高效电池热管理系统的冷却技术解析

各位老铁们好，相信很多人对高效电池热管理系统的冷却技术解析都不是特别的了解，因此呢，今天就来为大家分享下关于高效电池热管理系统的冷却技术解析以及的问题知识，还望可以帮助大家，解决大家的一些困惑，下面一起来看看吧！

大多数固液 PCM 的主要缺点是其导热系数相对较低，导致在正常或频繁的操作中产生过多的热量积累。在极端天气下，如炎热的夏季或沙漠地区，完全熔化的 PCM 可能由于其低导热率而成为隔热材料。PCM 固有的热惯性使它们不能在恶劣的天气条件下冷却电池模块。

风冷

通过了解驱动模式、散热和外部环境因素，选择一种合适的 BTMS类型是很重要的。典型的锂离子电池的被动风冷 BTMS结构为电池单元在电池组内部定期排列，外部空气通过车辆的相对运动流入电池组一侧的进气口，通过电池之间的间隙，最后从电池组另一侧的排气口排出，产生的热量被气流带走。由于被动风冷 BTMS在汽车行驶缓慢或环境温度较高时可能不够用，因此通过增加风扇或鼓风机来增加空气流量的主动辅助方法是确保最低冷却需求的必要升级。

一个基本的主动风冷 BTMS由电池组、冷却通道、入口和出口以及冷却风扇组成，入口或出口上的风扇或鼓风机可以产生足够的气流来携带过多的热量或使温度分布更加均匀。尽管存在成本适度增加、噪音和额外能耗等缺点，但主动风冷 BTMS凭借其整体散热和可靠的性能仍然是大多数 OEM(Original Equipment Manufacturer)的主流冷却策略。

风冷方案直接影响电池组的输出、成本和寿命，从而影响车辆的性能、制造成本和使用寿命，因此需要对影响电池组的所有参数进行优化，以达到车辆的最佳性能。与具有与空气相同流量的液基系统相比，通过空气冷却很难以足够的流量去除产生的热量。此外，为了在包装中保持通过空气循环有效传热所需的更大的间隙，包装中应容纳少量的电池，但是这限制了包装中的能量存储。

该系统的另一个缺点是，它产生过多的噪音，由多个风扇或鼓风机用于 BTMS。这些缺点限制了空气冷却 BTMS的使用，严重影响电池的性能和电动汽车的使用范围。近年来，研究人员对现有的风冷 BTMS改进研究工作可分为五类：电池组设计改进、冷却通道改进、进出口改进、导热材料改进和二次通道改进。

Peng等人研究了各种电池布置、进出口数量和位置对电池组热管理的影响。结果表明，采用小长宽比的布置更有利于提升冷却系统的性能，冷却系统的入口和出口配置有助于流体在较短距离内流过大部分电池组，更有利于电池热管理，并且较多的进出口的配置，可以更灵活地调整液流状态，更大程度上减缓电池发热。

Xu等人研究 I型和 U型风道的电池组底部管道的散热情况。通过分析发现，在电池组中使用 U型风道比使用 I型风道具有更多的散热。

Chen等人通过设计气流回路提高了风冷 BTMS的效率。在他们的研究中，不仅检查了入口和出口区域的位置对冷却效果的影响，还预测了入口和出口位于中间的对称风冷冷却系统比传统的 Z型流动回路具有更高的冷却效率，但该结论仍需要进一步的实验验证。

Xie等人提出了一种新颖的优化方法，用于具有不同单元间距的空气通道，即每行和每列之间使用不同的空气通道，而不是均匀间隔的空气通道，目的是降低局部通道的电阻，改善电池组中单体电池的温度不均。通过优化 3P4S电池组(三串并联，每串四节)，最大温差可降低2℃。但对于其他组合形式的电池组，还有待研究优化。

Yu等人开发了一种双向 BTMS气流系统，可将空气通道和风扇分开，两个独立的空气通道提高了风扇的效率，并且此方法可以提供更低的温度和更均匀的温度分布，有助于设计具有长寿命和高性能的锂离子电池。

本田 Insight和丰田普锐斯是第一款商用混合动力电动汽车将空气冷却策略用于 BTMS。本田 Insight的电池组使用了20个圆柱形电池模块，每个144 V、0.94 kWh，而丰田 Prius电池组使用了38个方形电池模块，每个模块的容量为273.6 V 和1.78 kWh。上汽通用五菱红光迷你电动汽车作为中国最便宜的电动汽车，其电池模块和电动机均采用了空冷方式。自2020年8月以来，该公司在中国的销量超过了特斯拉 Model3，三个月内就售卖了 55871辆电动汽车。

液体冷却

液体冷却是另一种常用的冷却方法。与空气冷却相比，液体冷却由于其传热系数更高，因此效率也更高。

液体冷却可分为直接冷却和间接冷却。直接冷却(如液体浸没冷却)可以冷却整个电池面，极大地提高了锂电池的温度均匀性。直接接触式液体冷却由于对电池系统的防水性能要求较高，在汽车电池冷却系统中并不常见，可能会发生电气短路和电化学反应。间接液体冷却(如管式冷却、微型/微通道冷板冷却、护套冷却等)因其易于实施、安全性更高的优点引起了许多学者的关注。基于冷板的冷却是一种间接去除热能的方法包括将冷板夹在锂离子电池之间，液体借助微型通道在其中流动。

Zhen等人分析了通道数、入口质量流量、流向和通道宽度对电池组热行为的影响。结果表明，微通道冷板热管理系统在控制 5C 放电时的电池温度方面提供了良好的冷却效率。

Yuan提出了一种由冷板和热管组成的电池液冷结构。结构可以满足电池连续工作的冷却需要。实验中使用的热管 - 铜板结构重量仅为253g，仅占整个冷却系统的很小一部分，并对冷却水流量、环境和入口冷却水温度、电池放电率等影响因素进行了详细的实验研究。结果表明，冷却水流量需要综合考虑温升和均匀性来选择,电池冷却系统在不同的环境和进水温度下需要注意不同的指标。

Wiriyasart等人介绍了利用氧化钛纳米流体通过波纹状的微型通道的热管理系统，结果表明，与传统冷却方法相比，使用纳米流体作为冷却剂的电池表面最高温度降低了27.5%。

美国通用公司的 Volt和特斯拉的 ModleX 的电池热管理均采用的液体冷却，其车载液冷式锂离子电池热管理系统冷却液是比例为 1:1的乙二醇/水，两种电动车在市场上备受好评。

PCM 冷却

基于相变材料的锂离子电池热管理系统也被称作PCM-BTMS。PCM(Phase Change Material)指的就是在工况特定的情况下能够相变的材料，在相变状态下会出现潜热吸收或者是释放的情况，因材料本身温度的波动小并且特性不改变，所以其有较强的零能量消耗的蓄热能力。应根据相变温度的不同要求，选择合适的 PCM。PCM 的优点是不需要额外的能量和相对复杂的冷却结构。

Bai等人从节能和流体力学的角度设计了 PCM/冷板电池模块，运用数值分析了影响冷却模块性能的因素，如进口流向、导热系数、PCM 熔点等。结果表明，PCM/冷板结构能有效地冷却 LIB。电池的平均温度可保持在 38.5℃。

Yu等人提出了一种使用 PCM 和冷却水作为冷却装置来控制 LIB 温度的 BTMS。并且采用石墨片来提高 PCM 的导热系数，从而获得更好的温度均匀性，通过对 LIB模块的三维数值仿真，验证了该 BTMS的有效性。

Lei等人提出了集成 PCM、热管和喷雾冷却的 BTMS,可以维持锂电池在不同环境下的热稳定性，白天产生的电池热量将储存在 PCM 中。当电池温度持续升高时，电池的热量通过热管从电池表面传递到冷凝端，并间歇性喷水，当夜间温度较低时，PCM 中储存的潜热会被释放，保护 LIB 的性能不受低温降解和材料的损伤。