摘 要
与常规内燃机车辆比较，新型内燃机车辆无尾气排放，节能环保，是当前内燃机车辆发展的主要趋势。锂离子电池因其高能量密度和长循环寿命等优势，已成为新能源车的主要动力来源。但由于其在充放电时会产生较高的热能，严重制约了其工作效率和使用寿命。另外，由于电池中的热没有被有效地转移，使得电池中的热积累，还会引起电池自燃、爆炸等安全事故，给驾驶员和旅客带来很大的危害。为此，开展基于 Li基电池的电池散热问题的理论与方法研究具有重要意义。在这篇文章中，主要概括了新能源汽车动力电池的发展情况，并对其进行了分析，分析了热管冷却在电池冷却系统中的应用，最后对动力电池冷却系统未来发展方向进行分析。
关键词：新能源汽车；电池冷却系统；热管冷却
目 录
第1章 引言
采用热管技术，大大增加了蓄电池散热系统的设计方案。该热管具有较高的热传导率，用于制冷时，能使散热片与热源区分开，使散热片的布置不受限于热源区的位置。在该风冷系统中，冷风仅对电池组的正面进行吹拂，因此需要留出一定的空隙来供冷风通过。在此基础上增加了一根热管，将来自于蓄电池内部的热能输送到蓄电池的外部，从而实现了蓄电池内部的中央降温。传统的液态制冷技术仅能对与冷却剂（直冷）或液态制冷（间接制冷）相连接的部件进行制冷，从而制约了液态制冷设备的布局。通过增加热管来增大液态制冷系统和蓄电池的接触区域，从而大大简化了原有的液体冷却结构。此外，由于热管体积小，重量轻，在电池冷却系统中的应用空间较小，对电池组的能量密度影响较小。因此，将热管应用于电池冷却系统是一种可行的冷却措施。
第2章 新能源汽车动力电池的发展
2.1 铅酸蓄电池
早在1850年代，就有了铅酸蓄电池。在硫酸盐电解液中，二氧化铅会和铅会发生化学反应，从而产生电力。因其原料来源广泛，价格低廉，因而被广泛应用于化学能源供应中。当前，我国的铅酸电池技术已相当成熟，并已广泛用于通讯、电力和导航等运输行业。但由于其自身的特点，如循环寿命短，能量密度不高等，制约了它的发展。另外，由于铅酸电池中所使用的原材料铅具有较强的毒性，因此在未来的处理中，如果处理不当，将会对人体及生态环境产生影响。所以，最近几年，铅酸电池即将被淘汰。
2.2 镍氢电池
镍金属氢化物电池是替代镍金属和钴金属的一种新型锂离子电池。该电池采用了一种新型的镍-氢化合物作为电极，而其电极是一种贮氢合金作为电极。相对于铅蓄电池而言，镍-氢化物电池由于其循环寿命长，充放电速度快，对环境污染小等优点，在90年代得到了快速的发展。有些数码相机，手提电脑，以及混合能源车都采用了镍金属氢化物。然而，Ni-Hydride电池存在着较大的能量消耗和较大的自放电问题。然而，在新能源车尤其是全电动车上，电池的自放电性严重制约了其行驶距离的进一步提升。所以，在新能源汽车中，镍-氢电池并不是主要的动力电池。
2.3 锂离子电池
在锂电池基础上发展出了一种新的锂离子电池。该电极是用一种含有锂盐的化合物制造的，而该电极是用一种像石墨这样的碳物质制造的。锂离子电池负极材料中含有大量的碳，且不会对环境造成任何影响。将锂离子嵌入到碳基材料中，能够有效地抑制金属锂的反应，从而克服了常规锂电技术存在的安全问题。同时，在充放电性能、循环寿命及原料价格等方面也有很大的改善。目前，它已经被广泛地用于医疗器械，能量储存系统，保安设备，以及交通工具等各个方面。锂离子电池，如磷酸铁锂，锰酸锂，钴酸锂和三元锂，已被广泛用于新能源汽车中。
第3章 动力电池冷却系统的现状及发展
3.1 空气冷却
风冷是一种采用不超过电芯温度的风通过电芯与电芯进行热量交换来降低电芯的温升的一种制冷方式。按气流形态的差异，可将风道划分为两种形式：自然对流与强迫对流。在工程实践中，通常使用强迫对流的方法。风冷由于设计简单，易于实现而被普遍采用。
目前国内外对空调系统的风道结构、风向和风量等问题进行了深入的研究。该空调系统有两种典型的排风模式：串联排风和平行排风。串行送风方式时，由于吸收热能的流动方向，使吸收热能在流动方向上持续升高，从而造成了吸收热能的降低，并造成了电堆前后的温差；平行空气流的平均分配，确保了每个单元在电池组中的降温状态是一致的，从而更好地控制了电池组中的温度均匀性。采用圆锥集管及低气压排气技术，可以在不影响主电池组结构的前提下，有效地改善主电池组的散热能力，并将主电池组的温度维持在一个合适的区间。采用了在电池组制冷系统中，对空气冷区域的进气方向进行了调整，从而使气循环“死”现象得到了较好的解决。入口位于堆之上时，堆的最大温度下降9%，且温度均匀度增加39%。
图3-1两种典型空气冷却流道布置
空气冷却可以增强传热，但由于空气与固体壁之间的对流传热系数较低，在实际应用中，风冷的作用并不能达到理想的散热效果。尤其是在严酷的工作条件下，很难保证电池堆的工作温度不超出正常的工作温度。大容量电池堆在高温下工作时，单凭风冷是无法达到对其散热的要求的。
3.2 液体冷却
由于其较强的冷却能力和快速的响应速度，液态制冷一般是将液态制冷片放置在堆的底部或各单体间，以达到液态制冷的目的。在液态冷却板流道内，利用液态冷却介质对电解质进行了吸附和传输。同时，通过改变槽道结构，可以显著改善电堆内的温度分布。结果表明，所设计的最佳构型可以将最大反应温度控制在40摄氏度以下。采用正交试验方法，研究了不同冷却方式下，不同冷却方式下，不同冷却方式下，不同冷却方式下的冷却效果。通过正交实验确定各影响因子的权值，对其进行了优化，使其能够在2 C以上的速率下保持良好的散热性能。
当冷却剂的流速维持在103 kg/s，且微通道的数目不小于4个时，这种设计可以使电池堆的温度维持在40摄氏度以下。在超过8个以上的情况下，再多的管道数量对于改善温度的控制作用是有限的。在此基础上， T型电池堆采用了三种不同的散热方式，见附图3-2。其中，液面散热片位于电解槽的底面，而在电解槽的两边则分别位于电解槽的两端，且两者均位于同一位置。在试验过程中，循环水流速基本不变。在三种布置方式下，底部流体冷却盘内的水流和侧面流体冷却盘内的水流是反向的。结果表明，在三种配置中，在底面及主墙上装有流体散热片的情况下，电解槽内的温度最小且分布最均匀。
图3-2电池组三种液冷板布置方式
将氧化铝纳米粉添加到冷却水中，制成了一种纳米级液体冷却剂，并对该体系进行了温度、压力、流量等条件下的制冷效果进行了研究。研究发现，在低浓度和低流速的情况下，纳米流体比纯水具有更好的制冷效果。但是，在高浓度和高流速条件下，采用纳米颗粒作冷却介质的效果还不如不加入纳米颗粒的效果好。当前，液态制冷由于其强大的制冷性能，可以在加速，高速，行驶中，满足电动车的需求；在攀岩等条件下对更高的冷却需求，而广泛应用于实际工程应用。然而，与其复杂的结构和庞大的系统相比，冷却性能仍有改进的空间。
3.3 相变材料冷却
另外， PMR制冷也是目前电池制冷中的一个热门课题。相变材料（PCMs）是一种在改变物性条件下仍能维持一定的温度，且在转变时会产生较大的潜热。当电池工作时，其放热时， PMN会先吸附部分热能（这时不会产生相变），再吸附大部分潜热（这时才会产生相变），直至相变结束。在这段时间里，他们一直处于稳定的温度，直至他们最后变成了熔化态。这就表示，该系统能够处理高热量的电池，而不会出现不正常的升温，也不会出现显著的温度变化。
利用相变层对蓄电池进行封装，使其能够有效地吸附蓄电池工作时所释放的热量，从而达到制冷目的。针对目前相变储能系统中普遍存在的热传导系数不高的问题，很多研究人员在其中添加了一些诸如泡沫状的碳纤维来改善相变储能系统的热传导系数。为了改善电池与电解槽的传热性能，在电解槽与电解槽中间添加了一种以可扩展碳与石蜡制得的复合型相变层。它的工作原理在图3-3中作了说明。在1 C、2 C的速度下，在1 C、2 C的速度下，各层的壁面相差不超过5 C，从而大大改善了各层的温度均匀性。
图3-3基于相变材料的电池冷却示意图
并对其成分进行了优化，使其在锂离子电池制冷中得到了广泛的应用。然而，由于其自身的体积和质量，使得其在降温过程中所需的工作负载增大，从而降低了车辆的续航里程。另外，要将相变材料用于蓄电池的热管理，还必须要克服相变时的体积膨胀及液态物质泄露等问题。
第4章 热管冷却在电池冷却系统中的应用
4.1 热管基本结构及工作原理
热管是一种以气-液相变为基础，具有较高效率的传热器件。图4-1说明了该热管的工作方式。热管热管内的换热分为四个阶段：（1）液态工质经汽化阶段加热到汽化阶段，由汽化阶段向汽化阶段的汽化阶段，消耗了大量的热能。(2)在压力差异的影响下，气态工作物质被传送到热管内的较低温度位置，也就是凝结部分。(3)气态工质经凝结段放热后，被压缩成液态工质，其压缩时放出的热能经管壳层向外扩散。(4)利用毛细压力或重力，使工作流体回到汽化部分。工作液在凹槽中往复流动，达到了持续的热量传递。该辐射式热管内壁由一个外壳，一个吸液核，以及一个腔体构成。该热管用一种典型的金属结构，其内部壁上与一种液态核心相连。当真空度达到101-10帕斯卡时，再向内注入适当数量的工作液，然后将其封闭，这样就构成了一个热管道。在纵向上，可以将热管内壁分为三段，即蒸发段，保温段和凝结段。对于热管内的汽化与凝结过程，由于其所处的环境条件不同而存在着一定的界限。汽化和凝汽器间的隔热器可按具体要求配置。热管可在不受外力的情况下传热，其传热效率可达到相同体积尺寸的金属零件的数百倍。
图4-1热管工作原理示意图
管壳体和吸液核的材料与热管的稳定性、工作温度范围和热传导系数密切相关。首先，对水槽中的流体进行处理，使其与水槽中的流体相匹配。所谓“相容”是指在工作环境中，管壳、管芯的材质与工作环境不发生作用，或者与工作环境中发生的化学反应微乎其微，从而不会对工作环境造成任何影响。因为是在真空条件下，所以对管壳材质要求有较高的硬度和抗压能力。其次，由于热管壳体材质具有较低的抗热阻性，使得热管能最大限度地与外部进行热量的交流。Cu对各种工质均有亲和力，但对氨气和液体金属的亲和力较差。另外，由于其较小的热阻及较高的机械性能，使得其在热管壳及晶片中得到了广泛的使用。
热管吸芯有网状、沟槽状和烧结式三种。烧心式热管是指将一种特殊的金属粉与一种特殊材料混合而成的一种热管。本发明的特点是：本发明所述的金属粉与所述的管壳体的内壁密切相关，有利于所述的热源和所述的冷源和所述的工作介质在所述的管壳体中进行热量的交换。所以，在实际应用中，可以得到比较小的热阻力。另外，利用陶瓷核心热管的空隙对流体工质产生较大的毛细作用力，将凝结段置于蒸发器之下，从而提高了其适用范围。与管道、管壳的材质相同，其材质也必须与工作流体的化学物质兼容，且具有较低的热电阻。一般情况下，磁心与磁心采用同一材质。
在选用工作液时要注意其温度的稳定性、易源性、经济性、环境友好性等因素。此外，还应考虑与外壳和吸液芯材料的兼容性。目前，材料的相容性计算还没有完整的理论，一般采用实验方法来测试。常见工质与管壳和吸液芯材质的相容性如表4-1所示。
表4-1常见工质与管壳和吸液芯材料相容性表
热管壳，吸芯，工作介质三者的合理搭配，确保了工作温区的长时间运转。采用了铜制的外壳和芯材，以丙酮为工作媒质。本产品为常温热管，适用于0~120摄氏度的环境。此外，用水作热管的工作温度通常在30~250摄氏度之间。
该热管具有尺寸小、质量轻、散热片及热源导热率高等优点，能独立设置；为散热系统的设计提供了极大的便利。近年来，由于热管在能源化工、太阳能光热利用、高功率 LED照明等方面的巨大成功，引起了国内外研究人员的关注。一些学者曾试图对环状重力热管，脉动热管，烧结热管进行改进；将微阵列平板热管等形式的热管，用于电池制冷系统中，以下对当前热管在电池制冷领域的应用研究现状进行了分类。
4.2 热管冷却发展现状
4.2.1 热管与空气冷却结合
以热管内流动换热为工质，是一种最简单、最基础的热管内流动换热方法。
将一条宽度为10 mm的热管排布于电池的表面，与正方形的电池组成一个阵列，用来散热，并与自然对流式的电池进行对比。结果表明，采用较多的热管内壁能显著改善系统的散热性能，而采用较多的热管内壁上凝结段的延长则能显著地降低电池的工作温度。结果表明，采用50 mm的热管式凝结段，可使电池堆的平均温度下降4.6摄氏度，且电池堆的温差下降2.2摄氏度。在平板型热管和正方形的太阳能电池间设置了一套制冷装置，而平板型热管的凝结部分则通过自然对流来实现热量的释放。试验证明，在2 C流速下，此配置能将电池的温度维持在40摄氏度以下，而平面热管内的温度均匀，则能使各单元的温度相差小于5摄氏度。根据 J的方案，采用了一个由重复性的重力热管与一个正方形的单元单元进行换位排列的方式来进行制冷，在此过程中，热管内的凝结部分采用了空气的交换来进行制冷。采用丙酮做热管式工作剂，可以将电解槽的表面平均温度维持在45摄氏度范围内。这种设计能同时满足 HEV和 EV的散热需求。
图4-2热管强制对流电池冷却系统
通过在热管内的凝结部分加装肋片，实现了强迫气流的对流换热。采用这种设计，可以使电池堆的最高工作温度不超过33摄氏度，且与电池堆的温差不超过5摄氏度。此外，增大冷风入口流速可以改善反应器内的温度均一性，但冷风温度的升高仅使反应器内的温升幅度发生变化，对反应器内的温度均一性没有影响。在热管的凝结部位加装了散热板，用于对圆筒型蓄电池进行散热。热管的凝结部分采用了对流换热方式。在采用自然对流方式时，其散热效率较差。而在强迫换热条件下，则可提高换热效率。然而，在高放气速率下，电解液的温度仍然在50摄氏度以上。这样的布置能让单元布置更简洁，是一个很好的探索应用的方向。
4.2.2 热管与液体冷却结合
但在实际应用中，采用空气作冷凝器时，因其换热系数不高，导致其制冷效果不佳。为此，许多研究人员采用了将热管内壁埋入液态冷却器中进行换热的方式，以实现对热管内壁的换热。
将平板式热管内的冷凝部分嵌入了液冷管道内，仍然可以保证高倍率运行时对电池的散热。试验证明，这种设计方法可以改善太阳能电池内部的温度分布，但是，由于太阳能电池纵向热传导率不高，使得太阳能电池内部的温度分布不均匀，因此，太阳能电池内部的温度分布不均匀。
本文对采用热管弧形凝结部分与制冷剂相接触进行了实验。以一种混合了水和酒精的冷却液为冷却液，在一组“异常”工况下，对该冷却液的工作特性进行了实验分析。在单电池充电功率不超过10 W的情况下，可将电池组的温度保持在40摄氏度以下。除此之外，在经历了一段很长的冷暴露之后，热管仍然可以起到很好的效果，但是在低温下，它的换热性能并没有受到很大的影响。
图4-3热管冷凝段接触式冷却系统
在液体冷却池中，除将热管凝区埋入其中外，也可利用液体冷却板来进行热管凝区的散热。这种方法的热阻略大，制冷性能较弱，但可以有效地防止液冷槽结构中的漏液。就像在图4-4中所显示的那样，它是由两个部件的热管组合而成的，它使用了一个被压平的圆柱形热管来传送热量。其中，第一个部件的热管组合从电池模子中吸收了大量的热量，然后经过接触板之后，再经过第二个部件的组合，再把热量传送到300 mm之外的液冷板上。与常规的液冷系统比较起来，本系统的电池的温度变得更均衡了，在冷却水流量为1 L/min，温度为25℃时，本系统可以将电池的温度保持在55℃之下，温差小于5℃。
图4-4热管液冷板耦合冷却系统
4.2.3 热管蒸发段与电池接触的改进
在采用热管法对蓄电池进行制冷时，其汽化部分与蓄电池的接触方式也会对其能否高效地对蓄电池散热起到重要作用。另外，由于接触方式的改变，对壁面的温度分布有一定的影响。在采用圆筒式加热管来制冷长方形太阳能电池时，一般都是先将加热管内的汽化段挤压成型，再将其与太阳能电池连在一起，再与太阳能电池连在一起。另外，也有研究人员在热管内加入了一种新型的相变层来提高其与热管内的接触。
本项目拟采用一种新型的相变型圆柱形锂离子电池，将其置于圆柱形电池阵列与平板型热管的中间，以克服圆柱形电池阵列与平板型热管的不平坦性。在相变介质中引入热管，可以降低热量在相变介质中的积聚，改善电池内的温度分布。这种设计可以使蓄电池间的温度差异小于3℃。采用液冷方式对热管中的凝结部分进行降温，可以保证在3 C左右的放电率下，电池的最高工作温度不超过50℃。采用了一种烧结式加热管对柱状电池进行了冷却。在电池组和热管组的汽化部分中间，用相变层和热管组的汽化部分进行了连接。它的构造见图4~5。对电池堆在各种工况下的温度场进行了试验。在电池堆中加入 PLM后，最大温度差减小了33.63%。将热管引入到相变层中，可使电池堆内的温度差进一步减小28.9%。另外，添加热管还能使物质发生转变的时间更长。
图4-5基于热管与相变材料的电池冷却系统
在此基础上，通过添加 PCM，可以在保证电池壁面温度均匀的前提下，减小与散热系统的接触热阻。然而，由于相变介质的引入，也带来了一些新的问题，比如，由于相变介质的体积和质量的增大，由于相变介质的体积改变而引起的泄露等。在此基础上，采用铜片、铝片等金属收集板及相变层以提高其与制冷系统之间的连接，并将导热管置入到圆筒型电池组内，以代替其中央轴线。该方式能对蓄电池内部进行高效降温。然而，因为对其原来的结构进行了破坏，导致其能量密度下降，同时也带来了一些安全隐患。
第5章 动力电池冷却系统未来发展方向
在对锂离子电池进行散热的基础上，提出了一种新型的散热方式。在对蓄电池进行热管理时，既要使其具备较好的温控与均衡性能，又要使蓄电池的成堆品质得以改善，从而减少其能量消耗。综述了目前国内外对锂离子电池的研究状况及今后的发展趋势。
(1)采用风冷技术，可使风冷系统的散热器结构发生变化，并可使风冷系统的散热器结构发生变化，从而使风冷系统的散热器性能得到改善。然而，目前部分电动车所采用的风冷式制冷系统无法同时满足车辆不同运行条件下的制冷需求，因此，通过风冷式制冷与其它制冷技术相结合，可以有效提升电动车的热管理性能。
(2)尽管流体制冷具有比气体制冷更好的热辐射效率，但是流体制冷要求较高的结构密封性及造价较高。通过对散热器的材质、布置、制冷剂的选用、管路形式及布置等方面的改进，可以有效地改善散热器的散热效果。利用热管-液冷联供的热量控制技术是一种极具发展前景的技术。
(3)组合 PMCs的热管理体系较单 PMCs的热管理体系更有利于提高 PMCs的热效率。通过将 PMMA与其它制冷方式有机地组合，改善 PMMA的温控性能，从而改善 PMMA的温控性能。如何选取合适的相变材料是目前国内外学者关注的热点。但由于其造价昂贵，所以将其与其它制冷方式的联用一直是制冷领域的一个重要课题。
(4)当使用热管技术时，因单一热管的传热区域很少，故需增加热管数量以获得良好的冷却结果。然而，由于当前对热管的研制费用高昂，所以对热管与其它制冷方式或制冷材料的联用进行了深入的探索。
(5)与外部加热法比较，内部加热法的优点是结构简单，加热速度快，温度均匀。但是，内部升温的调控机理很复杂，安全性低，限制了其在低温电池加热中的应用。外加热技术已在实践中应用，但加热效率较低，增加了电池的能耗，进一步缩短了电池的使用寿命。针对内外加热技术面临的挑战，首先，内加热技术可以深入研究现有的控制策略，提高电池的加热速率和安全性；其次，对于外加热技术，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。
第6章 结论
利用电池组驱动新能源汽车是当前主要的驱动技术，但由于电池组在充放电时会释放出较高的热能，因此对其散热性能提出了更高的要求。本文主要对新能源汽车动力电池的发展情况进行了综述，并对动力电池制冷系统的现状及发展展开了分析，并对热管制冷在电池制冷系统中的应用进行了分析，最后还对动力电池制冷系统未来发展方向展开了分析。
随着我国节能环保和可持续发展的要求，我国新能源汽车行业得到了快速发展，为解决能源消耗和环境污染等问题做出了重要贡献。当前，随着新能源汽车的储能容量及容量不断增大，其所产生的散热性也显著增强。将散热技术用于新能源汽车的动力电池，不仅能够提高其工作寿命，而且能够有效保障其工作的安全性。所以，在进行新能源汽车动力电池冷却系统的设计时，一定要将风冷却电池技术、液体冷却电池技术、热管冷却电池技术以及相变材料冷却电池技术都进行了充分的利用，对动力电池的热管理进行了充分的关注，从而推动新能源汽车的可持续健康发展。
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