1 动力电池热管理技术研究现状
1.1 电池热管理-空冷技术
空冷技术根据冷却结构可被分为主动式冷却和被动式冷却。这一技术是将空气作为冷却介质，在电池模组加装散热风扇和通风孔，具体如图1所示。
空气可通过自然对流与锂电池表面进行对流热交换，带走电池产生的热量。但是，当电池发热速率过快时，则需采用主动强制对流的方式进行热交换并快速带走热量。采用空冷技术的设备具有成本低、使用寿命长、便于维护且在电池低放电倍率下具有较低的功耗的特点，是最早开始广泛使用的动力电池冷却技术。
对于空冷技术来说，电池的结构排列、间距、风速 和电池形状是影响热行为的关键因素。FANY等针对 32个 18650圆柱形锂离子电池构成的电池组，在不同空气流速下研究了对齐、交错和交叉结构下的冷却性能 （见图2），并通过改变电池放电倍率和对流空气的温度研究空气冷却系统的冷却效果。结果表明，电池组对齐排列具有最佳的冷却性能和温度均匀性，并且所需功耗也比交错、交叉结构低23%。其他研究则表明，风冷系统的能效会随着风速的增加而降低，也说明了空冷技术的冷却能力是有一个理论上限的。ZHANGY等探究了在不同放电倍率下电池排列结构和电芯间距对电池包 温度分布的影响。结果表明，环状结构电池温度上升速度快于线状和方形结构电池，其电池表面温度最高，而且其温差高达8.5℃，放电时间也比其他两种结构短近 200s，热性能最差；再通过增加电芯间距离可改善热性能，但当距离超过7mm时，改善幅度不大。
为了进一步优化空冷技术的散热性，二级流道的结构设计被引入，用来降低最大温度和减小温差。DAND等在传统的空冷散热系统中引入微型热管阵列（MicroHeatPipeArray，MHPA）作为二级散热流道 （见图 3）。仿真结果表明，冷却通道内的MHPA能为瞬态 偏移或不稳定的电池运行环境提供及时响应，与那些没有二级流道结构的电池散热系统相比，装有MHPA 的散热设计更能观察到细微的温升和环境温度波动。
随着电池技术的不断发展，空冷技术因空气传热 系数低、冷却速度慢、空间利用率较低、防水防尘困难等，已不再适用于排列紧密的方形、软包电池。
1.2 电池热管理-间接液冷技术
作为空冷之后的热管理改进方案，液冷技术应运而生。具有优异的热交换特性 （高导热性和比热容）的液体可被广泛用作冷却媒介。与空冷技术相比，液冷具有更高的传热效率和比热容，电池的结构设计灵活多变，目前被称为是综合性能最好的电池热管理方案 。
目前用于间接液冷技术的冷却液主要有水、醇类 （乙醇水溶液、乙二醇水溶液和丙二醇水溶液等） 和油类 （矿物油、白油、硅油等）。其中，水是最常见的冷却介质，具有物美价廉的特性 （成本低、电导率低、 换热效率高） 在早期工业和生活中得到了广泛的应用。 但是，因为水的腐蚀性较强，冰点较高 （0℃），在极端工况条件下难以满足动力电池热管理的使用需求。 丙二醇水溶液具有低毒性，且对铝材腐蚀性较低，但其热交换性能和冰点防护性能略逊于乙二醇水溶液 （与水混合比小于 60%时），其冰点随丙二醇含量的增 加而持续下降，不同于乙二醇的防冻冷却液会出现拐点，而且丙二醇生产成本较高，且高黏度特性使它在极端气候下会额外增加循环泵的功耗。
综上所述，目前市场上通用的冷却介质仍以乙二醇水溶液为主，市场占有率近 90%。乙二醇冷却液主要由去离子水、乙二醇和各种添加剂组成。其中，作为冷却介质的乙二醇化学性质较为活泼，容易被氧化成酸性的物质 （比如乙醇醛、乙醇酸、草酸等），如图 4所示。乙二醇的变质会对电池组件（液冷板金属、密 封圈等） 产生一定的腐蚀作用，并有可能生成污垢， 降低防冻冷却效果，甚至造成冷却液泄漏，故冷却液中需要使用合适的添加剂以维持其性能。正常情况下， 冷却液中添加剂的用量不超过 5%，主要有缓蚀剂、消泡剂、缓冲剂和着色剂等。
以下是乙二醇冷却液中关键添加剂的功能和成分介绍。
a)缓蚀剂。缓蚀剂作为冷却液添加剂的主要组分， 其作用是防止液冷板金属腐蚀穿孔，以免造成冷却液的渗漏或流失。目前市面上缓蚀剂主要分为无机型和有机型，因其缓蚀机理不同，显示出冷却液不同的特性。
无机型缓蚀剂主要是通过使金属氧化并在金属表面形成钝化膜或一层致密的难溶盐膜来保护液冷板板材，是最早应用于燃油发动机冷却液中的缓蚀添加剂。但随着绿色交通和新能源动力电车技术的不断发展，早期的无机型添加剂因不断显现的劣势已不能满足使用要求，例如磷酸盐容易与水中的钙、镁离子反应生成水垢，降低冷却液的传热性能；硅酸盐易产生絮凝并堵塞液冷板管道，降低传热效果；硝酸盐、亚硝酸盐和钼酸盐类因具有毒性、强氧化性、环境污染性等特点，限制了它们在新能源动力电池冷却液中的使用。
有机型添加剂因结构稳定、对环境危害小、电导率低等优点逐渐被应用到冷却液中。其中，芳香酸盐是常见的冷却液缓蚀添加剂，如苯甲酸、羟基苯甲酸、对氯苯甲酸、对硝基苯甲酸等酸的盐类物质。苯甲酸钠作为一种非氧化型的缓蚀剂，通过其他氧化剂的作用在金属表面生成一层保护膜，且苯甲酸盐使用 比较安全，即使是在浓度较低的情况下也能全面防腐蚀，不会造成局部腐蚀，是目前最为常用的一种有机芳香型缓蚀剂。脂肪酸是近年来才在冷却液中使用的 一类缓蚀剂，主要有一元羧酸和二元羧酸两大类 （如己酸、辛酸、癸二酸等）。其特点就是消耗较慢，这与它通过活性吸附的缓蚀作用机理有关。另外，脂肪酸为弱酸，可以与配方中的碱形成缓冲对，具有一定的缓冲调节冷却液pH值的能力。
b)消泡剂。消泡剂在冷却液的循环使用中可降低泡沫倾向，以削弱气穴腐蚀，增强散热效果，延长冷却液金属流通管道的使用寿命。消泡剂主要可分为非硅型、聚醚型、有机硅型和聚醚改性有机硅型。非硅型消泡剂主要有醇类、脂肪酸酯类等，其制备原料易得，生产成本低，但消泡效率较低，且专用性较强。 聚醚型消泡剂具有抑泡能力强、耐高温等优良性能， 但缺点是有一定毒性，破泡速率低。有机硅型消泡剂在水及一般油中的溶解度低且活性高，具有消泡能力较强、挥发性低、无毒、化学性质稳定等特点，但是其抑泡性能较差。聚醚改性有机硅型消泡剂不仅具备有机硅型消泡剂消泡效力强、挥发性低、无毒、稳定等特点，还具有聚醚型消泡剂的抑泡能力强、分散性能好等特性，是目前市面上使用最为广泛的消泡剂之一。
c)其他添加剂。缓冲剂的加入使冷却液具备一定的缓冲能力，能够使冷却液在使用过程中维持稳定的 pH值，有效防止金属的电化学腐蚀；着色剂使冷却液具有醒目的颜色，便于在冷却系统发生故障时通过观察外部管路判断渗漏位置或者冷却液是否需要更换。
综上所述，影响冷却液最关键性能的是缓蚀添加剂的选择和使用。以全有机型冷却液配方为例，最早出现的是由英国国家实验室开发的AL-39配方，并用于燃油发动机中。该配方主要由质量分数为 4.5%的癸二酸和质量分数为 0.3%的甲基苯三唑组成。这类冷却液对铝合金和铜有较强的保护性，同时灰分和电导率较低，也被认为是动力电池液冷系统的理想选择之一。 但是，目前还没有一种添加剂能对所有的金属都具有很好的保护作用，因此在商业化冷却液的添加剂中往往使用多种缓蚀剂进行复配，以满足实际工况需求。
尽管复配的全有机型添加剂具备诸多优势，但应用上有一定技术门槛，需要大量配方实验来避免对橡 胶密封件造成负面影响，因而导致市场上冷却液产品质量参差不齐。当前，市售的冷却液仍然以传统的无机盐型为主，主要应用于传统燃油发动机中。针对动力电池冷却液全有机复合添加剂的开发主要还是由巴斯夫、陶氏、Dober、Arteco等国外企业主导，国内仍然处于发展阶段，例如巴斯夫也直到2022年11月2日才发布了专门针对新能源冷却液的产品——固力顺 G22E+。该产品兼具低电导率、良好的防腐蚀保护性能，实现了低流体分解和低氢气的生成。
国内的全有机型添加剂研发起步较晚，仅中石油、中石化、龙蟠科技和部分新能源整车企 （比如比亚迪） 目前拥有相关冷却液产品业务，整体研发实力均落后于国外厂商。 庆幸的是，由中国石化润滑油有限公司牵头电动汽车及配套电池和冷却液等相关领域龙头企业，于 2021年在传统燃油发动机冷却液行业标准和美国标准的基础上颁布、制定了针对新能源动力电车冷却液的行业标准 NB/SH/T6047—2021《电动汽车冷却液》，并已于 2022年 5月正式实施，相信会进一步规范和推动这一新兴领域的技术和市场蓬勃发展。
随着动力电池技术的发展，未来冷却液也将朝着 环保、长寿命和高传热性能等方向发展。除此之外， 如何科学回收处理废弃的冷却液也将是动力电池间接液冷技术实施时亟须关注和解决的问题。
1.3 电池热管理-直接接触式液冷技术
直接接触式液冷技术又称浸没式液冷，即将发热器件浸在冷却液中，也依靠冷却液的循环流动带走热量。浸没式液冷的发热元件与冷却介质直接接触，相 比于间接液冷技术，它的散热效率更高。其中，浸没式冷却主要分为两相液冷和单相液冷，如图 5所示。
对于两相液冷，冷却液在循环过程中会发生相变汽化带走热量，气态冷却液被其他设备冷凝重新变成液态， 因此该技术散热效率很高，但冷却液蒸发为气态的过程中会发生逃逸，所以对容器的密封性有严格要求。
对于单相液冷，冷却液在循环散热过程中保持液态不发 生相变，升温后的冷却液流动到其他区域后重新冷却完成循环。相比于两相液冷，单相液冷要求冷却液的沸点 较高，不需频繁补充冷却液，而且其容器密封性要求不 是特别高，但其散热效率相对要低一些。目前，浸没式液冷技术已经成功应用于数据中心服务器、电子电力设备等。由于浸没式液冷技术优异的冷却效率和良好的温度均一性，研究人员也尝试将它应用到动力学电池热管理系统中。佟薇将用于数据中心的浸没冷却介 质氟化液Novee7100作为冷却液对 18650型锂电池进 行浸没冷却，结果显示电池包的温度可低至30.8℃。
由于氟化液高昂的价格和潜在的氟类毒性化学物质，极大地限制了它在动力电池上的应用和发展，因而更多的研究和商业开发也集中到了以矿物油为基础的直接接触式冷却液开发上。WANGHT等将变压器油作为冷却介质，探讨了变压器油的浸没深度和流速对电池热行为的影响。结果显示，在 2C （C 为充放电倍率） 放电下，相比于传统空冷，最高温度从 58.3℃降到了 39.4℃，并且电池表面的温差从4.97℃降到了 1.23℃， 这体现出了极佳的散热效果。相比于氟类冷却介质，虽然矿物油具备低毒性、绝缘且价格低廉等优点，但它可燃的特性使得电池在极端运行环境下会发生潜在风险。不仅如此，矿物油过高的黏度会额外增加循环泵的功耗，也会给后续电池的维保工作带来不便。故动力电池浸没式液冷技术目前还未在市面上大规模应用，仅在文献和专利上有少数报道。
1.4 电池热管理-相变冷技术
相变冷技术是近几年新兴的一种热管理方案，与传统的风冷、液冷技术相比，相变冷技术具有控温性能好、体积小、无额外功耗、环保等优点。该技术的核心是相变材料 （PCM）。通常PCM按照其相变形态可分为固-固、固-液、固-气和液-气。截至今日，报道过的相变材料已超过 16000种，但并不是所有的相变材料都可以用于热管理。由于有机相变材料具备理想 的相变温度 （30～60℃） 且无过冷特性，故应用于电子器件热管理上以有机相变材料为主。如图 6所示， 工业石蜡因低成本、宽相变温度和高潜热，成为目前市场上主流的热管理相变材料。但有机相变材料的低热导率[小于0.5W（/m·K）]限制了其发展，故通过与高导 热材料复合成为了一种有效的改性手段。
a)PCM和泡沫金属复合。泡沫金属具有低密度、 高热导率和大比表面积的特点，被认为是理想的热管理复合材料之一。当有机相变材料发生相变后包覆在泡沫金属中，由于泡沫金属的特性可显著提升传热速率并保持温度的均一性。WANGZC等研究了石蜡/铝泡沫对 18650型锂电池的冷却效率，在热通量分别为 7000W/m2和 12000W/m2时，这一复合相变材料的蓄 热时间相比于纯石蜡分别缩短了 26.4%和 25.6%。HUSSAINA等将石蜡/石墨烯/泡沫镍作为相变材料对容量为 3.4A·h的电池包进行冷却实验。结果显示，在 2C 放电下，相比于空气冷和纯石蜡，电池的最高温度 和表面温差分别降低了 31%和 24%，其冷却方案和实验装置示意图如图7所示。
b)PCM和碳纳米材料复合。碳材料因它优异的稳定性、较高的热导率，可极大地提高吸热和散热速率， 故被认为是理想的复合材料之一，而且引入特定的碳材料 （例如膨胀石墨、石墨烯、碳纳米管、碳纤维） 后，在相转变时可有效抑制相变材料的泄漏和体积的变化，从而降低热管理性能。JIANGGW等研究了 RT44HC型石蜡复合膨胀石墨对电池散热行为的影响。 结果显示，当膨胀石墨的质量分数为 30%时，石蜡的热导率从 0.2W（/m·K）提升到 13.85W（/m·K），并且石蜡的相变泄漏率仅为0.38%。LINCJ等对石蜡、膨胀石墨和石墨片复合后容量为 40A·h的磷酸铁锂电池进 行了热管理研究[见图 8(a)]。结果显示，在 1C 放电下， 电池表面最高温度分别降低了 32%和 37%，电池运行1h后整个电池包温差在5℃以内[见图8(b)]，表现出了优异的温度均一性，且在 15℃低温环境下仍可保持正常运行，证明了复合碳纳米材料不仅可提升高温散热性能，也可在低温下提供快速的热传递效率。
c)PCM和热管复合。热管作为一种高效的传热元件，不仅电池集成度高，可弯曲折叠，而且在不消耗功耗的情况下可将大量的热量从热源传递到冷却端完成电池的热管理。JIANGZY等将电池、热管和石蜡组合成一个“三明治”结构，通过数值模拟探究了其热力学行为。结果显示，加入热管后可极大地提升电池包在低温条件下的运行性能，且石蜡的熔点比运行温度提高了 3℃。ZHANGWC等设计了一种新型的 热管复合石蜡，并用于电池热管理系统。不同于现有电池热管理相变技术，石蜡没有集成到电池包里面， 故该热管理系统具有结构紧凑、安全易维护等优点。 研究表明，该系统相比于其他热管理技术，降温效果最显著且极大地改善了电池包快速充放电下的均温特性，在5C 放电下表面温差不超过 5℃。电池组和分离型电池热管理系统如图9所示。
1.5 混合冷却技术
当电池在极端条件下运行时 （超快速充放电、寒冷或高温环境等），由于相变材料自身的特性，在完全相转变时无法吸收或传递出更多的热量来确保电池的正常运行。将相变材料与空冷或液冷技术结合，可解决这一问题。LINGZY等提出了石蜡/膨胀石墨复合后与风冷技术相结合的方案，如图 10所示。单独依靠空气对流对电池进行散热，在1.5C 和2C 放电下仅充放两个循环后，电池的温度已经超过极限安全运行温度 （60℃）。然而与相变冷技术复合后，在长时间的循环充放电下，电池表面最高温度控制在了 50℃以下，且表面温差也在 3℃以内。SONGLM等将相变材料与 液冷技术相结合，也设计出了一种高充放电倍率情况下的电池热管理方案。通过数值模拟和实验研究发现，增大散热板的厚度、热柱的半径和优化电池间距，可以有效改善电池热管理性能。相比于单独的液冷技术和相变冷技术，该混合冷却技术极大地降低了电池升温速率并表现出了优异的电池恒温特性。
与传统的冷却技术相比，虽然相变冷及其复合技术显示出诸多的优势，但至今仍有大量研究致力于优化这一热管技术。目前在实际生活中将相变材料应用于电子设备 （比如智能手机、电脑、信号基站、数据中心）中仍然占很小比例。据调研，仅智能手机小米 8 采用了固-液类型相变材料，它可使手机电池表面温度降低3℃；华为MateRS系列手机使用微胶囊技术将相 变材料封装起来用于手机零部件的散热系统。
相变冷技术难以在电子器件中规模化应用的原因是：
a)可能是由于电子器件紧凑狭小的空间、固-液相转变时的泄漏问题，对相变材料的集成和封装技术要求严格；
b)高潜热相变材料高成本、较低的热循环率 （结晶水合盐）、较低的化学稳定性、对金属 （盐水合物和液态金属） 的腐蚀以及有机相变材料的导热率低，无法实现一个完美的平衡。
用于动力电池上的相变冷技术也仅限于文献报道，在实际应用中目前使用最多的是石蜡和膨胀石墨的复合技术。未来随着动力电池技术的不断发展，针对超快充放电的需求和极端恶劣的工作环境，混合了相变冷技术和风冷或液冷技术是未来发展的趋势。与此同时，新能源汽车小型轻量化将推动 热管理系统向更紧凑、更节能环保、更安全可靠的方向发展。
2 动力电池热管理技术总结
图 11和表1分别对现有的动力电池热管理技术做了总结。根据动力电池模组的排列方式和电芯特性的不同，其热管理方式也不同。
因空气冷技术冷却速度慢、换热效率不高，只适用于低能量密度和短续航里程的低端动力车型。液冷技术中的间接液冷技术因技术成熟、传热效率高、稳定性好，已大规模应用于中高端车型动力电池热管理系统中。由于相变石蜡导热系数低，相变前后体积变化大，潜在泄漏问题和复合相变材料的高成本等问题无法解决，它在动力电池领域应用不多。
目前，针对动力电池的热管理方案，空气冷却和间接液冷技术几乎占据了 90%以上的份额， 相变材料冷却和浸没式液冷技术也仅仅是在高端轿车和商业乘用车上有少量应用。
结束语
针对空气冷却、间接液冷、浸没式液冷、相变材料冷却等常用的几种动力电池热管理技术的原理及研究现状进行分析。现今动力电池热管理技术及其市场仍处于蓬勃发展阶段，兼具低成本、高换热效率和长寿命的热管理技术未来必将在市场中占据主导地位。若要朝着这一方向发展，不仅需要材料的创新，更要进行动力电池结构设计的创新。相信随着技术的不断发展，动力电池热管理解决方案也将变得更加完善。
