据中国汽车工业协会近3年新能源汽车的月度销量统计，在推进绿色低碳转型的新时代背景下，电动汽车的产销量逐年攀升。然而在电动汽车快速发展过程中，热失控问题越来越显著，研究电动汽车电池热管理技术对解决这一问题具有积极意义。
动力电池内部温度超过正常工作温度会影响其工作性能，而且环境温度对动力电池的正常工作也具有一定的影响。高温天气时，如果动力电池散热不及时，严重时会产生热失控，导致安全事故的发生；低温天气时，动力电池会发生损耗，减小电池寿命。
动力电池热管理系统利用加热或冷却技术对电池组温度进行管理与控制，使电池组工作在正常温度范围内并减小单体电池间温度差。
新能源汽车月度销量
磷酸铁锂电池、三元锂电池、钴酸锂电池、燃料电池等几类电池应用比较广泛。比亚迪刀片电池采用磷酸铁锂电池，特斯拉电动汽车主要采用钴酸锂电池，本田和丰田等汽车采用燃料电池。
磷酸铁锂电池或三元锂电池在国内应用广泛，因此本文主要就这2种电池（下文统称为锂离子电池）的热管理系统发展现状进行讨论。以动力电池生热和传热机理为理论基础，分析不同冷却技术和加热技术的电池热管理系统的特点，并介绍发展现状及未来发展方向。
磷酸铁锂电池
锂离子电池热管理系统冷却技术的实质是通过冷却媒介把电池内部的热量传递到外界环境中，从而降低电池内部温度的热交换过程。根据冷却介质的不同，电池冷却技术可分为空气冷却、液体冷却、相变材料冷却和热管冷却。几种冷却技术的结构特点及优缺点对比如下表所示。
冷却技术结构特点及优缺点
1.1空气冷却技术
空气冷却也称为风冷，根据有无风扇等外部设备，将空气冷却分为自然风冷和强制风冷，其主要利用电池传热机理中的对流换热原理。按电池排列方式，空气冷却系统结构可分为串行通风和并行通风，两种冷却结构如图所示。
空气冷却系统的结构设计简单，成本低，但是其散热效果不明显，动力电池难以维持在正常温度范围内工作。
通过改变电池的排列方式、风道、电池间距和风速等设计优化空气冷却系统，可以使电池热管理系统达到更好的散热效果。
通风方式
空气冷却技术研究方向主要有：（1）控制风量和风压2个重要指标改善系统的冷却效果；
（2）改变单体电池的排列方式来合理规划电池包空间及风道。ZhangZhuQing等建立非稳态三维热模型来模拟锂离子电池在不同工况下温度变化情况及空冷散热系统的冷却效果。结果表明，电池组温度变化受风量的影响。
眭艳辉等发现平行排列和交错排列的电池组模块利用空气冷却技术，设置风速等参数保持不变。结果表明，初始时由于在进风口空气温度更低，进风口周围电池组温度降低。但随着换热的进行，空气到达出风口时，空气自身的温度升高，根据对流换热原理，空气与电池表面的换热效果变差。
为解决平行排列和交错排列式电池组存在的这一问题，提出梯形排列的电池组布置形式；陈磊涛等通过改变电池组通道宽度和空气进出口处集流板的倾斜角度探究通道内的流速分布，共设计15种结构方案，采用ANSYS-Fluent软件分析对比不同结构方案的散热效果，并利用CFD-Fluent仿真计算，对比得到不同结构方案的温度分布情况和散热效果最好的结构形式。
梯形排列电池组
1.2液体冷却技术
液体冷却和空气冷却都是利用对流换热原理，以冷却液是否接触电池组可分为直接冷却和间接冷却。液体比空气的对流换热系数大，散热效果更好，但结构复杂，密封条件要求高，设计维护成本相对较高。
液体冷却技术中，结构设计主要有流道结构设计、冷却板布置形式设计。为了改进传统冷却板的不足，邹晓辉等设计了几种新型流道结构，在冷却板上下布置这几种新型流道结构，分别位于冷却板上下的中心线上，流道宽度从入口到出口逐渐增大。
新型流道变结构
实验研究表明，增加出口流道的宽度能增强散热能力，温度变化较小。并且在流量相同时，新型流道结构比普通流道结构的散热能力好。
冷却板中的流道是否对称分布会影响液体冷却的散热效果，对非对称和对称分布的流道进行仿真分析，得到冷却板对称性和电池组温度场的关系。
比较最高温度和温度差，表明对称结构下冷却板散热能力更好。冷却板安装位置的对称性也是影响散热效果的因素。
实验分析，非对称安装位置比对称安装位置散热效果更好，温度分布更加均匀；Giuliano等研究发现，在水冷装置中加入铝换热板，能提高散热效果，并很好地控制电池组的温度。
谢金红利用单因素控制变量法，分别控制冷却板管径、管距、板厚和布置形式等因素，设计电池热管理系统并进行仿真，找到冷板的较优结构。利用Fluent进行仿真实验。结果表明，合理选择冷却板的板厚、管径、管距等能改善液冷散热系统的散热效果。
液体冷却技术
1.3相变材料冷却技术
相变材料冷却是将相变材料作为冷却介质，利用其在相变反应过程中物理状态发生变化吸收（或释放）电池的热量。这种冷却技术温控效果和均温能力较好，但是材料价格昂贵。
相变材料在液态、固态、汽态之间转变时会吸收（或释放）大量的热，温度基本保持不变。相变材料导热和吸热性能显著，当电池组内部某个单体电池温度超过正常工作温度范围时，其热量能够迅速传递，使单体电池间温度基本一致。
靳鹏超等对空气冷却和相同结构的填充相变材料的空气冷却系统的冷却性能进行对比，表明填充相变材料的电池组最高温度在安全温度范围内，温度差小于5℃。
相变材料
1.3.1复合相变材料的研究
相变材料冷却可由单一相变材料或复合相变材料作为冷却介质，区别是复合相变材料是由2种及以上的相变材料或组合金属基材料制备而成。相变材料的种类和各成分的质量分数会影响热管理系统的散热性能。
Temel等在相变材料中加入3%、5%、7%的石墨烯纳米片（GNP）制备复合相变材料。结果表明，复合相变材料的导热系数随GNP质量分数的增加而增加。
Sari等分析质量分数对复合相变材料的导热系数影响时，加入不同质量分数膨胀石墨（EG）制备石蜡/EG复合相变材料。结果表明，导热系数随EG质量分数的增大而增大。
张江云选择泡沫铜/石蜡和石墨/石蜡2种复合相变材料进行对比试验，在不同放电倍率和不同工况下测试散热效果。
研究结果表明，2种材料各有优缺点：泡沫铜/石墨具有高导热性和较强的机械物理性，可以弥补石墨/石蜡相变反应时易开裂的缺点；而石墨/石蜡的物理状态呈胶态，绝缘性能更好。在研究泡沫铜/石蜡的基础上，对比空气、液体、相变材料三种散热方式的散热效果，结果显示相变材料的控温和均温效果较好。
复合相变材料
1.3.2相变材料耦合其他冷却方式
为提高相变材料的散热效果，相关学者设计研究了相变材料耦合其他冷却方式的热管理系统。
吕少茵等对相变材料（PCM）耦合空冷、液冷、热管3种冷却方式进行综述分析。结果表明，PCM耦合其他冷却方式的热管理系统能满足电池的散热需求，散热效果较好。
说明混合式相变材料的热管理系统是未来发展研究的方向，通过改变电池间距、电池组结构设计也会影响PCM-BTMS（相变材料热管理系统）的冷却效果。
朱波等发现单一相变冷却的热管理系统不能适应电池极端放电的工况问题，在PCM热管理系统增加2根U形冷却管道，并对热管理系统进行设计。
实验结果表明，新改进的热管理系统无论是低温环境下的加热效果还是高温环境下的散热效果都优于传统热管理系统，且不同工况下均比传统热管理系统更加节能，为相变材料冷却和其他冷却方式结合提供了设计思路。
Wu在石蜡/膨胀石墨复合相变材料中增加一种铜网，结果表明以铜网为骨架的新型结构可以提高整个模组的强度和导热性能，使热管理系统具有更好的散热性能。
相变石蜡
1.4热管冷却技术
热管是由蒸发端、绝热端、冷凝端组成的传热元件，具有高度导热性能，一般由管壳、吸液芯、端盖组成。热管技术利用热传导原理把电池组充放电时产生的热量通过传热介质传递到热管，再通过热管的散热技术把热量带走，其导热能力较强。
这种技术具有使用寿命长、换热系数大等优点，但是存在系统结构复杂、易泄漏等一系列问题。根据热管冷端冷却方式的不同，热管冷却技术可以分为风冷热管系统和液冷热管系统。
丹聃等在热管技术研究中发现，热管冷端风冷散热可以通过改变冷端翅片数目、翅片结构设计、提高风冷流速、增大冷凝段长度来增强热管散热效果。为弥补风冷散热不足，通过液冷-热管耦合可使电池组达到较好的散热效果。
刘彬等搭建基于大平板热管的动力电池热管理散热模型，大平板置于电池组下方，冷端采用风冷散热并设有矩形散热风道。通过改变放电倍率和环境温度仿真，验证模型的正确性，并进一步仿真分析了翅片数目、进口风速、进口风温对电池包散热效果的影响。
热管冷却技术
田晟等利用正交实验层次分析法对设计的热管-铝板嵌合式散热结构进行数值模拟，分析散热性能受铝板厚度、热管排列间距、热管冷凝段长度和对流换热系数因素的影响程度。
实验结果表明，增大对流换热系数和冷凝段长度可以显著提高热管的散热性能。
锂离子动力电池在低温环境下工作时会影响其使用性能，通过电池加热技术可以提升电池的性能。
加热技术分为内部加热和外部加热2种。内部加热法通过内阻发热，结构简单，不需要添加额外的组件。从安全性考虑，外部加热法更加安全，但结构复杂、能耗高、温度分布不均匀。对内部加热法和外部加热法的优缺点分析如下表所示。
内部加热和外部加热法对比
2.1内部加热技术
内部加热法是对通电导体产生的焦耳热对电池加热的方式。具体可分为充电加热法、放电加热法和交流激励加热法。
Zhang等基于等效电路建立产热模型，研究一种用正弦交流电对锂离子电池低温内部加热的方法。在不同加热条件下，对18650电池进行加热实验，结果表明加热速率随电流振幅和频率变化而变化。在电流条件最优时，较短时间内电池温度可上升25℃左右，且多次加热电池容量不发生损耗。
Zhu等以电流频率、振幅和波形三个参数为变量，探究电流参数变化对温度造成的影响。通过建立模型对18650电池进行不同频率、振幅和波形实验，结果表明低频高阻抗的电流可以使温度显著上升。
交流激励加热法
2.2外部加热技术
外部加热法是在动力电池外部添加高温气体/液体、电加热膜、相变材料、热管，利用珀尔帖效应实现热量由外向内传递的加热形式。具体加热方法有：循环高温气体加热、循环高温液体加热、内置加热板或加热膜、填充相变材料或化学反应产热材料加热、珀尔帖效应加热、热管加热。
循环高温气体加热法利用电流加热导体获得热空气，再通过风扇把热空气送入电池内部进行对流换热。
Ji等采用电化学-热耦合模型模拟锂离子电池从零下温度加热的过程。研究过程中提出三种利用电池功率的加热策略，其中一种为外部功率加热策略。
郑林森等研究了超低温锂电池组，预热装置与介质填充的管道连接，加热介质与电池组进行热交换后，通过管道进入预加热装置进行下一轮加热。液体加热过程较空气加热更复杂，管道密封性要求高、设计复杂。
Zou等设计了热管-液体耦合热管理系统，既可以对电池低温加热又可以高温散热；朱建功等通过测试不同材料、不同规格动力电池的低温充放电性能和阻抗特性，研究表明低温条件会降低电池的充放电效率和增加电池阻抗。
低温交流充电加热策略存在不可逆的过充风险，而利用外部加热法虽然可以避免不可逆过充风险，但加热效率低、增加能耗。因此内部加热法和外部加热法都面临着各种难题。
加热系统
锂离子电池热管理系统加热和散热技术是控制电池内部温度的2个重要技术，也是电池热管理研究的重点。
电池热管理系统的研究和设计中，不仅要使热管理系统具有较好的控温和均温能力，还要尽量减小电池包的质量，降低能耗。锂离子电池热管理技术的发展状况和未来发展方向总结如下：
（1）空气冷却技术通过控制风量和风压、改变电池组排列方式和风道宽度等方式来改善风冷系统的散热效果。但是一些电动汽车的风冷散热系统不能满足汽车在多种工况下的散热要求，可以利用风冷散热结构设计简单的优点，耦合其他冷却方式以提高热管理系统的散热能力；
（2）虽然液体冷却比空气冷却的散热效果好，但是液体冷却对结构的密封性能要求高、制造成本高。改变冷却板材料、冷却板位置、冷却液选择、管道形状、管道布置形式等都能提高液冷热管理系统的性能。热管和液冷耦合的热管理系统在未来具有巨大的发展潜力；
（3）相比单一相变材料，采用复合相变材料的电池热管理系统的散热性能更好。为增强相变材料散热系统的散热能力，相变材料可以耦合其他冷却方式，以提高热管理的控温和均温能力。对相变材料热管理系统研究较多的是相变材料的选择研究，但是相变材料的成本较高，所以相变材料和其他冷却方式耦合的研究更具长远意义；
（4）动力电池热管理系统采用热管技术时，由于单个热管换热面积较小，要达到理想的散热效果需要使用较多的热管，但目前研究的热管材料成本高，因此可以研究热管耦合其他冷却方式或材料来提高散热效果；
（5）相比外部加热技术，内部加热技术结构简单，加热速度快，温度均匀性好，但内部加热的控制机理较复杂和安全性较低限制了其在电池低温加热中的应用。外部加热技术已应用于实际中，但加热效率较低，增加电池的能耗，使电池寿命进一步衰减。
为解决内部加热和外部加热技术面临的难题：其一，针对内部加热技术，可通过深入研究电流控制策略来提高电池加热速率和安全性；其二，针对外部加热技术，可加强相变材料与其他冷却方式（集冷却和加热于一体）的耦合研究。
锂离子电池热管理系统
作者观点：
温度是影响动力电池性能及热安全的主要因素，电池热管理系统通过控制动力电池温度在合理区间，能有效解决低温或高温环境对电池性能影响。从电池热管理系统冷却技术和加热技术出发，对比分析多种热管理技术优缺点，发现锂离子动力电池热管理系统需要进一步提高温度分布均匀性和温度控制能力，而单一电池热管理技术皆存在相应缺陷。为解决在高温和低温状态下所引起的动力电池问题，提出未来可通过发展多种冷却方式耦合的电池热管理系统实现交互式加热与冷却。
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锂电池热管理系统的进展？哪些技术最具前景？文 | 文史充电站
编辑 |文史充电站
电动汽车的电池系统是满足不断增长的能源需求和可持续发展的重要组成部分，锂离子电池作为主要储能设备，对汽车的安全性、舒适性、续航里程和可靠性至关重要。
电池的热问题，如潜在的热失控、低温下性能下降和老化，限制了电动汽车的广泛应用，为了确保电池的安全和性能，监测其热状态至关重要，只是现有的温度传感器不足以准确测量电池内部温度。
电池温度性能和安全的关键
电池的温度对于了解其热状态至关重要，因为它直接影响电池的性能和安全性，通常情况下，人们可能会认为表面温度是反映电池热状态的最直观方式，因为我们可以通过在电池表面安装温度传感器来直接测量它，实际情况要比这更复杂，因为电池内部的温度分布并不总是均匀的。
电池的热导率和特征长度，这两个因素对电池的温度分布产生重要影响。
如果电池的热导率远远高于传热系数，或者电池非常薄，那么电池内部的温度分布可以近似为均匀的，但这只是在特定条件下成立的，而且这些条件并不总是满足的。
实际上，锂离子电池由于其层状结构而具有高度各向异性的热导率，这种各向异性在电池的不同部分之间产生显著差异。
这意味着电池内部的温度分布会因电池化学成分和工作条件的不同而有所不同，电池的热导率还会随温度、SOC（电池的充放电状态）和SOH（电池的健康状况）而变化，这使得温度分布更加复杂。
对于圆柱形电池来说，通常采用卷绕堆叠，使得轴向和径向方向分别对应电池的轴向和径向，这意味着轴向温度分布可能相对均匀，而径向温度梯度较大。
在自然对流冷却条件下，即使在高工作率下，小半径的圆柱形电池（如18650电池）的电池芯与表面之间的温差也可以保持在较低水平。
但是对于强制对流冷却条件下或半径较大的圆柱形电池，电池中心的温度可能会明显高于表面温度。
对于大型锂离子电池，如棱柱形电池，由于电池厚度大且平面热导率低，电池内部通常具有显著的温度梯度，在这种情况下，仅依靠表面温度就不足以提供有关电池的全面热状态信息，特别是在高速率运行期间。
表面温度是否能够反映电池的热状态取决于多个因素，包括电池的形式、内部结构、热导率以及工作条件，在某些情况下，表面温度可以提供有关电池热状态的有用信息，但在其他情况下，它可能无法提供足够的信息，特别是在高速率运行期间。
在管理锂离子电池时，仅仅依靠表面温度可能会导致电池管理效果不佳，因为一些关键的热状态信息将被忽略。
对于一些应用，如电动飞机和高充电/放电率要求的应用，需要高空间分辨率的温度信息，以便检测危险的局部热点，而仅仅使用表面温度无法满足这些要求。
在其他应用中，例如电池的健康管理，表面温度仍然可以提供有价值的信息，只有当电池内部的温度梯度可以忽略不计时，表面温度才能够充分反映电池的热状态。
连接电池和传热复杂性
电池单元可以被视为一个独立且高度复杂的电化学和热力学系统，内部热动力学和电化学行为相互耦合，使得很难准确捕获电池的热行为。
电池内部产生的热量不仅来自接触电阻，还来自各种电化学反应，这些反应在实际应用中很难校准。
电芯内部热源复杂，车载BMS难以捕捉电池实际产生的热量，尽管简化模型已被广泛应用于电池热动力学建模时的发热计算，但在高倍率运行下，它可能会导致发热表征出现较大误差。
不准确的发热建模会给开环和闭环估计的 SOT 估计带来重大误差，导致对要求苛刻的应用中热状态监测无效。
因电池内部普遍存在温度梯度，电化学反应在电池域内不会均匀，导致电池内部发热不均匀，进一步加剧温度分布的不均匀性和电化学反应。
当电池尺寸变大且运行率提高时，特别是当电池内部局部发生内部短路时，这种效应变得更加显著。
一般通常假设电池体积内的发热是均匀的，从而忽略了不均匀的发热，这给热建模过程和随后的温度估计带来了误差，特别是在高速率运行下，很少有研究考虑在面向控制的热建模过程中这种不均匀的热量产生。
那么，除了发热之外，电池内部的传热也很复杂，因为它取决于电池的热特性（如比热容、导热系数）。
而电池的热特性由电池的结构、材料特性和几何形状决定，电池的热特性还取决于 SOC、温度和老化状态，引起不同的热响应。
对于具有不同化学成分和格式的电池单元，传热模式显着不同，那么会产生不同的温度分布，由于电池内部复杂的产热和传热，即使在电池级别，建模和捕捉不同应用场景下电池的热行为仍然具有挑战性。
电池组通常由许多串联和并联的电池组成，这使得电池组级的热动力学变得复杂，在发热方面，电池和焊接点之间的连接产生的电阻可能会给电池组带来额外的热量。
因电池组内电池的内阻可能会不一致，流经并联配置中各支路的电流也会不同，导致包装内部发热不均匀，进一步造成温度不均匀性。
对于电池组中的传热问题，许多单体电池的集成必然会增加传热问题的复杂性，相邻电池之间以及电池与冷却剂之间的相互作用也不能忽视，这些问题使得在系统级准确估计电池温度仍然是一个主要障碍。
在实际应用中，电池通常会经历可变且复杂的负载曲线、环境温度和冷却条件，这给SOT估计带来困难。
因为混合热的显著贡献，XFC下的内部热源将与正常电动汽车行驶循环中的内部热源不同。
环境温度的变化最终会改变电池材料的内部电化学和热性能，导致不同的生热速率和热导率等热参数，它的散热率也会因环境温度的变化而改变。
提升电池温度监测的前景
电池芯作为一个封闭的电化学和热力学系统，其内部状态和参数难以直接测量，电池组内部的传感器仅能提供有限的外部信息，如电池电压、总电流和表面温度，这限制了电池热状态监测的准确性。
为了克服这一挑战，研究人员开发了各种算法来估计电池内部状态，特别是在热状态监测方面，即使表面温度传感器被布置在每个电池上，仍需要对内部温度信息进行估计，尤其是在大型电池或高速率操作下，表面温度传感器的精度较低。
随着传感技术的不断发展，一些物理信息，如内部温度、应变和压力，可以通过先进的传感器直接测量，光纤传感器是其中的亮点，它们具有多种优势，如重量轻、具有化学惰性和抗电磁干扰能力强。
这使得光纤传感器能够被嵌入电池内部来测量电池的应变和温度，而不会对电池的功能造成干扰。
通过这些传感器，我们可以获得高分辨率的温度和应变分布信息，进一步提高了电池内部状态估计的准确性和空间分辨率，这对于管理大型电池和要求苛刻性能的应用非常重要。
另一个关键的方向是开发高保真控制导向的热模型，热模型在电池热状态监测中发挥着重要作用，因为它们能够提供热动力学信息。
一种方法是将电池域分为多个节点，将热模型以集总形式表示，这既减少了计算复杂度，又保持了模型的准确性。
另一种方法是使用全局短波函数来重建原始解，从而获得更低阶的模型，这样还保留了关于电池内部状态的更多信息。
电池温度全景重建
在电池系统中，准确的温度信息至关重要，因为电池的性能、寿命和安全性都受温度的影响。
很多时候，我们只能获取电池系统中某些特定位置（如电池表面或核心）的温度信息，这可能会导致对电池内部温度分布的空间不均匀性缺乏了解。
特别是在高能量密度的大型电池和对性能要求极高的应用中，如电动汽车和高要求能源存储系统，了解电池内部温度分布变得至关重要，为了解决这一问题，温度场重建技术变得非常关键。
这些技术允许我们基于有限的温度测量和估计信息来还原整个电池系统的温度分布，以获得更全面的温度视图，这对于电池的安全管理、性能优化和寿命延长至关重要。
一种常见的方法是使用分布式卡尔曼滤波器（KF）来根据测量的表面温度数据来重建电池组的3D温度分布，这种方法允许我们从有限的观测数据中推断出全局温度信息，以便更好地理解电池内部的温度分布情况。
另一种方法源自图像处理领域，类似于图像修复技术，它假设电池温度场的全局信息可以由一组离散点表示。
可以应用迭代算法来从部分信息中还原全局信息，在这种情况下，电池的温度测量点被视为缺失图像中的像素，并且通过算法可以恢复完整的温度场，这种方法允许我们从有限的观测数据中推断出电池的整体温度分布。
近年来，机器学习算法，特别是神经网络，也被用于高精度地重建电池的全局温度场，这些算法能够根据部分观测数据恢复出全局温度信息，为电池管理系统提供了更多有关时空温度分布的信息。
基于稀疏感知的方法和基于短波函数（SBF）的重建方法也可以用来实现温度场的重建，这些方法能够有效地从有限的观测数据中估计出电池的整体温度分布。
电池温度对电动汽车性能和安全至关重要，可是表面温度传感器无法准确反映电池内部温度分布，电池内部热源和传热也复杂多变，挑战着热状态监测，新兴技术如光纤传感器和结合物理模型与机器学习的方法有望提高监测准确性。
还有就是温度场重建技术可以从有限测量数据还原电池全局温度分布，促进电池性能、寿命和安全的提升，这些技术将在电池技术进步和高性能应用中发挥重要作用。
