来源： GARY S. VASILASH SAE International
图为博世的热管理单元。元件的整合与封装很重要，但对各种热管理需求做出快速反应的能力也同样重要。 (博世)
和人类一样，电池也喜欢在室温环境下工作。热管理系统不仅能保证这一点，还能最大限度提升效率。
通用汽车在首次公开2025款凯迪拉克Escalade IQ——搭载200 kWh以上的24模块Ultium电池包、预计续航里程为450英里（724公里）、最大输出功率为750hp的SUV——时列举了该车的一系列特色技术，如基于高通骁龙平台的55英寸LED显示屏，以及可将转弯半径减少6.5英尺以上（至39英尺4英寸）的四驱系统等。
但其中有一项技术对于这辆预计售价高达13万美元的奢华电动汽车而言似乎平平无奇，那就是热泵。
Escalade IQ搭载了通用的Ultium能量回收系统，其功能是允许“热量在电池/动力电子系统和车厢之间转移。”开发Ultium能量回收系统的初衷是为了“最大限度利用每瓦功率，优化续航里程，并尽可能减少用于五种地区气候控制的高压电池的能耗。”
当凯迪拉克推出2025款Escalade IQ时，它不仅强调了其最新电动汽车中的各种客户舒适性和技术，还呼吁人们关注基于热泵的热管理系统，该系统有助于优化能源使用。 （凯迪拉克）
换言之：杜绝浪费Escalade IQ的驱动能量，并同时确保车厢的最大舒适度。Ultium能量回收项目经理Lawrence Ziehr解释了必须将Ultium电池包的工作温度维持在最佳区间内的原因：“冷却的最大挑战在于使整个电池包均衡冷却。我们通过将电芯与一个常规热交换器连接，使热流均衡地流经电池包模块。我们将整个电池包的冷却和加热视为优先任务，只有实现这一点才能最大限度利用功率，同时保证汽车的性能和续航。”
为此，Ziehr补充道：“我们在系统与制冷器及热泵的连接处进行了大量冷却工作，成功使电池降至环境温度以下。”搭载Ultium系统的所有通用车型都采用了该方案。
汽车的核心
美国Vitesco技术公司北美电驱系统业务部主任Jason McClymont指出，“热管理现已成为汽车的核心。没有热管理，电动汽车的其他部件便难以在理想状态下工作。”
其同事Gerhard Eser是公司的热管理首席专家，他进一步指出：“在电动车中，我们用于加热和冷却的唯一能量基本都来自于电池。”
车主最关心的当然是如何实现最大续航。但这牵涉到其他许多问题，比如车厢温度不宜太冷或太热，还有电池温度必须控制在最佳工作范围内。正如博世马萨诸塞省Waltham工厂工程主管Andreas Douglas所说的，“和人类一样，电池也喜欢在室温环境下工作。所以我们希望电池处于舒适的状态，否则它的效率就会大打折扣。”
这意味着被Douglas称为“一切功能的基础”的热管理在电动汽车中扮演着多个重要角色——从维持车厢舒适到满足电池及相关车载电子系统的热需求。
智能技术
在此背景下，工程师必须开发出Douglas所称的“智能技术”。对于传统油车，内燃机产生的废热可以用于冬季的车厢供暖。但夏季的情况则截然不同。“空调永远需要依赖发动机，”博格华纳首席技术官Harry Husted表示。“当汽车处于空转状态下，如果空调压缩机突然启动，那么发动机就必须泵入额外燃料，以产生旋转空调压缩机的扭矩。”
博格华纳800v高压冷却液加热器。这是一款紧凑型装置，采用厚膜加热和钎焊铝翅片技术，便于快速充电应用的热传递。
通常这部分燃料不会被视为巨大的损耗。但对于电动车，正如Husted指出的，车主通常希望车辆在充满电后能达到厂商宣称的最大续航里程。但实际上，对电池的需求不仅仅只有产生推进扭矩所需的能耗。
这意味着必须开发出可将推进之外的电池能耗降至最低、并将任何废热加以高效利用的技术。“分给其他功能的电量越高，用于推进的电量就越低，” Vitesco的Eser表示。“这就是为什么我们必须将系统中的所有废弃能量，即来自于电机、电池和电子系统的废弃能量连接并汇总起来。而电动车和内燃机的最大区别在于，我们必须更加谨慎地对待宝贵的能量。”
博世的Douglas表示，虽然内燃机“各部件的热管理都是分别考虑的”，但博世对电动车“采用了全局性的思考方式：我们研究各个子系统的需求，从而开发出让能量在其间高效转移的产品和技术。”换言之，他们开发的系统可以确定哪个子系统存在热能需求或余热，并相应地将热能转移过去或提取出来。
不仅如此，博世还研究了如何充分利用环境温度。博格华纳的Husted举了个例子：“当你想冷却电池包时，如果电池包的温度高于周围温度，那么你就可以通过周围空气将冷却液冷却。”
Douglas表示博世甚至还在考虑将太阳能用作辅助能源。
“封装”带来的挑战
然而，这些电动车的热管理系统都面临着一个制约因素：封装。
Douglas表示电动车的封装是一个关键的性能指标。“想想前置行李箱。”尽管由于移除了巨大的发动机，电动车前盖下方的空间比燃油车宽裕不少，但那里依然有动力电子系统、逆变器、电机等设备。因此热管理系统依然需要相对紧凑。
回到之前提到的用空气冷却电池的可能性，Husted指出，“这种想法看上去很简洁，因为这样无需使用冷却剂和管道，还可以减少这部分的重量。但问题在于空冷的热传递效率非常低。因此气道必须做得非常大，还必须配备风扇。但由于汽车有紧凑性的需求，而且推进功率高达100 kW级，这种功率级别远远高于家庭用电，更接近社区用电。因此相比空冷，液冷是更优的选择。”
博格华纳同样认可液体热交换的效率，并开发了一系列可同时加热电池包和车厢的紧凑型高压冷却液加热器。Husted指出电池加热非常重要。“电池包在温暖的时候可以更高效地输电和充电。而当锂电池的温度太低时，就不能过于猛烈地充电，或者最好不充电——因为这时候阳极的锂镀层电势非常低。总之，温暖的电池有助于充电和能量输出。”
Vitesco开发了一个冷却液热管理模块，McClymont称之为“集成了多个泵和阀门的单元。我们将整个热管理系统的架构简化至一个模块，因此安装和封装都变得非常容易，因为只有一个中央单元。”
Eser介绍该模块有多个进出口，而且安装位置应该位于管道总距离最短处（以减少冷却液的用量和重量），而且可能需要位于车辆底侧，“因为人们都认为电动车就应该有前备箱。”
Our Next Energy正在开发一系列LFP电池。该公司创始人兼首席执行官Mujeeb Ijaz表示，“我们相信要让电池变薄。你最终会在两侧都有一个铝制散热器。”电池外壳底部有一块冷板。这些电池与冷板结合，形成Ijaz所说的“高效传热” （ONE）
无独有偶，博世也开发了数款将加热和冷却系统纳入紧凑封装的灵活热管理单元。Douglas将其形容为“以聪明的方式使用冷却液、润滑油等任何转移热能的媒介。而且你不希望在此过程中浪费能量。”在内燃机时代，长距离的布线相对而言不是一个问题，但对于电动车，任何损耗都非同小可。
以上所有问题都汇总为Douglas所称的复杂工程挑战，即在确保推进系统的所有部件（电池、动力电子、电机）都处于最佳工作温度的同时，使车厢内部也具有舒适的环境。
Douglas举了个形象的例子：“假设一辆位于亚利桑那州的电动车需要在载人的情况下进行快充，什么样的技术可以实现该情景？”
如何看待电池的浸没式冷却技术？
让电池在各种条件下都处于合适的温度区间（即负载时冷却，环境温度低时加热）通常是通过电池包底部的液冷盘以及电芯之间的液冷通道实现的。
但将所有电芯浸入介电液体的想法又如何？理论上，这不仅能提升整个电池包的热一致性，还能免去冷却盘、热界面材料等部件。
但IDTechEx.com的首席技术分析师James Edmondson指出，浸没式冷却存在大量技术挑战，因此尽管它的确具有诸多益处，但可能只会用于高性能、高成本的电动车上。
“该技术的行业经验非常少，因此尚未针对量产进行优化。除了这点造成的高成本外，电池模块的防泄漏封装也是耗费成本的技术难题。因此，目前只有高端低产量电动车会采用这种技术。”他补充道，“此外，浸没式冷却通常需要在电芯之间留出空隙好让冷却液通过，但液体自身是有重量的，因此这样做等于降低了电池包的能量密度。这意味着对于一个在既定的体积内装入尽可能多的电池容量的应用，浸没式冷却可能不是一个理想的解决方案。但浸没式冷却更适合在既定体积内装入尽可能多的功率的应用，也就是赛车和高性能车型等。”
2021年，总部位于德国斯图加特的马勒集团曾表示正在研发浸没式电池冷却，并强调了该设计可减少直流快充的时间，还有可能降低电池尺寸和成本。1级供应商法雷奥在2023 IAA车展上表示已和法国的道达尔能源集团建立合作伙伴关系，将共同研发利用电解液的浸没式冷却系统，该系统“还将用于未来法雷奥所有动力电子产品的冷却。”
Edmondson指出，IDTechEx的调研结果显示，2023年上半年共有96%的电动车使用冷却盘冷却。但在2026-2033年间，浸没式冷却将以每年高达9%的速度增长，但它依然将是“汽车热管理市场中一个相对较小的领域。”
电动汽车电池热管理系统发展现状及分析据中国汽车工业协会近3年新能源汽车的月度销量统计，在推进绿色低碳转型的新时代背景下，电动汽车的产销量逐年攀升。然而在电动汽车快速发展过程中，热失控问题越来越显著，研究电动汽车电池热管理技术对解决这一问题具有积极意义。
动力电池内部温度超过正常工作温度会影响其工作性能，而且环境温度对动力电池的正常工作也具有一定的影响。高温天气时，如果动力电池散热不及时，严重时会产生热失控，导致安全事故的发生；低温天气时，动力电池会发生损耗，减小电池寿命。
动力电池热管理系统利用加热或冷却技术对电池组温度进行管理与控制，使电池组工作在正常温度范围内并减小单体电池间温度差。
新能源汽车月度销量
磷酸铁锂电池、三元锂电池、钴酸锂电池、燃料电池等几类电池应用比较广泛。比亚迪刀片电池采用磷酸铁锂电池，特斯拉电动汽车主要采用钴酸锂电池，本田和丰田等汽车采用燃料电池。
磷酸铁锂电池或三元锂电池在国内应用广泛，因此本文主要就这2种电池（下文统称为锂离子电池）的热管理系统发展现状进行讨论。以动力电池生热和传热机理为理论基础，分析不同冷却技术和加热技术的电池热管理系统的特点，并介绍发展现状及未来发展方向。
磷酸铁锂电池
锂离子电池热管理系统冷却技术的实质是通过冷却媒介把电池内部的热量传递到外界环境中，从而降低电池内部温度的热交换过程。根据冷却介质的不同，电池冷却技术可分为空气冷却、液体冷却、相变材料冷却和热管冷却。几种冷却技术的结构特点及优缺点对比如下表所示。
冷却技术结构特点及优缺点
1.1空气冷却技术
空气冷却也称为风冷，根据有无风扇等外部设备，将空气冷却分为自然风冷和强制风冷，其主要利用电池传热机理中的对流换热原理。按电池排列方式，空气冷却系统结构可分为串行通风和并行通风，两种冷却结构如图所示。
空气冷却系统的结构设计简单，成本低，但是其散热效果不明显，动力电池难以维持在正常温度范围内工作。
通过改变电池的排列方式、风道、电池间距和风速等设计优化空气冷却系统，可以使电池热管理系统达到更好的散热效果。
通风方式
空气冷却技术研究方向主要有：（1）控制风量和风压2个重要指标改善系统的冷却效果；
（2）改变单体电池的排列方式来合理规划电池包空间及风道。ZhangZhuQing等建立非稳态三维热模型来模拟锂离子电池在不同工况下温度变化情况及空冷散热系统的冷却效果。结果表明，电池组温度变化受风量的影响。
眭艳辉等发现平行排列和交错排列的电池组模块利用空气冷却技术，设置风速等参数保持不变。结果表明，初始时由于在进风口空气温度更低，进风口周围电池组温度降低。但随着换热的进行，空气到达出风口时，空气自身的温度升高，根据对流换热原理，空气与电池表面的换热效果变差。
为解决平行排列和交错排列式电池组存在的这一问题，提出梯形排列的电池组布置形式；陈磊涛等通过改变电池组通道宽度和空气进出口处集流板的倾斜角度探究通道内的流速分布，共设计15种结构方案，采用ANSYS-Fluent软件分析对比不同结构方案的散热效果，并利用CFD-Fluent仿真计算，对比得到不同结构方案的温度分布情况和散热效果最好的结构形式。
梯形排列电池组
1.2液体冷却技术
液体冷却和空气冷却都是利用对流换热原理，以冷却液是否接触电池组可分为直接冷却和间接冷却。液体比空气的对流换热系数大，散热效果更好，但结构复杂，密封条件要求高，设计维护成本相对较高。
液体冷却技术中，结构设计主要有流道结构设计、冷却板布置形式设计。为了改进传统冷却板的不足，邹晓辉等设计了几种新型流道结构，在冷却板上下布置这几种新型流道结构，分别位于冷却板上下的中心线上，流道宽度从入口到出口逐渐增大。
新型流道变结构
实验研究表明，增加出口流道的宽度能增强散热能力，温度变化较小。并且在流量相同时，新型流道结构比普通流道结构的散热能力好。
冷却板中的流道是否对称分布会影响液体冷却的散热效果，对非对称和对称分布的流道进行仿真分析，得到冷却板对称性和电池组温度场的关系。
比较最高温度和温度差，表明对称结构下冷却板散热能力更好。冷却板安装位置的对称性也是影响散热效果的因素。
实验分析，非对称安装位置比对称安装位置散热效果更好，温度分布更加均匀；Giuliano等研究发现，在水冷装置中加入铝换热板，能提高散热效果，并很好地控制电池组的温度。
谢金红利用单因素控制变量法，分别控制冷却板管径、管距、板厚和布置形式等因素，设计电池热管理系统并进行仿真，找到冷板的较优结构。利用Fluent进行仿真实验。结果表明，合理选择冷却板的板厚、管径、管距等能改善液冷散热系统的散热效果。
液体冷却技术
1.3相变材料冷却技术
相变材料冷却是将相变材料作为冷却介质，利用其在相变反应过程中物理状态发生变化吸收（或释放）电池的热量。这种冷却技术温控效果和均温能力较好，但是材料价格昂贵。
相变材料在液态、固态、汽态之间转变时会吸收（或释放）大量的热，温度基本保持不变。相变材料导热和吸热性能显著，当电池组内部某个单体电池温度超过正常工作温度范围时，其热量能够迅速传递，使单体电池间温度基本一致。
靳鹏超等对空气冷却和相同结构的填充相变材料的空气冷却系统的冷却性能进行对比，表明填充相变材料的电池组最高温度在安全温度范围内，温度差小于5℃。
相变材料
1.3.1复合相变材料的研究
相变材料冷却可由单一相变材料或复合相变材料作为冷却介质，区别是复合相变材料是由2种及以上的相变材料或组合金属基材料制备而成。相变材料的种类和各成分的质量分数会影响热管理系统的散热性能。
Temel等在相变材料中加入3%、5%、7%的石墨烯纳米片（GNP）制备复合相变材料。结果表明，复合相变材料的导热系数随GNP质量分数的增加而增加。
Sari等分析质量分数对复合相变材料的导热系数影响时，加入不同质量分数膨胀石墨（EG）制备石蜡/EG复合相变材料。结果表明，导热系数随EG质量分数的增大而增大。
张江云选择泡沫铜/石蜡和石墨/石蜡2种复合相变材料进行对比试验，在不同放电倍率和不同工况下测试散热效果。
研究结果表明，2种材料各有优缺点：泡沫铜/石墨具有高导热性和较强的机械物理性，可以弥补石墨/石蜡相变反应时易开裂的缺点；而石墨/石蜡的物理状态呈胶态，绝缘性能更好。在研究泡沫铜/石蜡的基础上，对比空气、液体、相变材料三种散热方式的散热效果，结果显示相变材料的控温和均温效果较好。
复合相变材料
1.3.2相变材料耦合其他冷却方式
为提高相变材料的散热效果，相关学者设计研究了相变材料耦合其他冷却方式的热管理系统。
吕少茵等对相变材料（PCM）耦合空冷、液冷、热管3种冷却方式进行综述分析。结果表明，PCM耦合其他冷却方式的热管理系统能满足电池的散热需求，散热效果较好。
说明混合式相变材料的热管理系统是未来发展研究的方向，通过改变电池间距、电池组结构设计也会影响PCM-BTMS（相变材料热管理系统）的冷却效果。
朱波等发现单一相变冷却的热管理系统不能适应电池极端放电的工况问题，在PCM热管理系统增加2根U形冷却管道，并对热管理系统进行设计。
实验结果表明，新改进的热管理系统无论是低温环境下的加热效果还是高温环境下的散热效果都优于传统热管理系统，且不同工况下均比传统热管理系统更加节能，为相变材料冷却和其他冷却方式结合提供了设计思路。
Wu在石蜡/膨胀石墨复合相变材料中增加一种铜网，结果表明以铜网为骨架的新型结构可以提高整个模组的强度和导热性能，使热管理系统具有更好的散热性能。
相变石蜡
1.4热管冷却技术
热管是由蒸发端、绝热端、冷凝端组成的传热元件，具有高度导热性能，一般由管壳、吸液芯、端盖组成。热管技术利用热传导原理把电池组充放电时产生的热量通过传热介质传递到热管，再通过热管的散热技术把热量带走，其导热能力较强。
这种技术具有使用寿命长、换热系数大等优点，但是存在系统结构复杂、易泄漏等一系列问题。根据热管冷端冷却方式的不同，热管冷却技术可以分为风冷热管系统和液冷热管系统。
丹聃等在热管技术研究中发现，热管冷端风冷散热可以通过改变冷端翅片数目、翅片结构设计、提高风冷流速、增大冷凝段长度来增强热管散热效果。为弥补风冷散热不足，通过液冷-热管耦合可使电池组达到较好的散热效果。
刘彬等搭建基于大平板热管的动力电池热管理散热模型，大平板置于电池组下方，冷端采用风冷散热并设有矩形散热风道。通过改变放电倍率和环境温度仿真，验证模型的正确性，并进一步仿真分析了翅片数目、进口风速、进口风温对电池包散热效果的影响。
热管冷却技术
田晟等利用正交实验层次分析法对设计的热管-铝板嵌合式散热结构进行数值模拟，分析散热性能受铝板厚度、热管排列间距、热管冷凝段长度和对流换热系数因素的影响程度。
实验结果表明，增大对流换热系数和冷凝段长度可以显著提高热管的散热性能。
锂离子动力电池在低温环境下工作时会影响其使用性能，通过电池加热技术可以提升电池的性能。
加热技术分为内部加热和外部加热2种。内部加热法通过内阻发热，结构简单，不需要添加额外的组件。从安全性考虑，外部加热法更加安全，但结构复杂、能耗高、温度分布不均匀。对内部加热法和外部加热法的优缺点分析如下表所示。
内部加热和外部加热法对比
2.1内部加热技术
内部加热法是对通电导体产生的焦耳热对电池加热的方式。具体可分为充电加热法、放电加热法和交流激励加热法。
Zhang等基于等效电路建立产热模型，研究一种用正弦交流电对锂离子电池低温内部加热的方法。在不同加热条件下，对18650电池进行加热实验，结果表明加热速率随电流振幅和频率变化而变化。在电流条件最优时，较短时间内电池温度可上升25℃左右，且多次加热电池容量不发生损耗。
Zhu等以电流频率、振幅和波形三个参数为变量，探究电流参数变化对温度造成的影响。通过建立模型对18650电池进行不同频率、振幅和波形实验，结果表明低频高阻抗的电流可以使温度显著上升。
交流激励加热法
2.2外部加热技术
外部加热法是在动力电池外部添加高温气体/液体、电加热膜、相变材料、热管，利用珀尔帖效应实现热量由外向内传递的加热形式。具体加热方法有：循环高温气体加热、循环高温液体加热、内置加热板或加热膜、填充相变材料或化学反应产热材料加热、珀尔帖效应加热、热管加热。
循环高温气体加热法利用电流加热导体获得热空气，再通过风扇把热空气送入电池内部进行对流换热。
Ji等采用电化学-热耦合模型模拟锂离子电池从零下温度加热的过程。研究过程中提出三种利用电池功率的加热策略，其中一种为外部功率加热策略。
郑林森等研究了超低温锂电池组，预热装置与介质填充的管道连接，加热介质与电池组进行热交换后，通过管道进入预加热装置进行下一轮加热。液体加热过程较空气加热更复杂，管道密封性要求高、设计复杂。
Zou等设计了热管-液体耦合热管理系统，既可以对电池低温加热又可以高温散热；朱建功等通过测试不同材料、不同规格动力电池的低温充放电性能和阻抗特性，研究表明低温条件会降低电池的充放电效率和增加电池阻抗。
低温交流充电加热策略存在不可逆的过充风险，而利用外部加热法虽然可以避免不可逆过充风险，但加热效率低、增加能耗。因此内部加热法和外部加热法都面临着各种难题。
加热系统
锂离子电池热管理系统加热和散热技术是控制电池内部温度的2个重要技术，也是电池热管理研究的重点。
电池热管理系统的研究和设计中，不仅要使热管理系统具有较好的控温和均温能力，还要尽量减小电池包的质量，降低能耗。锂离子电池热管理技术的发展状况和未来发展方向总结如下：
（1）空气冷却技术通过控制风量和风压、改变电池组排列方式和风道宽度等方式来改善风冷系统的散热效果。但是一些电动汽车的风冷散热系统不能满足汽车在多种工况下的散热要求，可以利用风冷散热结构设计简单的优点，耦合其他冷却方式以提高热管理系统的散热能力；
（2）虽然液体冷却比空气冷却的散热效果好，但是液体冷却对结构的密封性能要求高、制造成本高。改变冷却板材料、冷却板位置、冷却液选择、管道形状、管道布置形式等都能提高液冷热管理系统的性能。热管和液冷耦合的热管理系统在未来具有巨大的发展潜力；
（3）相比单一相变材料，采用复合相变材料的电池热管理系统的散热性能更好。为增强相变材料散热系统的散热能力，相变材料可以耦合其他冷却方式，以提高热管理的控温和均温能力。对相变材料热管理系统研究较多的是相变材料的选择研究，但是相变材料的成本较高，所以相变材料和其他冷却方式耦合的研究更具长远意义；
（4）动力电池热管理系统采用热管技术时，由于单个热管换热面积较小，要达到理想的散热效果需要使用较多的热管，但目前研究的热管材料成本高，因此可以研究热管耦合其他冷却方式或材料来提高散热效果；
（5）相比外部加热技术，内部加热技术结构简单，加热速度快，温度均匀性好，但内部加热的控制机理较复杂和安全性较低限制了其在电池低温加热中的应用。外部加热技术已应用于实际中，但加热效率较低，增加电池的能耗，使电池寿命进一步衰减。
为解决内部加热和外部加热技术面临的难题：其一，针对内部加热技术，可通过深入研究电流控制策略来提高电池加热速率和安全性；其二，针对外部加热技术，可加强相变材料与其他冷却方式（集冷却和加热于一体）的耦合研究。
锂离子电池热管理系统
作者观点：
温度是影响动力电池性能及热安全的主要因素，电池热管理系统通过控制动力电池温度在合理区间，能有效解决低温或高温环境对电池性能影响。从电池热管理系统冷却技术和加热技术出发，对比分析多种热管理技术优缺点，发现锂离子动力电池热管理系统需要进一步提高温度分布均匀性和温度控制能力，而单一电池热管理技术皆存在相应缺陷。为解决在高温和低温状态下所引起的动力电池问题，提出未来可通过发展多种冷却方式耦合的电池热管理系统实现交互式加热与冷却。
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