來源：電子電力實(shí)驗(yàn)室；作者：諸葛英健

本文轉(zhuǎn)自：Renew. Sust. Energ. Rev., Volumn 192, March 2024, 114171

作者：David Culliton et.al

本文由愛爾蘭東南理工大學(xué)的David Culliton等人合作撰寫。本文綜述了鋰離子電池的產(chǎn)熱機(jī)制，以及當(dāng)前主流的四種電池?zé)峁芾砑夹g(shù)：空氣冷卻、液體冷卻、基于相變材料的冷卻和基于熱電元件的冷卻。文章分別分析了每種技術(shù)的優(yōu)勢與局限。研究指出，空氣冷卻適用于短途通勤類電動汽車；液體冷卻更適合長續(xù)航、高熱負(fù)荷的大型電池系統(tǒng)；相變材料適用于熱負(fù)荷穩(wěn)定、環(huán)境溫度變化較小的應(yīng)用場景；而熱電冷卻系統(tǒng)則更適合與其他技術(shù)協(xié)同集成使用。

01引言

在全球范圍內(nèi)減碳需求日益迫切的驅(qū)動下，傳統(tǒng)汽車正加速向電動化轉(zhuǎn)型。2021年，電動汽車銷量達(dá)到660萬輛，是2019年的三倍，彰顯了市場對清潔出行的強(qiáng)烈渴求。然而，續(xù)航里程不夠、動力電池壽命有限等短板，仍然制約著消費(fèi)者的購買決策。

動力電池組對溫度極為敏感，其最佳工作區(qū)間位于15?°C至35?°C。低于15?°C時，電池總?cè)萘肯陆怠?nèi)阻增大；高于35?°C則易引發(fā)不可逆化學(xué)反應(yīng)，加速衰減并帶來熱失控風(fēng)險(xiǎn)。因此，如何在各種工況下高效、穩(wěn)定地調(diào)節(jié)電池溫度，成為提升續(xù)航性能與保障行車安全的關(guān)鍵。

現(xiàn)有電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)（BTMS）主要可分為空氣冷卻、液體冷卻、相變材料（PCM）冷卻與熱電制冷四類。空氣冷卻結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，但在高熱負(fù)荷下散熱效率有限；液體冷卻（直接或間接）散熱效果出眾，卻增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本；PCM利用材料相變潛熱進(jìn)行被動散熱，穩(wěn)定工況下表現(xiàn)優(yōu)異，但需借助金屬或石墨等導(dǎo)熱填料提升熱傳導(dǎo)；熱電制冷可實(shí)現(xiàn)精確控溫，并在冬季提供加熱功能，但其能耗和成本相對偏高。

綜合看來，空氣與液體冷卻因可根據(jù)負(fù)荷動態(tài)調(diào)節(jié)冷卻強(qiáng)度，仍是在工業(yè)化應(yīng)用中最為常見的方案；PCM與熱電技術(shù)則在特定場景下展現(xiàn)了良好的互補(bǔ)優(yōu)勢。本文將圍繞這四類BTMS的最新研究進(jìn)展與性能對比，詳細(xì)評析各自的優(yōu)劣，為商業(yè)化設(shè)計(jì)提供參考。

02電池內(nèi)部熱量產(chǎn)生機(jī)理

鋰離子電池在充放電過程中會產(chǎn)生熱量，且熱源主要位于電池內(nèi)部核心區(qū)域。圖1顯示了18650電池在0.5C放電3600秒后的溫度分布，表明僅依賴表面冷卻難以迅速帶走內(nèi)部熱量。

圖1. 18650型鋰離子電池單體以0.5 C倍率放電3600s后的熱分布

電池總熱生成率可分為焦耳熱和熵?zé)醿刹糠郑?/p>

其中，焦耳熱來源于電流通過內(nèi)阻產(chǎn)生的熱量；熵?zé)釀t與可逆化學(xué)反應(yīng)的熵變有關(guān)。研究表明，低倍率放電時熵?zé)嵴急容^高；而在高倍率條件下，焦耳熱成為主要熱源。

為滿足快充與大電流放電的需求，BTMS需在15?°C–35?°C范圍內(nèi)，對電池內(nèi)部與表面熱負(fù)荷進(jìn)行高效管理，以確保溫度均勻并防止熱失控。

03電動汽車BTMS分類與特點(diǎn)

電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的核心目標(biāo)，是通過優(yōu)化溫度提升電池壽命并降低熱失控風(fēng)險(xiǎn)。理想的BTMS應(yīng)同時滿足以下要求：

穩(wěn)定保持電池溫度在15?°C–35?°C；

系統(tǒng)輕便緊湊且節(jié)能；

具備良好成本效益；

實(shí)現(xiàn)電芯間溫度均勻；

在熱失控或泄漏時，能快速排除有毒氣體。

目前，BTMS可歸為五大類：空氣冷卻、液體冷卻、PCM冷卻、熱電制冷與混合系統(tǒng)。每個系統(tǒng)的子類如圖2所示。

圖2. 用于電動汽車鋰離子電池組的不同BTMS類型

空氣冷卻：依托自然或強(qiáng)制對流散熱，優(yōu)點(diǎn)在于介質(zhì)無腐蝕、結(jié)構(gòu)簡單、造價低；缺點(diǎn)是高熱流密度時制冷能力受限。

液體冷卻：可分直接浸沒式和間接冷卻式。直接式將電池浸沒于介電液中；間接式通過冷卻板或冷卻帶導(dǎo)熱。該方案散熱效果優(yōu)異，但系統(tǒng)復(fù)雜、成本較高。

PCM冷卻：利用相變潛熱在15?°C–35?°C區(qū)間被動吸熱。有機(jī)PCM化學(xué)穩(wěn)定、潛熱大但導(dǎo)熱率低且可燃；無機(jī)PCM導(dǎo)熱性好不燃，但相變溫度偏高，需要導(dǎo)熱增強(qiáng)措施。

熱電制冷：結(jié)合Seebeck與Peltier效應(yīng)，可將熱量回收發(fā)電或提供加熱功能，溫控精度高，但設(shè)備成本和能耗較大。

混合系統(tǒng)：將上述技術(shù)組合，如空氣+液體、PCM+空氣等，以平衡散熱性能與系統(tǒng)成本。

后續(xù)章節(jié)將針對各類BTMS的研究進(jìn)展、性能評估及優(yōu)化策略進(jìn)行深入探討。

04空氣冷卻系統(tǒng)

基于空氣的BTMS與基于液體、PCM和熱電的BTMS相比具有明顯的優(yōu)勢，包括使用直接的、低風(fēng)險(xiǎn)的、無粘性的冷卻劑，結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、成本低、維護(hù)要求低和可靠性好。主動冷卻BTMS，如熱電熱管理和基于液體的BTMS，需要額外的能量來操作泵，TEG或TEC系統(tǒng)，從而導(dǎo)致電動汽車的里程減少。然而，這種效率上的差異只適用于低熱負(fù)荷工況。在過高的熱負(fù)荷條件下，如高充放電速率或高環(huán)境溫度，空氣基BTMS比液體和熱電BTMS消耗更多的功率。

同樣，在高熱負(fù)荷下，PCM BTMS也比空氣基BTMS更有效。然而，由于需要大量的PCM來確保PCM的潛熱容量與鋰離子電池組產(chǎn)生的熱量相匹配，因此大多數(shù)PCM BTMS的重量將顯著增加。基于空氣的BTMS適用于低熱負(fù)荷的鋰離子電池應(yīng)用，并且明顯輕于其他類型的BTMS。雖然許多商用電動汽車使用基于液體的BTMS作為其鋰離子電池組，但基于空氣的BTMS也被用于電動汽車和混合電動汽車的幾個低能耗鋰離子電池系統(tǒng)中。

1自然通風(fēng)與強(qiáng)制對流

空氣冷卻BTMS按自然通風(fēng)和強(qiáng)制對流兩種模式運(yùn)行。

自然通風(fēng)：當(dāng)熱負(fù)荷較低且車輛運(yùn)動時，外部空氣會經(jīng)電池包進(jìn)口進(jìn)入，通過電芯間隙吸收熱量后從出口排出，如圖3(a)所示。同樣，也可借助車艙冷氣，通過額外管道將冷卻空氣引入電池包，以增強(qiáng)散熱效果，如圖3(b)所示。該方式在車速不足、環(huán)境溫度過高或熱負(fù)荷過大時，散熱不均會導(dǎo)致電芯溫度梯度增大、充放電不均勻。

強(qiáng)制對流：為提高冷卻效率，可在進(jìn)口或出口處增設(shè)風(fēng)扇或鼓風(fēng)機(jī)，通過調(diào)節(jié)風(fēng)速來匹配電池包的熱負(fù)荷。典型設(shè)計(jì)是在風(fēng)機(jī)與蒸發(fā)器/加熱器之間增設(shè)導(dǎo)管，以保證氣流經(jīng)過電池包的充分對流，如圖4所示。研究主要集中在：電芯排布優(yōu)化、進(jìn)出口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、散熱通道形狀改進(jìn)以及導(dǎo)熱增強(qiáng)材料的應(yīng)用。

圖3. (a)通過環(huán)境氣流對鋰離子電池組進(jìn)行被動式空氣冷卻；(b)通過艙室氣流進(jìn)行被動式空氣冷卻/加熱。

圖4. 在出口加引/送風(fēng)機(jī)進(jìn)行主動式空氣冷卻/加熱設(shè)計(jì)。

2鋰離子電池陣列分布

改進(jìn)電池組架構(gòu)可以通過配置電池單元布局來實(shí)現(xiàn)，在保持最低成本、占用最少體積和具有最高能量密度的同時，最大限度地提高電池的散熱率。需要注意的是，最優(yōu)的電池陣列布局高度依賴于電池組的應(yīng)用和設(shè)計(jì)要求。

研究表明研究表明，六角陣列相比傳統(tǒng)矩形排列在高風(fēng)速下散熱更均勻；調(diào)整電芯縱向和橫向間距，則可在保證空間密度的同時實(shí)現(xiàn)最佳熱均勻性。通過改變電池組的排布方式來更好地提高電池組的溫度均勻性的主要限制是它會影響電池的母線排布，而增加電池之間的間距會影響電池組的密度。因此，只有當(dāng)電池組的間距不重要時，才應(yīng)考慮改變電池組的排列。

圖5. 改變鋰離子電池排布方式改善電池組熱對流。(a) 3 × 10電池排布；(b)六邊形排布；(c) 6 × 5排布。

3進(jìn)出口優(yōu)化

調(diào)整進(jìn)口數(shù)量、位置及空氣溫度，是提升系統(tǒng)性能的有效手段。研究結(jié)果表明，以1C放電倍率為基準(zhǔn)，超過3個入口點(diǎn)，鋰離子電池單體的最大溫升不顯著，這表明空冷BTMS存在一個最佳的入口點(diǎn)數(shù)；降低進(jìn)口空氣溫度雖然效果顯著，卻會增加空調(diào)能耗，這也會降低鋰離子電池組的整體效率。因此，必須將冷卻風(fēng)扇入口數(shù)量和調(diào)節(jié)入口空氣溫度微調(diào)至電池組本身的運(yùn)行環(huán)境溫度和尺寸。

圖6. 風(fēng)冷電池組進(jìn)氣口數(shù)量的參數(shù)化。

此外，仿真結(jié)果表明，垂直風(fēng)冷策略是定位風(fēng)冷電池組進(jìn)出風(fēng)口最有效的方法。然而，垂直空氣冷卻策略可能不適用于幾種類型的電動汽車，因?yàn)樗鼘⒃黾与姵亟M的垂直高度，因?yàn)樗惭b了垂直傾斜的進(jìn)出口歧管。因此，垂直冷卻策略可能只適用于具有較大垂直間隙的EV類型。

圖7. 電池組進(jìn)出口位置的調(diào)整。

4散熱通道設(shè)計(jì)

對于風(fēng)冷電池系統(tǒng)，增大冷卻通道尺寸可以提高系統(tǒng)的冷卻效率，但會降低系統(tǒng)的冷卻均勻性。除了冷卻通道的尺寸外，冷卻通道的幾何結(jié)構(gòu)也是影響風(fēng)冷BTMS冷卻效率的重要因素。開發(fā)了三種主要的冷卻通道結(jié)構(gòu)，包括Z型、U型和J型冷卻通道結(jié)構(gòu)。

Z型通道：通過在末端設(shè)置二次出口，可減小通道末端的死角，使氣流更均勻地流經(jīng)所有電芯。一些研究在通道中增設(shè)擾流板，以增加氣流的混合和擾動，從而提升散熱均勻性。

U型通道：利用管道彎折帶來的流速變化，增強(qiáng)中段電芯的局部冷卻。文獻(xiàn)指出，通過調(diào)整彎折角度和半徑，可優(yōu)化熱傳遞效果并改善局部散熱。

J型通道：其是U型和Z型冷卻系統(tǒng)的適配。本質(zhì)上，J型風(fēng)冷結(jié)構(gòu)有兩個帶有控制閥的出口，可以控制開口角度，以更好地調(diào)節(jié)通過鋰離子電池組的氣流。該結(jié)構(gòu)可在多種風(fēng)速和熱負(fù)荷下保持較好的溫控性能。

需要指出的是，J型通道可能會增加電動汽車內(nèi)部的管道基礎(chǔ)設(shè)施的復(fù)雜性，而這在緊湊的電動汽車模型中是不合適的。因此，不犧牲電池組復(fù)雜度的替代性增強(qiáng)方法將更適合小型電動汽車。

圖8 . J型風(fēng)冷結(jié)構(gòu)采用U型出風(fēng)口和Z型出風(fēng)口，并配有各自的控制閥。

5導(dǎo)熱增強(qiáng)劑

在電芯間或電池包內(nèi)引入多孔鋁泡沫、鰭片等導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)，可均勻分布?xì)饬鳒囟炔⑻嵘嵝省Ｑ芯勘砻鳎勺兏叨瘸崞梢罁?jù)熱流分布優(yōu)化溫度均勻性。此外，冷卻翅片的添加的另一個好處是它的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度對抗沖擊的額外改善，降低電池受到?jīng)_擊時短路風(fēng)險(xiǎn)。

添加此類導(dǎo)熱增強(qiáng)劑的主要問題是其對電池組整體重量的影響。多孔泡沫鋁、擾流柱散熱器或輔助散熱翅片的加入確實(shí)可以改善冷卻均勻性，但會增加電池組的總重量。

05液冷系統(tǒng)

基于液體的BTMS的主要優(yōu)點(diǎn)是它能夠以比空氣冷卻系統(tǒng)更低的流速實(shí)現(xiàn)更高的傳熱速率。許多類型的流體被用作液基BTMS的冷卻劑，包括水、油、含有懸浮金屬顆粒的水和乙二醇。由于每種流體類型具有不同的粘度和比熱容值，因此所選擇的流體類型取決于需要吸收的熱量以及在電池組周圍通道流體所需的機(jī)械能。基于液體的BTMS分為間接冷卻和直接冷卻兩類，主要區(qū)別在于間接冷卻要求冷卻液與鋰離子電池物理分離。

間接液體冷卻是指通過冷卻介質(zhì)將冷卻液導(dǎo)通，使流體能夠吸收來自電池組的熱量，同時防止液體介質(zhì)與鋰離子電池組本身之間發(fā)生短路。一些常用的間接冷卻方式包括冷卻板、導(dǎo)熱管或通過熱管將熱量從鋰離子電池組傳導(dǎo)出去。

1冷卻板通道優(yōu)化

冷卻板是一種具有內(nèi)部冷卻通道的平板，主要適用于棱柱形電池。其冷卻性能主要受冷卻板位置和通道設(shè)計(jì)的影響。冷卻板可布置于電池組側(cè)邊、相鄰電芯之間或電芯內(nèi)部。側(cè)邊布置需配合散熱片將內(nèi)部熱量導(dǎo)出；相鄰電芯間布置需減小電芯厚度；內(nèi)部集成則需微型化流道。

圖9. 冷卻板。

冷板的冷卻性能還與通道結(jié)構(gòu)相關(guān)，因?yàn)樗鼪Q定了冷板的傳熱面積和壓降。通道構(gòu)型（蛇形或平行）顯著影響散熱效果和壓降。研究發(fā)現(xiàn)，雙入口蛇形通道（圖10a）比單入口設(shè)計(jì)具有更優(yōu)的溫度均勻性。此外，窄深通道的傳熱效率優(yōu)于寬淺通道。對比蛇形與平行通道，蛇形通道結(jié)合圓形翅片和凹槽（圖11f）能提升溫度均勻性，但壓降較高；平行通道配合橢圓形翅片（圖11g）則更適用于高流速場景。綜合來看，多入口蛇形通道結(jié)合圓形翅片是方形和軟包電池的最佳選擇，但需權(quán)衡制造成本與電池組尺寸。

圖10. 冷卻板間不同的液冷通道構(gòu)型。

圖11. 蛇形與平行冷卻板設(shè)計(jì)效果的對比，以及沿通道不同溝槽形態(tài)的效果對比。

2導(dǎo)熱管

圓柱電池因缺乏平整表面，通常采用導(dǎo)熱管替代冷卻板。特斯拉Model S采用鍍絕緣材料的鋁管嵌入圓柱電池間隙，并通過逆流設(shè)計(jì)提升散熱均勻性。此外，有研究人員在鋰電池之間構(gòu)建帶有冷卻管的鋁殼，鋁殼內(nèi)填充沸騰丙烷，發(fā)現(xiàn)該設(shè)計(jì)溫度均勻性優(yōu)于直接液冷，但高溫工況下峰值溫度較高。通過漸變管徑和流速優(yōu)化，使垂直流道模型重量和體積大幅減小，同時溫度均勻性更優(yōu)。

3熱管冷凝器布置

熱管(HP)是一種結(jié)構(gòu)緊湊、幾何形狀可調(diào)的傳熱器件，可用作包括電力電子冷卻和空調(diào)系統(tǒng)在內(nèi)的多種應(yīng)用的裝置。高壓加熱器內(nèi)充滿換熱流體，分為3個區(qū)域，如圖12所示，分別為蒸發(fā)區(qū)、絕熱區(qū)和冷凝區(qū)。電池系統(tǒng)或熱源附著在蒸發(fā)器段，會導(dǎo)致?lián)Q熱流體的蒸發(fā)。轉(zhuǎn)換后的蒸汽將向冷凝區(qū)傳遞熱量，轉(zhuǎn)換回流體，在吸液芯微結(jié)構(gòu)中再次吸收，然后被動地回流到蒸發(fā)區(qū)重復(fù)這一過程。

圖12. HPs的工作原理。

有研究人員為23Ah鈦酸鋰電池設(shè)計(jì)熱管系統(tǒng)，在8C放電率下使電池溫升降低13.7%（自然對流）和33.4%（強(qiáng)制對流），但冷凝段需延伸至電池外部導(dǎo)致體積增加。通過傾斜冷凝段、鋁翅片和煙囪風(fēng)道優(yōu)化，在10-12C放電率下維持電池溫度于15-35℃，但水平放置時散熱性能下降，并且額外的空氣煙囪通風(fēng)仍然占據(jù)很大的體積，這可能不適合緊湊的電動汽車。

4直接冷卻

直接液冷通過將電池浸入高比熱容的絕緣介質(zhì)（如去離子水、硅油、氟化烴）實(shí)現(xiàn)高效散熱。

用于BTMS應(yīng)用的浸沒式冷卻液具有高閃點(diǎn)和非揮發(fā)性特點(diǎn)，這降低了電池組熱失控的風(fēng)險(xiǎn)。Xing Mobility、Rimac和Kreisel等公司已采用浸沒式冷卻。

浸沒冷卻分為單相冷卻和兩相冷卻兩種模式。在單相冷卻的情況下，冷卻劑以液體形式存在。兩相冷卻是利用沸騰溫度較低的冷卻劑使冷卻劑汽化，汽化后的蒸汽通過水冷凝器冷卻回液態(tài)。兩相系統(tǒng)在由液相向氣相過渡過程中所吸收的汽化潛熱能顯著提升對流換熱效果，但與單相系統(tǒng)相比，BTMS應(yīng)用中存在若干缺點(diǎn)：包括由于冷凝器效率不足導(dǎo)致冷卻液逐漸損失、系統(tǒng)復(fù)雜度增加、維護(hù)成本上升、系統(tǒng)體積增大，以及冷卻劑蒸汽對電動汽車底盤其他電子元件造成污染的風(fēng)險(xiǎn)。

因此，單相浸沒冷卻電池包在維護(hù)難度和成本上優(yōu)于兩相浸沒冷卻。浸沒冷卻雖冷卻效率高，但高粘度液體需更大泵功率；電介質(zhì)液體成本高且增加重量。因此，浸沒冷卻的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)更適用于有快速充放電需求的電池包設(shè)計(jì)。

圖13. 單相和兩相浸沒冷卻

06PCM冷卻系統(tǒng)

相變材料的高潛熱特性使得基于PCM的BTMS能夠在恒定溫度范圍內(nèi)吸收大量熱量，且無需依賴風(fēng)扇或泵等主動耗能組件。PCM主要分為有機(jī)和無機(jī)兩類，各自具有獨(dú)特的化學(xué)與熱性能。

有機(jī)PCM可細(xì)分為兩類：石蠟類（如烷烴）和非石蠟類（如脂肪酸、二醇、糖醇）。其優(yōu)勢包括無腐蝕性、無毒、化學(xué)穩(wěn)定性高，適用于電動車電池?zé)峁芾怼５袡C(jī)PCM也存在明顯缺陷：導(dǎo)熱系數(shù)低（易導(dǎo)致局部過熱）、可燃性（存在熱失控風(fēng)險(xiǎn)），以及固液相變時因黏度低可能導(dǎo)致泄漏問題。為改善有機(jī)PCM的熱導(dǎo)性能，常見的三種手段包括：在換熱面添加翅片、將PCM封裝于高導(dǎo)熱涂層中，以及加入石墨納米顆粒或金屬泡沫等導(dǎo)熱填料。

1PCM鰭片配置

在PCM容器中安裝鰭片是提升有機(jī)PCM熱導(dǎo)率的有效方法。安裝鰭片的方法主要有兩種，一種是將鰭片直接放置在PCM化合物中，另一種是將鰭片放置在PCM表面的頂部，然后通過空氣冷卻分別進(jìn)行冷卻。

研究表明，縱向鰭片在空氣對流冷卻時具有更好的散熱性，而圓形鰭片在PCM內(nèi)部具有更大的熱傳導(dǎo)性。通過進(jìn)一步優(yōu)化，確定了最適合18650鋰離子電池PCM冷卻的翅片結(jié)構(gòu)為底部2個圓形鰭片，頂部4個矩形縱向鰭片。雖然導(dǎo)熱鰭片的添加確實(shí)顯著提高了PCM的導(dǎo)熱性能，但由于在電池組中添加此類鰭片需要額外的機(jī)械加工，因此會增加電池組的制造成本，同時增大體積。

2導(dǎo)熱涂層

另一種提高PCM導(dǎo)熱性能的替代方案是PCM微膠囊化。該工藝通過懸浮、乳液、界面聚合等方法，將固–液相變材料封裝于具有導(dǎo)熱性能的穩(wěn)定聚合物薄膜中。殼體材料可分為有機(jī)、無機(jī)和有機(jī)–無機(jī)混合三類。

圖14. 不同微膠囊對PCM導(dǎo)熱性能的增強(qiáng)。

有機(jī)殼體材料具有優(yōu)異的密封性和結(jié)構(gòu)柔韌性，能夠很好地應(yīng)對相變過程中核心PCM的反復(fù)體積變化，最常用的有三聚氰胺甲醛樹脂、尿素甲醛樹脂和丙烯酸樹脂等。然而，有機(jī)殼體材料也存在可燃性高、導(dǎo)熱性差及力學(xué)性能不足等缺點(diǎn)，限制了其在BTMS微膠囊化應(yīng)用中的廣泛采用。

無機(jī)殼體材料導(dǎo)熱性能更佳，具有良好的剛性和力學(xué)強(qiáng)度。常用的無機(jī)殼體材料有二氧化硅（SiO?）、氧化鋅（ZnO）、二氧化鈦（TiO?）和碳酸鈣（CaCO?）等。盡管無機(jī)殼體在導(dǎo)熱和力學(xué)性能上優(yōu)于有機(jī)殼體，但其柔韌性較差，多次相變循環(huán)后易導(dǎo)致PCM核心泄漏。

有機(jī)–無機(jī)混合殼體則兼具純有機(jī)和純無機(jī)殼體的優(yōu)點(diǎn)，提供了良好的力學(xué)強(qiáng)度、導(dǎo)熱性、化學(xué)穩(wěn)定性和柔韌性。常見的混合殼體包括摻雜SiO?或TiO?的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和聚三聚氰胺甲醛殼。有機(jī)–無機(jī)微膠囊化在提供足夠?qū)嵩鰪?qiáng)的同時還能保持力學(xué)穩(wěn)定性并最大限度減少PCM核心泄漏，是一種值得考慮的導(dǎo)熱改性方式。但需注意，PCM微膠囊化的可行性受限于合成過程的復(fù)雜性及原料采購難度。

3導(dǎo)熱填料

第三種提升PCM導(dǎo)熱性能的技術(shù)是向其添加導(dǎo)熱填料，如納米顆粒、金屬顆粒、金屬泡沫和碳納米管等。通過混入這些填料，PCM的導(dǎo)熱率和換熱效率能夠大幅提升，同時還能降低有機(jī)PCM的可燃性。

導(dǎo)熱填料雖能顯著提高PCM的導(dǎo)熱率，但也會降低其比熱容，因此需要在所需導(dǎo)熱增強(qiáng)效果與保持足夠潛熱容量之間進(jìn)行權(quán)衡。此外，填料可能在多次相變循環(huán)中發(fā)生聚集，需通過重新攪拌等手段來恢復(fù)PCM的溫度均勻性。

4無機(jī)PCM

無機(jī)PCM主要包括熔融鹽、含水鹽和金屬，具有高潛熱容量、不可燃且成本相對有機(jī)PCM較低等優(yōu)點(diǎn)。然而，大多數(shù)研究不采用無機(jī)PCM，主要因?yàn)樗鼈兙哂懈g性、較高的相變溫度、同樣較差的導(dǎo)熱性、重量大，以及在多次相變循環(huán)中易發(fā)生相分離、脫水和過冷，導(dǎo)致穩(wěn)定性差。其中，脫水是其應(yīng)用于熱能存儲的最大障礙，會使材料不穩(wěn)定。

07熱電系統(tǒng)

熱電發(fā)電與熱電制冷器（TEC）作為電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)亦具有諸多優(yōu)勢：它們運(yùn)行相對安靜、穩(wěn)定，并且可通過電壓的微調(diào)實(shí)現(xiàn)更精確的溫度控制。通常，熱電器件利用Peltier–Seebeck效應(yīng)及Thompson效應(yīng)，在冷端與熱端之間進(jìn)行溫差與電流的相互轉(zhuǎn)換。然而，用于BTMS的熱電系統(tǒng)存在主要弊端：其熱效率較低，而且需要額外的能量驅(qū)動，從而降低了電池包本身的整體熱效率。

大多數(shù)研究工作會將TEC與其他冷卻形式（包括風(fēng)冷、液冷和PCM冷卻）組合成混合系統(tǒng)。例如，搭建液體–空氣–TEC混合冷卻系統(tǒng)；或?qū)EC模塊與U形和Z形冷卻板耦合，用于棱柱形鋰離子電池冷卻；以及將TEC與直接風(fēng)冷系統(tǒng)結(jié)合，應(yīng)用于混合動力巴士電池包等。將TEC與其他BTMS冷卻方式混合能夠顯著降低電池包的最高溫度并優(yōu)化溫度分布，但也會增加系統(tǒng)復(fù)雜性并額外消耗電池功率，可能對整體效率產(chǎn)生不利影響。

08討論

從所做的綜述研究可以看出，各種BTMS系統(tǒng)各有優(yōu)劣，適用于不同規(guī)格的電池包。明顯地，每種BTMS可分為被動與主動兩類，如表?1 和表?2 所示。

表1 被動BTMS系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

表2. 主動BTMS系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

通過自然通風(fēng)的空氣冷卻是最廉價、最簡單的電池包冷卻方式，但由于其熱容和傳熱系數(shù)都較低，難以滿足大多數(shù)電動汽車的散熱需求。因此，它僅適用于充放電速率低、體積小且環(huán)境溫度適宜的短途車型。

熱管能夠被動工作并具有高于空氣冷卻的傳熱效率，但其冷凝段體積大、溫度難以精控，且冷凝器仍需額外冷卻，使其在整車集成時面臨空間和系統(tǒng)復(fù)雜度挑戰(zhàn)。為減少冷凝段占用空間，一般將冷凝器傾斜布置以節(jié)省體積。

相變材料作為被動BTMS具有吸熱量大、可在相變溫度下長時間維持恒溫的優(yōu)點(diǎn)，同時無需主動冷卻部件，系統(tǒng)緊湊。然而，PCM在熔融后需較長時間重新固化，液態(tài)時存在泄漏風(fēng)險(xiǎn)，其高潛熱僅在狹窄溫度區(qū)間內(nèi)可用，難以應(yīng)對電池包內(nèi)的快速溫升或驟冷。對于有機(jī)PCM，還需警惕熱失控時的可燃性；無機(jī)PCM則存在多次相變后化學(xué)穩(wěn)定性差、熔點(diǎn)高、比重大等問題。鑒于此，可在熱工況相對穩(wěn)定且已采取阻燃措施的車型中采用有機(jī)PCM?BTMS。為提升PCM系統(tǒng)質(zhì)量，其容器應(yīng)增強(qiáng)導(dǎo)熱、防止泄漏并保證多次循環(huán)的均勻性，因此帶導(dǎo)熱涂層或鰭片結(jié)構(gòu)的封裝容器是理想選擇。

針對長途快充車型，其大容量電池包在高熱負(fù)荷下需要主動冷卻系統(tǒng)來精準(zhǔn)調(diào)控散熱能量。通過強(qiáng)制對流的風(fēng)冷，可依據(jù)熱負(fù)荷調(diào)節(jié)風(fēng)速，實(shí)現(xiàn)所需的散熱效果；借助J型通道等優(yōu)化進(jìn)、出口結(jié)構(gòu)，還能進(jìn)一步提升冷卻性能。但風(fēng)冷BTMS也存在風(fēng)道內(nèi)氣流紊亂導(dǎo)致冷卻不均、空氣低傳熱系數(shù)和比熱容帶來的能效瓶頸。可通過在電池包內(nèi)增設(shè)多點(diǎn)進(jìn)氣口、在關(guān)鍵區(qū)域布置多孔鋁沫或安裝熱沉等方式補(bǔ)償這些缺陷。

在實(shí)際應(yīng)用中，大多數(shù)電動汽車仍以液冷BTMS為主，因?yàn)橐后w通常具有高于空氣的傳熱系數(shù)和比熱容。對于棱柱或軟包電池，冷卻板能覆蓋更大受冷面積，但鋁或銅冷卻板自重大，會顯著增加整車質(zhì)量；且液體沿冷卻板流動時會逐漸升溫，靠近出口區(qū)域的散熱性能較差，需并聯(lián)多路通道以改善均勻性。與冷卻板相比，導(dǎo)熱軟管更輕便、柔性好，可根據(jù)電池幾何形狀設(shè)計(jì)管路，但同樣存在出口末端散熱差和管路泄漏風(fēng)險(xiǎn)，需定期檢修更換。

浸沒冷卻通過直接將電池包浸入介電液中，最大化受冷面積，并利用介電液高比熱實(shí)現(xiàn)卓越的快充快放性能；其不可燃性也能大幅降低熱失控風(fēng)險(xiǎn)。但介電液成本高、用量大，因而更適合高性能、高熱負(fù)荷車型。

熱電制冷器可精細(xì)調(diào)控電池包散熱量，但自身制冷效率有限，需與風(fēng)冷或液冷系統(tǒng)聯(lián)合使用，以實(shí)現(xiàn)精確控溫。

綜上所述，各BTMS方案各有側(cè)重：風(fēng)冷適合輕量短途，液冷勝在高熱負(fù)荷，PCM被動高效，TEC精控精準(zhǔn)；混合系統(tǒng)則可兼顧多種優(yōu)勢，但也會提高系統(tǒng)復(fù)雜度和成本。在具體車型選型時，應(yīng)根據(jù)電池包規(guī)格、散熱需求和整車集成約束，權(quán)衡各方案優(yōu)劣，選擇最優(yōu)的單一或混合BTMS組合。

09結(jié)語

本文回顧了電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)（BTMS）技術(shù)的最新進(jìn)展，重點(diǎn)探討了空氣冷卻、液冷、相變材料（PCM）和熱電冷卻四種方案的優(yōu)劣，并對多種混合系統(tǒng)進(jìn)行了分析。空氣冷卻能耗最低、維護(hù)簡單、成本最低，適用于熱負(fù)荷較低的短途電動汽車；液冷換熱系數(shù)高、比熱容大、溫度分布均勻，但成本、重量和維護(hù)需求也更高，適合長途高熱負(fù)荷場景；PCM系統(tǒng)可在相變過程中被動吸收大量熱量，但熱導(dǎo)率低、潛熱有效溫度范圍窄，適用于熱負(fù)荷穩(wěn)定且環(huán)境溫度恒定的應(yīng)用；熱電冷卻溫度控制精準(zhǔn)，但單獨(dú)使用時制冷效率不足，需與風(fēng)冷或液冷等方式聯(lián)合使用；混合BTMS則可綜合多種方案的優(yōu)勢，卻會帶來更高的系統(tǒng)復(fù)雜性和成本。因此，在選型與設(shè)計(jì)時，應(yīng)充分權(quán)衡各方案的特點(diǎn)與實(shí)際需求，選擇最優(yōu)的混合或單一BTMS組合。