中国粉体网讯 为满足人们日益增长的出行需求，锂离子电池的能量密度在发展中不断攀升到新的高度，随之而来的，是更高的产热量和更大的安全隐患。锂离子电池的能量密度和循环寿命与其工作温度密切相关，过高或过低的工作温度、电芯之间较大的温度差异都会影响其性能的发挥。
为了保证锂离子电池的稳定运行、延长电池寿命、避免灾难性事故的发生，需要将电池温度维持在合适范围内，因此，发展一系列经济、高效的电池热管理体系(BTMS)具有重要意义，这逐渐成为工业界和学术界共同关注的重点。
通常，主流的BTMS技术根据冷却介质类型的不同可以分为以空气为冷却介质的风冷、以液体为冷却介质的液冷、基于热管技术的热管冷却以及用相变材料为介质的相变材料冷却。
风冷系统
风冷借助空气作为冷却介质，分为自然风冷和强制风冷。自然风冷是依靠汽车在行驶过程中带动的气流将电池表面的热量带走，强制风冷则通过安装风扇来驱动更大的气流以达到更好的散热效果。风冷热管理系统具有制造成本低、安装简单、可靠性强等优点，目前，在商业化的电动汽车中占据主导地位。
风冷散热
研究人员通过设计更加科学、高效的通风排列结构以期达到更加优良的冷却效果。自然风冷的散热效果与散热通道的进出口设置方式、电池排列情况和通道间隙大小息息相关，通过合理设计，可以使得内外流畅协同工作，达到最佳效果。
然而，空气作为冷却介质，由于它比热容低、导热性差这些本源性问题，实际应用时会受限于环境的温度变化，并且在面临更大能量密度的电池和更密集的电池模块时，风冷的性能远无法满足电池散热需求。
液冷系统
液体相较于空气具有更好的传热能力，能够应对更高的散热需求，根据液体与电池之间接触方式的不同将液冷分为直接液冷和间接液冷。直接液冷通过将电池单体或电池模块浸入冷却介质中来降低温度，系统的一致性带来良好的温度均匀性，在冷却液体种类的选取上，直接液冷需要用电绝缘的液体(如矿物油、硅基油)，但这类物质的黏度比较大，在换热过程中的流速会受到限制，需要额外的能耗驱动。
间接液冷则借助流体穿过放置电池的冷板和独立管道实现电池冷却，冷却液体(如乙二醇/水混合物、纳米流体、液态金属)具有相对小的黏度，可以节省能耗。通过在液体中加入金属或金属氧化物颗粒如氧化铝能够有效增强液体导热系数，提高导热能力。
此外，间接液冷过程由于冷却剂传导热量需要经过管道表面以及电池和管道之间的空气，因而系统本身的热阻会更大，一般用导热硅胶片填补电池与管道之间的间隙来消除传热阻隔。
液冷散热
液冷一定程度上为特殊情况下电池高温的散热提供了解决方案，但系统的管道设计复杂、重量大以及存在漏液问题，为了防止泄露造成短路危险，需要做好封装和检修，这无疑增加了成本。
热管冷却系统
热管由蒸发器、绝热管、冷凝器组成。将蒸发器部分附着在热源处，热管内的液体介质经过受热汽化，在压力差的作用下传递到冷凝端，然后遇冷液化同时释放热量，再借助毛细作用回流到蒸发端，热量在如此的循环过程中进行传递。
热管原理图
为了实现有效散热，蒸发器与热源之间需要良好的接触，这对热管形状的设计和大小的选择提出了挑战。除此之外，冷凝器端如果可以将热量快速传递到外界将有利于降温，一般通过与其他冷却方式(如强制风冷)结合实现。
热管的冷却效率高、温度均匀性良好，但目前仍然处于科学研究阶段，并没有实际应用到商用电动汽车中，究其原因是热管的运作需要借助额外动力，并且在长期使用过程中的清洁、保养不仅影响热管的传热性能还损害热管材料寿命。
相变冷却系统
相变冷却系统是利用相变材料(PCM)发生相变过程中被动地吸收或释放大量潜热来进行热量管理的系统。随着温度的升高，相变材料首先以显热形式吸收、存储能量，在达到相变温度时以潜热的形式吸收、存储能量。
相变材料根据化学性质可以分为有机相变材料(如石蜡、脂肪酸、多元醇)、无机相变材料(如水合盐、熔融盐)和共晶相变材料，它们具有储能密度高、化学稳定性好等优点，整个相变过程中不需要消耗额外的能量，并且材料本身的温度几乎保持恒定，因而被认为是很有前景的热管理材料。
随着动力电池散热需求的不断提高，单一的热管理方式已不能满足需求，因而研究人员将相变材料与风冷、液冷、热管耦合形成复合型的热管理系统。
实际应用的相变材料需要满足多种条件，如相变温度范围合适、过冷度低、体积变化小、无毒无腐蚀，此外，相变材料本身导热率低、熔融态容易泄露也限制了其应用，因此，提高相变材料的导热性能、抑制熔融态泄露成为了近年来研究的热点。
为提高相变材料导热性，通常将金属基导热填料、碳基导热填料、陶瓷基导热填料等具有优良导热性的填料与之复合。其中，陶瓷基导热填料(如SiO2、BN、Al2O3)不仅具有很大的导热系数，并且具有电绝缘性能，能够应对电池受到机械碰撞时会发生的短路危险。
资料来源：
王卓雅：导热增强相变复合材料用于锂离子电池散热研究，浙江大学
梁邦朝：用于电动汽车电池热管理的复合相变材料开发和制造，湖南大学
（中国粉体网编辑整理/平安）
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