系是指利用在特定温度下发生相变吸收或释放能量的材料，通过材料的热量变化来保持锂电池系统维持在一个适宜的温度区间。相变冷却具有结构紧凑、接触热阻低、冷却效果好等优点，然而相变材料吸收的热量需要依靠液冷系统、风冷系统、空调系统等导出，否则相变材料无法持续吸收热量导致失效。此外，相变材料占空间，成本高。因此，相变冷却技术多和其它热管理技术结合起来使用，能起到均匀电池温度分布、降低接触热阻以及提高散热速度等作用。
在锂电池的热管控探索中，除了从电池材料到导热方式的革新之外，还应该有一套维持电动车所有蓄电池组件的工作，并使其处于最佳状态；采集车辆的各个子系统的运行数据，进行监控和诊断；控制充电方式和提供剩余能量显示等职责的能量管理系统。因此，研究新的动力传动配置和控制器以及更具有通用性的能量管理系统已经成为目前的发展方向。
参考资料：
钟国彬，大容量离子电池储能系统的热管理技术现状分析
杨洋，纯电动汽车锂离子电池组液冷散热系统研究
许志龙，电动汽车动力电池的发展与温度管理现状研究
刘卓然，国内电动汽车发展现状与趋势
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液冷与风冷相结合的新型锂离子电池模组热管理系统来源 | Applied Thermal Engineering
01
背景介绍
交通运输业长期以来被视为全球温室气体排放的主要来源和可持续能源未来发展的障碍。电动汽车具有能源利用效率高、污染物排放少等优点，是传统内燃机汽车的有效替代品。锂离子电池作为一种能量存储单元，被广泛用作电动汽车的动力源，以实现快速加速和长里程的目标。
锂离子电池的性能、寿命和安全性与其工作温度密切相关。锂离子电池的合适工作温度范围在20℃至40℃之间，电池组的最大温差应在5℃以内。在低温下，由于电化学反应速率降低和副反应（例如镀锂），锂离子电池的性能显著恶化。在正常工作条件下，由于电化学反应和欧姆电阻，电池内部会产生大量热量,如果热量不及时散去，电池温度会持续升高，引发电池组件的分解反应，甚至导致热失控，从而引起电池起火或爆炸。因此，电池热管理系统（BTMS）对于电池组保持电池温度在所需范围内至关重要。
02
成果掠影
近期，江苏大学环境与安全工程学院陈明毅教授团队开发了一种新型混合电池热管理系统，将直接液体冷却与强制空气冷却相结合。
电池外部设计有夹套，电池壳与夹套之间填充液态冷却剂，形成直接冷却效果。通过数值模拟分析电池与液冷套之间的间隙间距、冷却管路数量、液体流速和风扇位置对冷却效果的影响，以优化设计。研究结果表明，当前热管理系统的最佳配置是电池与液冷夹套之间的间距为5mm、双管道液冷结构以及液体冷却剂和空气平行流动，液体最佳流速为0.002 kg/s，空气流速应小于0.4 m/s，以节省所需能量。该电池热管理系统在电池4C放电倍率下获得了良好的散热效果。BTMS的新颖之处在于其冷却效率高，可用于在高速率工况下冷却电池组。直接液冷方式具有灭火功能，有利于电动车火灾的预防。
研究成果以“A novel thermal management system for lithium-ion battery modules combining direct liquid-cooling with forced air-cooling”为题发表于《Applied Thermal Engineering》。
03
图文导读
图1 电池冷却方法总结
图2 空气强制冷却和直接液冷系统
图3 热管理系统的几何形状和网格划分
图4 网格测试结果
图5 间隙间距为x = 3 mm和˙m=0.001kg/s的直接液体冷却方法的冷却效果
图6 不同液体流速下直冷结构的热管理性能
图7 四种不同的液冷和空冷耦合结构
END
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