周东辉
浙江工业职业技术学院 交通学院 浙江绍兴 312000
摘要：电动汽车的电池热管理系统对于电池性能、续航里程、电池寿命和使用安全至关重要。本文介绍了热管的工作原理及优点，综述了热管技术应用于电池热管理的研究现状，通过分析总结，提出了基于热管技术的锂离子电池热管理还需要在热管传热的优化设计、热管的加热、热管与相变材料耦合的热管理技术等方面开展进一步研究。
关键词：热管；锂离子动力电池；热管理；优化设计
中途分类号：TK 121 文献标志码：A 文章编号：
0引言
动力电池是电动汽车的核心部件，为整车提供动力来源，其性能优劣直接制约着整车的动力性、安全性和经济性，因此动力电池技术是电动汽车能否得以快速发展的关键性制约问题。目前动力电池主要有铅酸电池、镍铬电池、镍氢电池、钠硫电池和锂离子电池，而锂离子电池相比其他种类电池在工作电压、比能量、充放电效率和循环寿命等方面具有较强优势，在电动汽车上得到了越来越广泛的应用[1]。锂离子电池在大电流快速充放电循环过程中会产生大量的热量，导致电池温度急剧变化，并且电池单体各部分也有很大的温度梯度[2]，成为影响电动汽车整车安全性和环境适应性的关键因素[3]。因此，需要开发高效的热管理系统控制锂离子动力电池的温度和电池单体间的温差，保证锂离子动力电池在适宜的温度工作，从而提高其性能。
根据采用的传热介质，目前常用的动力电池热管理措施包括风冷、液冷和相变冷却。风冷散热技术基于气-固热交换理论，虽然风冷系统结构简单、成本低廉，但是换热效率较低，均温性能不佳，而且对于大规模电池组而言，由于电池热负荷较大, 热传导的弛豫时间较长, 空气冷却无法满足散热要求[4]。液冷是电池间接或直接接触导热率较高的液体从而冷却的一种方式，常采用水或者制冷剂作为工作介质, 换热系数高, 电池包温度均匀性好，但是系统设计复杂、结构繁琐、维修和保养复杂，存在漏液等安全风险。相变冷却是以相变材料（PCM）作为传热介质，利用相变材料在发生相变时可以储能与放能的特性达到对动力电池低温加热与高温散热的效果，能保证电池各单体温度分布均匀，且结构紧凑、布置灵活，但是相变材料的导热系数低，导热性能较差，容易引起热量积聚，在大电流或极端天气条件下，热管理效率会明显降低，甚至热量不能及时导出，带来电池堆过热等一系列安全隐患[5,6]。上述的热管理方案均难以满足大功率锂离子动力电池对导热量、导热速率、体积质量的更高要求。热管是一种基于气液相变原理的高效传热元件, 能够快速高效地把热能从一个地方输送到另一个地方，也就是能够把热量快速有效地在两个物体间进行传输其热阻低，其热传导系数高、重量轻、体积小, 结合风冷、液冷技术可实现集中高效散热, 近年来成为动力电池热管理领域研究的一个热点[7]。
本文首先介绍热管的工作原理，之后重点介绍热管技术应用于电池热管理的研究现状，最后通过分析总结，提出基于热管技术的电池热管理研究中还需要解决的关键问题。
1 热管的工作原理
热管是一内部充有相变介质的密封结构的导热元件，其通过工作介质相变时的快速热传递的特性和热传导的原理将热量进行快速高效的传递，并通过毛细力的作用将液化后的液体输送回热管蒸发段。热管按其构造分为蒸发端（加热段）、绝热段和冷凝端（冷却段），如图1所示。当热管的蒸发段受热时，该区域吸液芯内的液态工质迅速气化吸热，蒸汽在微小压差的驱动下流动至冷凝段，遇冷释放出热量，蒸汽液化，重新凝结成液体；冷凝后的液态工质通过吸液芯的毛细力作用回流到蒸发段，再受热蒸发，如此周而复始完成整个传热循环，实现热量从热源一端传递到冷源端，达到散热效果[8]。热管具有导热性能好、均温性能好、可变热流密度、适应能力强、传热方向可逆等优点。热管的结构形式主要有脉动热管、环路热管、烧结热管和平板热管等。
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图1 热管工作原理示意图[8]
2 基于热管的散热技术
在锂离子动力电池的热管理中，热管技术作为散热方式取得了一定的研究进展，目前主要处于实验室研究阶段，真正投入实际应用的还非常少。Swanepoel等[9]开展了脉动热管对电池进行热管理的实验，并建立了一个理论模型来模拟热管的传热速率。Wu等[2]将两根带铝肋片的热管应用在锂离子电池热管理系统中，实验表明电池的温度显著降低，并且电池表面温差大大减小。Jang等[10]利用回路型重力热管开展了大功率锂离子电池散热实验，实验装置见图2，实验表明当电池发热量为50W时，每节电池的温度可以保持在50℃以下。Rao等人[11]研究了基于热管的热管理系统对某一EV电池包的散热效果，热管的蒸发段置于单体电池之间，冷凝段放置在恒温水槽中。研究发现电池发热量小于50W时，电池包的最高温度能控制在50℃以下。Greco[12]对比了锂离子电池中应用热管散热和强制风冷，结果表明，当使用热管时，电池的最高温度为27.6℃，而对比使用强制风冷，其温度则达51.5℃。Tran等人[13,14]采用热管对某一HEV电池包在稳态和瞬态两种工况下的散热性能进行了研究，讨论了倾斜角度和冷却条件对热管散热的影响，研究表明结合空冷模式的热管冷却方式可比自然散热的普通散热器热阻降低30%。Wang等人[15]对热管在极端情况下的散/加热性能做了全面的实验研究，研究表明电池单体的发热量不超过10W时，电池表面温度可保持在40℃以下。Zhao[16]开发了一种热管结合湿冷的电池热管理方案，并于多种散热类型的热管理系统进行了热性能对比，结果表明带有热管的电池包的均温性能很好。Ye 等人[17]采用热管冷却板对某一锂电池模组在快速充电状态下的热性能进行了评价和分析。Smith等[18]提出了一种基于热管技术的用于电动汽车大功率动力电池的热管理系统，如图3所示，由电池组、热管、热管散热板和水冷板组成。在每两节电池之间布置一块铜板, 并将4根烧结热管嵌入铜板内, 最后通过贴在热管冷端表面的液冷板将热量带走。根据使用虚拟电池模块的控制实验表明:在400 W电池产热功率条件下, 该系统可维持电池温度在55℃以下, 具有较好的冷却效果。
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图2 回路型重力热管的电池散热[10] 图3 动力电池热管散热设计方案[18]
在国内，相关学者对热管散热技术应用在动力电池散热上也进行了一些研究。胡小锋[19]采用无机超导热管和散热翅片组成的热管散热器对某一车用Li-ion 电池组进行散热研究，通过仿真模拟与实验相结合的方法分析和验证了在不同生热率和不同对流条件下的散热效果，指出电池的最高温度低于 50℃，且电池温差可以控制在 5℃以内。曾健等[20]设计了一种基于热管技术的锂离子动力电池散热模块，实验结果表明，采用所设计的散热模块能够有效降低电池壁面温度，使其壁面最高温度低于 40℃，与无热管理条件相比降幅高达 10℃，满足锂离子动力电池最佳工作温度范围。周海阔等[21]通过有限元计算辅助设计，提出一种新的热管-翅片-集热板组合散热方案，如图4所示，并结合加热器件、低功耗电控风扇及其智能控制策略，设计出动力电池热管理系统，通过有限元计算模拟和实际充放电试验，验证了该热管理系统性能。姚程宁等[22]采用微通道热管阵列作为电池热管理系统的热传导元件, 微通道热管阵列内外部结构示意图见图5所示，分析了其在高热功率密度下的传热性能, 理论计算了其等效导热系数, 优化分析了其槽道尺寸对流动传热的影响, 对比了其与主流散热技术的性能差异，研究表明：微通道热管阵列在动力电池热管理系统中具有显著降温和均温优势。丹聃等人[23]提出将二维导热的平板热管元件应用于动力电池热管理系统，并通过实验分析了多热源情况下的热管理效果。饶中浩等[24]设计了以烧结热管为电池散热的热管理方式，实验结果表明在50W热负荷条件下，采用烧结热管能将系统的温度控制在50℃以下，在30W条件下系统表面温差不超过5℃，且在变工况以及循环测试中，采用了烧结热管作为热管理的系统仍能保证在合理温度区间能运行。罗炜宁[25]提出并设计了基于相变材料-热管耦合的电池散热系统, 结果表明相变材料-热管散热系统在结合使用翅片及风扇时可以进一步降低电池组的温度。彭波[26]采用热管散热技术，并辅以风冷方式，对大放电倍率下锂离子电池组的散热性能进行了有关实验和数值模拟研宄，结果表明：该散热模组可以控制电池组最高温度45℃以下，同时保证电池间温度均匀性，温差控制在5℃以内。李辉[27]设计研究了一套锂离子动力电池的热管式散热系统，该散热系统以热管散热为主，同时辅以自然风掠过热管散热翅片进行风冷。陈维[28]设计一款由铝板、热管、翅片组合而成的散热模组，并利用该模组对电池单体在 2.5C倍率下进行放电实验，同时利用模组与风冷结合方式对电池单体在 2.5C倍率下进行放电实验，最后将这两组实验温度变化情况与在密闭隔热条件下放电的结果进行对比分析，并对电池组箱体和翅片的结构进行了优化设计。
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图4 热管-翅片-集热板组合热管理方案[21] 图5 微通道热管阵列内外部结构示意图[22]
3 总结
电动汽车的电池热管理系统对于电池性能、续航里程、电池寿命和使用安全至关重要。热管的导热性能和均温性能好, 是未来电池热管理系统的重要研究方向。国内外研究人员已将热管技术应用在动力电池热管理系统中，并取得了一定的研究进展。但是随着电动汽车对热管理系统要求的提升, 基于热管技术的锂离子电池热管理研究还需要在热管传热的优化设计、热管的加热、热管与相变材料耦合的热管理技术等方面加强。
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（基金项目：2019 年高等学校国内访问工程师“校企合作项目” 厅局级项目 项目编号：146，项目名称：基于热管技术的电动汽车动力锂电池热管理系统关键技术应用研究）
作者简介:周东辉（1989.05-），男，汉族，河南驻马店人，讲师，硕士，主要从事动力电池热管理方面的研究。