锂离子电池作为我们生活中不可或缺的产品，从手机、电脑再到电动汽车都有它的身影。前段时间的iPhone15系列机型发布，就被网友怒喷发热严重。其实这背后的原因就是iPhone手机在热管理方面的缺陷，散热技术不够。
相比于电子产品发热最厉害的芯片，电动汽车的发热部件是动力电池。因此，对动力电池热管理技术的研究是电池厂商以及车企而言都是最至关重要的项目之一。
散热技术最原始的方式就是空气散热，而空气散热又分为两种：主动散热和被动散热。不论是主动散热还是被动散热，都是利用空气带走热量。被动散热相对而言比较简单，主要设置进气口、通风路线和出气口，车辆在行驶时由空气与电池接触从而带走热量。
但是被动散热最大的弊端在于散热效率不够，一旦电池输入/输出功率更大发热增加，效果微乎其微。再比如说充电的时候车辆没有行驶又如何散热？因此，主动散热就通过增加风扇等设备吸进空气来加强空气流动性，提高散热效果。
比空气散热效果更好的是液冷技术，通过分布在电池内部或者表面的冷却液管道对动力电池进行热交换，散热更加高效。液冷散热通过将冷却液管道或者冷却板（内部有冷却液）直接放置在动力电池内部，再通过相关部件使冷却液进行流动带走电池内部热量。
不过液冷散热的关键也是直接影响到动力电池散热效果的点，在于冷却液管道的设计、铺设以及冷却液流动方向，只有合理地形成回流通路并且实现均匀散热，才能够保证动力电池整体散热保持在匀温的水平，不会出现一部分温度过低一部分温度过高从而影响电池健康。
例如包括特斯拉在内的多家新能源汽车的动力电池，都是在电池包内部使用的蛇形冷却管路，能够有效增加冷却管与电池的接触面积来提高冷却效果。
近年来有一种新兴的被动散热方式——相变材料散热技术。相变材料是一种冷却材料，在发生相变时能够吸收或释放大量的热量，并且能够保持恒温控制周围的温度。我们生活中最常见的相变材料非水莫属，当温度低至0°C 时，水由液态变为固态（结冰放热）；当温度高于0°C时水由固态变为液态（溶解吸热）。
基于相变吸热原理将相变材料运用到锂电池组中能够实现降温冷却，但相变材料本身仅仅是一种储热或者吸热的物质，自身无法对任何物质进行散热，因此还需要加入一些材料提高导热性，通过其他方式如空气散热、液冷散热将相变材料所吸收的热量散去。也就是说相变材料散热技术，其实可以起到空气散热或者液冷散热技术的辅助作用，最大化发挥散热效果。
除了以上三种散热方式，还有一种主动式冷却技术——热电冷却，一种利用半导体材料的珀耳帖（Peltier）效应实现制冷或加热的能量转换技术。当接上直流电源后，热电制冷器件的一端热量会被吸收从而温度降低，而另一端的温度同时升高；另外，此现象是完全可逆的，只要改变电流方向，就可以使热量向相反的方向转移。
热电冷却技术优势很明显，无需制冷剂、低能耗、低噪音，但是若单独使用则冷却效率不高，用到动力电池上需要结合其他冷却技术才能发挥最大效率。
目前，不少公司基于热电冷却技术开发动力电池热管理系统，使用复合相变材料与热电半导体芯片相结合的方式，将热电半导体芯片嵌于电池箱体侧面，复合相变材料嵌于方形单体电池之间，以此解决电池热管理系统中单体电池的均温和快速冷却的问题。
空气散热技术作为最经典的技术，目前已经无法满足动力电池散热的需求，已经被液冷技术所取代，液冷成为目前最为成熟且广泛应用于动力电池的冷却技术。但是随着电池热量、电池功率、充电速度的提升，液冷也会逐渐无法满足电池的散热需求。
因此，新兴的相变材料散热技术与热电冷却技术具有很大潜力，不过都需要与其他技术相结合才能发挥出最佳效果。目前，没有绝对优质的散热技术，未来的技术趋势会以结合多种散热技术来满足不同的散热需求。
文章来源：纯电侠电池有态度
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风冷式动力电池热管理，系统技术数值，以及热管理系统的工作原理文丨胖仔研究社
编辑丨胖仔研究社
动力电池的温度对电动汽车的动力性、经济性和安全性都有重要的影响。电动汽车在运行过程中，动力电池的温度一般在45~60℃之间，由于电池的特性及充放电特性等原因，电池温度会产生波动，从而影响动力电池的性能。
目前，电动汽车常用的电池组热管理方式有以下几种：（1）风冷式，通过通风散热实现电池组冷却；（2）水冷却式，通过冷却液进行降温；（3）相变材料冷却式，通过相变材料实现电池组冷却；（4）液冷式，通过冷却液进行降温。
本文在总结前人研究成果的基础上，采用 CFD数值模拟方法对电池的热物性进行了分析，并对电池组热管理系统进行了优化设计。
电动汽车常用的电池组主要有磷酸铁锂电池和三元锂电池两种。磷酸铁锂电池具有充放电性能好、工作温度范围广、安全性能好等优点，但其能量密度低，单位质量的能量密度只有铅酸蓄电池的60%左右，且热稳定性较差。
为了提高电动汽车的续驶里程，近年来各国纷纷出台政策，大力支持发展新能源汽车。然而由于纯电动汽车续驶里程有限，限制了其发展。因此，开发新型电动汽车已成为当前电动汽车研究领域的热点。
而风冷式电池热管理系统是将锂离子电池与散热器集成在一起的热管理系统，主要由散热器、风道和电机等组成。当电池包内部产生热量时，通过风道将热量吹到散热器上散热。
在冷却过程中，电池包内部温度不断下降，由电池包自身产生的热量通过风道带走热量。
在电池组内部和外部环境的共同作用下，电池组温度随时间不断变化。电池组温度在不同工作状态下呈现出不同的变化规律，一般分为以下三种：第一种是在正常工作时，电池组内部温度均匀上升；
第二种是在充放电过程中，电池组内部温度波动较大；第三种是在电池过充或过放时，电池组内部温度发生剧烈变化。电动汽车的主要使用工况为高速行驶过程中的高速行驶和爬坡行驶。当电动汽车以中速或低速行驶时，电池包内的温度一般维持在25℃左右；
当电动汽车以中速或高速行驶时，电池包内的温度会下降到25℃左右；当电动汽车以低速行驶时，电池包内的温度会下降到15℃左右。为了使电池组内部和外部环境都能保持相对稳定的工作状态，需要对电池组进行散热管理。
根据热管理系统运行原理不同可以分为主动式和被动式两种。主动式热管理系统是以风冷为主要散热方式。被动式热管理系统是通过自然通风或风扇将热量带走。自然通风是通过风力将热量带走；
风扇是通过发动机带动风力使电池包内部产生强对流来带走热量；被动式热管理系统采用被动散热方式来保证电池组的正常运行。
被动式热管理系统在电动汽车上应用较多的是冷却液冷却方式和相变材料冷却方式。冷却液冷却方式是通过冷却液将电池组内部产生的热量带走；相变材料冷却方式是通过相变材料将电池组内部产生的热量吸收后传递给外界环境。
与风冷式热管理系统相比，风冷式热管理系统具有以下优点：（1）风冷式热管理系统不需要外部空气循环系统来提供动力冷却空气；（2）风冷式热管理系统采用自然通风方式散热，能够保证电池组内部温度均匀性；
（3）风冷式热管理系统通过自然通风散热来控制电池组内部温度波动较小；（4）风冷式热管理系统能够适应不同的气候环境条件；（5）风冷式热管理系统能够避免动力电池由于过充或过放而导致的安全问题；
（6）风冷式热管理系统能够有效延长电池包使用寿命。因此，风冷式热管理系统成为目前电动汽车最常用的电池热管理方式之一。
电池包的通风散热，需要在电池组周围设置导流罩、导流板和风机，这就对风冷式热管理系统的设计提出了更高的要求。
常用的风冷式热管理系统，其主要原理是：电池包周围设置导流罩，以加强电池与环境之间的热交换；电池组周围设置导流板，以增强电池组与外界空气之间的换热；电池组周围设置风机，以增加电池组与外界空气之间的热交换。
本文采用 Fluent软件中的 SIMPLE算法对电池包的风冷式热管理系统进行数值模拟，在满足模拟精度要求的前提下，对模型进行网格划分并设置边界条件，利用 Fluent软件中的 VOF模型计算流体动力学（Virtual VOF）数值模拟电池包周围空气流动情况。
对于电池组周围空气流动情况，利用 Fluent软件中的非稳态k-ε模型计算对流换热系数；在电池包周围空气流动情况下，采用k-ε模型计算辐射换热系数。采用 Fluent软件中的非稳态k-ε模型对电池包周围空气流动情况进行数值模拟。
计算电池包周围空气流速分布及电池包热源分布情况。在不同工况下（环境温度为25℃、30℃、35℃、40℃），分析了不同环境温度、不同电池数量和不同电池包数对电池组热管理系统温度场及流场分布的影响。
本文以风冷式电池组热管理系统为研究对象，建立了动力电池单体模型、风冷式电池组模型和风冷式热管理系统仿真模型，并对仿真模型进行了网格划分。
以风冷式热管理系统为研究对象，考虑风冷式热管理系统的散热能力、散热均匀性和电池温度波动等因素，对电池组进行了参数设计和优化。基于电池包温度波动范围、电池组的电池数量及布置方式等因素。
确定了风冷式热管理系统的关键参数为：进风温度为60℃、出风温度为35℃、冷却液进口流速为2.5m/s、出口流速为1m/s。利用数值模拟方法对风冷式热管理系统进行了优化，
电池组表面平均温度为53.4℃，电池包表面平均温度为64.9℃，电池包最大温差为0.3℃。优化后的风冷式热管理系统中的电池温度波动范围得到了有效控制，电池组的热稳定性得到了提高。
冷却流量:在风冷式热管理系统中，冷却流量对电池包温度控制效果有较大影响。冷却流量过小，不能有效控制电池组的温度；冷却流量过大，则会造成能量浪费。
在设计冷却流量时，要考虑电池包在不同位置的温升差异以及不同电池的散热能力和温度波动范围等因素。当电池包布置在电池模组的中间位置时，电池组中热量通过电池模组向其周围传递，因此，电池组的温升比单体电池要高得多。
冷却结构设计:风冷式热管理系统结构设计过程中，需要考虑冷却结构对电池包散热性能的影响，通过对不同结构参数的风冷式热管理系统进行数值模拟，获得各结构参数对电池包散热性能的影响规律。
在风冷式热管理系统中，冷却通道与电池包的布置方式对风冷式热管理系统的散热性能影响较大，本文以风冷式热管理系统中的冷却通道与电池包之间的布置方式为研究对象，利用仿真模拟软件对不同布置方式下冷却通道与电池包之间的换热情况进行了研究。
在两种布置方式下，冷却液进口流速相同时，随着出口流速的增加，电池包表面平均温度和出口温差都呈下降趋势；但当出口流速相同时，随着进口流速的增加，电池包表面平均温度和出口温差都呈上升趋势。
当冷却液进口流速为2.5m/s时，冷却液从进口到出口的流量达到最大值1m/s；冷却液进口速度为1m/s时，冷却液从出口到进口的流量达到最大值1m/s。不同布置方式下电池包表面平均温度和出口温差随冷却液进口速度变化趋势基本一致。
在电池热管理系统的设计过程中，除了考虑电池本身的参数和环境因素外，还需要综合考虑电池与热管理系统之间的相互作用。
在对风冷式电池热管理系统进行设计时，要充分考虑到动力电池本身的特点和实际使用环境，还要综合考虑电池组在不同的运行状态下对动力电池的温度需求。
同时，对于风冷式电池热管理系统而言，其具有较高的冷却效率，因此在对其进行设计时，要尽可能地提高其冷却效率。
近年来，随着计算机技术的发展，采用 CFD数值模拟方法对动力电池组进行了仿真分析，为动力电池组热管理系统设计提供了新的思路和方法。
本文通过对风冷式动力电池组热管理系统技术进行数值研究，得出了不同散热条件下动力电池组温度场的分布情况以及散热效果。
在风冷式动力电池热管理系统设计过程中，要充分考虑到其与汽车结构之间的相互作用，尽可能地提高其冷却效率。
提高散热效率:提高风冷式动力电池热管理系统的散热效率，是保证其工作性能的重要手段，而采用提高动力电池周围空气流速的方式来提高其散热效率是一种常用的方法。
结果表明：当环境温度在10℃~20℃之间，空气流速为0.5m/s时，动力电池周围空气平均温度达到了22.33℃，风冷式动力电池热管理系统能够很好地满足动力电池正常工作的温度需求。
而在空气流速为0.5m/s、散热器与动力电池之间距离为3 cm时，该动力电池组的温度场分布较为均匀，平均温度达到了22.56℃。同时，随着空气流速的增加，风冷式动力电池热管理系统中冷却液流量也相应地增加。
但冷却液流量过大会导致空气流速过大，增加其流动阻力，从而导致其冷却效率降低。因此，在进行风冷式动力电池组热管理系统设计时，应合理地控制冷却系统中冷却液流量。
本文对风冷式电动汽车电池热管理系统进行了数值研究，通过仿真分析，得出以下结论：
（1）动力电池在冷却系统中的温升与电池的功率密度成正比，与温度成反比。在不同的工作条件下，动力电池的温升随着电流密度的增大而降低。当电流密度为200 mA/cm2时，动力电池温升最小为22.9℃。
（2）电池组内平均温度在25℃~35℃之间时，电池组的温度变化幅度较小；当温度超过35℃时，电池组内平均温度上升幅度较大，当电池温度超过40℃时，电池组内部温升最高可达45℃。
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