【干货】热管耦合风冷在锂离子电池热管理系统的应用

1前言

随着工业的发展，传统化石能源的消耗速度逐渐加快，生态环境问题日益严重，极大地威胁着人类健康和社会的可持续发展。为了减少二氧化碳和其他温室气体的排放，世界主要国家和地区都制定了“碳达峰”和“碳中和”的目标。产生较少二氧化碳的电动汽车（EV）和混合动力电动汽车作为新一代和内燃机动力汽车的替代品被引入。动力电池作为电动汽车的核心，其技术也在不断发展，在众多电池中，锂离子电池具有能量密度高、比能量高、自放电率低、循环寿命长等优点。然而，锂离子电池对其工作温度非常敏感，尤其是在高放电速率下。锂离子电池的最佳工作温度范围为25~40℃，而模块中的温差最好保持在5℃以下。因此，设计适当的热管理系统TMS，将电池温度保持在最佳范围内并防止热失控对于锂离子电池的运行至关重要。

根据不同的散热需求，研究人员提出了风冷、液冷、相变材料冷却等多种电池热管理技术。风冷系统因其结构简单、成本低、质量轻等优点而被广泛使用；液体冷却因液体冷却剂具有更高的传热系数，是一种更有效的冷却系统，但会导致泄漏和短路风险；相变材料（PCM）可以成功地降低平均温度，但存在成本高、长期缺乏热稳定性、导热系数低、熔化后泄漏等问题。热管是众所周知的热超导体，具有许多优点，包括低成本、高传热性能和效率。此外，热管几何形状灵活，分为传统圆管、长扁管和板式热管，结构紧凑，使用寿命长。故基于热管的冷却技术近年来受到广泛关注，本文研究使用热管和空气冷却的冷却技术的应用。

2锂离子电池热分析

2.1锂离子电池结构组成

锂离子电池通常由正极、负极、电解液、隔膜、集电器和外壳组成，典型结构如图1所示。电极是锂离子电池内部的关键部件，决定了电池的容量和能量密度。已经开发出多种正极材料，这些材料根据其结构一般可分为3种类型：层状结构、尖晶石结构和橄榄石结构[9]。层状结构材料是指那些具有层状结构的锂过渡金属氧化物，如LiCoO2和LiNiO2；尖晶石结构材料通常指LiMn2O4；橄榄石结构材料是含有锂的过渡金属磷酸盐，例如LiFePO4和LiMnPO4。锂离子电池的电解质是含锂盐的非水溶液（例如LiPF）6溶解在有机液体混合物的溶剂中，例如碳酸乙烯酯（EC）、碳酸丙烯酯（PC）、碳酸二乙酯（DEC）或碳酸甲乙酯（EMC）。隔膜用于在内部短路的情况下分离正极和负极。虽然锂离子可以毫无阻碍地通过它，但隔膜是电绝缘体，这意味着电子被阻挡，在正常情况下不允许交叉。此外，当电池内部的温度过高时，分离器将关闭电池，这就像一个熔断丝，防止热失控的发生。集流器的功能是收集电池产生的电流，它们一般是由负极的铜和正极的铝分别制成。外壳是支撑整个电池的密封容器，原材料通常是钢或铝，以达到满意的机械和热物理性能。

2.2锂离子电池工作原理

锂离子电池的充电/放电过程就是锂离子和电子的传输。在充电过程中，锂离子从正极粒子中被提取出来，并通过电解质和分离器流向负极。为了保持电力平衡，相同数量的电子同时在正电极颗粒表面释放。然后这些电子被正极电流收集器收集，并通过外部电路到达负极，形成电荷电流。锂离子与电子发生反应，并最终夹杂在正电极材料中。在放电过程中，电化学过程与充电时的情况相反。等量的锂离子和电子同时从负极逃出，并分别通过内部和外部通道迁移回正极。

锂离子电池在充电过程中的电化学反应方程式：

正极反应：LiMO2→Li1-xMO2+xLi++xe-（1）

负极反应：nC+xLi++Le-→LixCn（2）

总反应：LiMO2+nC-Li1-xMO2+LixCn（3）

式中：M——Co、Ni、Fe、W等元素。

放电时的反应是上述反应逆向。

2.3锂离子电池产热分析

热效应引起的温度变化极大地影响了锂离子电池的性能，有必要找出热源以辅助电池热管理，并预测电池温度以警告异常情况。

锂离子电池的产热根据其产生原因包括可逆热和不可逆热。可逆热源于与电化学反应相关的熵变化，因此，它也被称为反应热或熵热。不可逆的热量由活性极化热和欧姆热组成。其中，极化是电池开路电位和工作电位之间的偏差，而在固体-电解质界面，有一个阻碍电荷转移过程的阻力，在锂的插层和去插层过程中，需要克服障碍的能量被称为活性极化热；欧姆热或焦耳热是由固体和电解质阶段的传输阻力引起的能量损失。由于电池内部发热过程的复杂性，已经引入了各种方程，Karimi和Li将局部发热方程进行简写，具体如公式（4）所示。

3冷却系统的设计

3.1锂离子电池热管理系统的要求

由于锂离子电池对于温度非常敏感，故对电池热管理系统提出以下要求。

1）电池包层面，电池温度需要保持在25℃和40℃之间，由于电池技术的改进，可接受的性能和使用寿命的门槛被设定为50℃，以及在正常工作条件下不超过60℃的安全限制，以提供最佳的操作寿命和性能。

2）电池模组层面，需要确保温度均匀性，即电池与电池之间的温差需要低于5℃，否则将产生电化学不平衡，使整个电池组的性能恶化。

3）单体电池层面，单个电池的温度梯度不应超过3~5℃，以保证最佳性能。

热管理系统BTMS除了必须满足的这些基本要求之外，一个好的BTMS还需要满足几个要求，例如不仅能够在极端环境中在高放电速率条件下安全运行，并且保证功耗低，同时保持低复杂性和低成本。

3.2热管耦合风冷

由于空气的传热系数低，空气冷却系统在某些情况下是不实用的，包括高环境温度和高充电/放电倍率条件下，因此，利用有效导热性好的热管，与风冷进行耦合，去除热管冷凝器处多余热量，进行有效的热管理。

当热管的冷凝器不使用额外的组件时，热量通过自由对流去除。自由对流是日产聆风LeaF的首选热管理系统（TMS），多年来一直是全球最畅销的电动汽车。图2给出了使用自由对流冷却热管的BTMS设计示例。

强制空气对流是电动汽车时代初期最常见的TMS解决方案，因其简单性和低成本而被选中。但该技术有一个固有的缺点，热介质空气的热力学性能差。而利用热管可以弥补上述限制，图3给出了使用强制空气对流冷却热管的BTMS设计示例。

4结论

全球已经快速增长的电动汽车数量预计将在未来几年进一步增加，以实现国际商定的排放目标并减少道路污染。为此，电动汽车的性能需要在全电动续航里程、充电时间和成本方面得到改善。而发热是影响电池老化、安全性和容量的主要因素之一。此外，温度不均匀性也会导致电池的老化，从而导致电池性能下降。为了避免这种不良行为，开发有效的BTMS至关重要。热管耦合风冷的热管理技术具有被动性和出色的热性能，可以改善电动汽车BTMS的当前技术水平。

⇩⇩⇩ 点击 “阅读原文” 报名 “ 2023世界动力电池材料大会 ”