我们都知道动力电池的工作温度会对电池性能产生很大的影响。但是会产生什么具体的影响呢？
让我们先看一下下面两个曲线图。下图中左图的横坐标是电池循环充放电次数，纵坐标是电池可用容量。可以看出，随着电池的充放电次数的增加，电池的可用容量是减少的，但是温度越高，电池的可用容量衰减越快。下图中右图的横坐标是电池工作温度，纵坐标是电池放电功率，可以看出从-40℃到0℃的温度区间内电池的放电功率急速上升，0℃到40℃电池的放电功率趋于平稳。而超过45℃时，电池包的放电功率会有一个断崖式的下降。
电池包热管理系统
由此可见，电池的工作需要一个适宜的温度。这也就是电池热管理系统存在的意义。
按照冷却方式不同，可以将电池包热管理技术分为风冷、液冷和直冷。
风冷技术是以低温空气为介质，利用热的对流，降低电池温度的一种散热方式，分为自然冷却和强制冷却(利用风机等)。目前主要在五菱宏光MINI EV等微型电动车上进行搭载。
风冷技术
优点：结构简单、质量轻，可将有害气体有效带走，成本较低。
缺点：换热系数比较低，速度慢，效率低，内部均温性不佳，对电池的寿命有着较大的影响。
液冷技术是通过液体对流换热，将电池产生的热量带走，从而降低电池温度的技术，是目前市场上最主流的冷却方案。
液冷技术
优点：
1. 与风冷相比，以冷却剂为介质的系统具有数十倍的比热容和更高的传热系数，带来更好的冷却效果；
2. 温度和温差明显降低后，电池组在工作效率、稳定性和耐用性上得到显着提升；
3. 在低温情况下，系统还可以给电池包加热；
4. 液冷系统的布置形式比较灵活，可在电池单体或电池模块间设置冷却通道，可以在电池底部采用冷却板，也可以两种方式同时布置。
缺点：
1. 液冷电池缺点就是结构比较复杂，增加了电池组的重量；
2. 增加了电池组的体积，侵占车舱空间，相当于降低能量密度；
3. 液体冷却系统的成本也会更高。
直冷技术是利用冷媒蒸发潜热的原理，在整车或电池系统中建立空调系统，将空调系统的蒸发器安装在电池系统中，制冷剂在蒸发器中蒸发并快速高效地将电池系统的热量带走，从完成对电池系统冷却的作业。目前主要搭载在比亚迪DM-i，Jeep插混等车型。
直冷技术
优点：冷媒板设计更简单，可拆卸，冷却系统可以轻松更换甚至维修。
缺点：是无法直接对电池包加热，需要一套新的加热系统。
进一步聊聊目前市场应用最广泛的液冷方案。液冷方案的核心零部件是水冷板，推动水冷板不断迭代和发展的一个重要因素是：提高导热效率，提高导热效率通常有以下几种方案：
1）提高冷板自身（材料）的导热性能
冷板自身材料上，最常见的方案是铝合金和铜金属，其中铜的导热效果更好，但是材料的价格要贵的更多，因此目前在乘用车电池包中主要采用的是铝合金。
2）提高冷板与电芯之间界面的导热率
下图为CMP（Cell-Module to Pack）电池包的示意图。由图可以看到电芯-模组-冷板之间的连接关系，可以概括为电芯→蓝色结构导热胶→模组壳体→粉色导热胶→PACK下箱体→结构导热胶→水冷板的漫长路径。需要经过3层导热胶。因此，对于提高导热界面的导热效率，主要是在导热界面材料TIM（Thermal Interface Material）上做功夫。由最开始的空气介质，到后来的导热垫，再到目前的导热胶，TIM的导热效果在不断提高。
液冷水冷板
3）调整流道设计，提高冷板与电芯的接触面积和流体自身的换热效果
流道设计方案上，目前应用最多的是型材+焊接的方案。按照流道成型工艺，可以分为以下两种：
口琴管设计：利用挤出工艺将冷板流道直接成型，再通过机加工方式打通循环，最后采用摩擦焊接、钎焊焊接等焊接方式进行密封组装。这种工艺的优点是生产效率高，成本低。缺点是结构灵活性差，还需要增加金属管路，空间利用性相对较差.
冲压流道设计：与口琴管设计不同点就是冷却板直接通过冲压方式成型，再通过焊接方式密封组装。这种产品虽然成本相对较高，但是集成效率更高，一致性更好。
4）不同冷板布置方案
根据布置位置的不同，可以分为电芯侧面冷却和电芯底部（顶部）冷却。下面我们通过一系列实际案例进行说明。
电芯侧面冷却以特斯拉Model S，GM Volt和CATL的麒麟电池进行说明：
Model S的液冷采用串行流道，冷板安装于电池间隙，这个设计保证了每个圆柱电芯都能与水板直接接触，但是蛇形冷板较大程度上增加了液冷系统的压力损失。
液冷水冷板
与Model S相比，Volt采用了并联片状结构流道板，冷却水板为与两个软包电芯之间，更加紧凑，散热效果略胜一筹。
液冷水冷板
麒麟电池包的冷却是依靠一个叫做多功能弹性夹层的零件。该零件是口琴管与水管的组合，这种设计代替了CTP2.0(Cell To Pack)中的隔热垫、水冷板和横纵梁。结构上，多功能弹性夹层类似于瓦楞纸板，既可以配合电芯呼吸进行自由伸缩，又能够作为结构件，提高电池包强度。另外，口琴管设计的纵向水冷板直接将电芯隔离开，让每块电芯得到更大的冷却面积，相比底部冷却扩大了足足4倍。
液冷水冷板
电芯底部（顶部）冷却以Porsche Taycan进行说明：
Taycan的模组布置分上、下层，所以它的水冷系统也是分上下层，总共有13个冷却支路，如下图所示。整个水冷板通过结构导热胶与下箱体粘接在一起。每个冷却支路有2个水冷管并联，水冷管采用口琴管的方案。从冷管的横截面图可以看出，每根冷管共有10个并联流道，每个流道的尺寸为3mm*2mm；整个冷管的厚度约为4mm，宽度约为35mm。
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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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