锂离子电池储能热管理技术应用现状分析

摘要：我国电化学储能产业发展迅速，锂离子电池储能应用安全性仍然面临巨大挑战。其中，温度是影响锂离子电池安全运行的重要因素，合理的温度范围和温度分布一致性是确保大规模电池储能系统安全性和长寿命的关键参数。总结了温度对锂离子电池充放电效率、循环寿命和安全性的影响规律；归纳了风冷、液冷、相变及热管四类主流电池热管理系统(BTMS)应用中的关键影响参数及发展现状，分析了不同热管理(BTM)关键技术发展方向；从散热效率、散热速度、成本等角度对比分析了不同热管理技术的优缺点，并对未来热管理技术应用趋势进行了探讨。

关键词：电池储能 电热特性 风冷 液冷 相变散热 热管技术

电池的充放电效率，即电池在一次充放电循环过程中放出的能量与充电时消耗的能量之比，是电池储能应用性能的关键指标，而过高过低的温度和较大温差都会导致电池充放电效率的降低。郑昆等研究了在新欧洲驾驶循环测试(NEDC)工况下，不同温度对两组三元锂离子电池组放电性能的影响，实验结果显示，随着温度从－15 增加至 40 ℃，两组电池组的充放电效率均逐渐提升，分别从 90.56% 和90.64%提升至99.12% 和 99.78%。研究还发现在 5~40 ℃的环境温度区间内，锂离子电池充放电效率随着温度的升高而升高，总体上，锂离子电池理想充放电温度为 25~40 ℃。

当锂离子电池长期处于温度过低、过高或者温差较大的环境下 ，会导致电池老化的加速 ，从而降低循环寿命 。Genieser R 等[9]开展了三元锂离子电池 80 ℃的循环寿命实验，结果表明，电池在 C/3 下全充全放循环 25 次后，电池的容量保持率衰减至 10%。Wang 等研究了 1 C、45 ℃下的锂离子电池循环寿命，在前 40次循环，电池健康状态(SOH)快速下降至 91% 左右，在 40~280 次循环间，SOH 下降至 75.24%。常温下，锂离子电池的循环寿命一般为 2 000~3 000 次，可以看出高温对电池寿命影响十分显著。低温同样会对电池寿命产生影响，研究发现，温度降低时，电解质粘度和内部阻抗增加，同时阳极的石墨电位降低，形成锂枝晶，从而导致安全问题。Hu 等在－35、－25、0 和 25 ℃四个不同的温度下对锂离子电池进行循环充放电实验，在 25 和 0 ℃的条件下，电池经过 200 次循环后 ，SOH 分别 为 92.2% 和 93.7%，而在－ 25 ℃ 的条件下 ，20 次循环后电池 SOH 降 至 40.9%，在－35 ℃的条件下，经过 10 次循环后，电池的 SOH 就降到了1.6%。对于锂电池模块，除了保持合理的温度范围，良好的温度一致性也非常重要，Chiu 等针对两个串联电池开展了温差影响测试，进行充放电循环测试，充电倍率为 5 C，放电倍率为 10 C。研究显示，两块电池无温差和有温差的容量下降速率分别为 0.597 5 和 7.308 mAh/h，温差极大地加快了容量下降速率。

工作温度和温升速率是表征电池热稳定性的两个重要参数，Pla B 等研究了不同温度区间和升温速率对电池热安全下的影响规律。研究显示，当工作温度低于 0 ℃，在充电过程中容易引发锂离子镀锂和锂枝晶，从而穿透隔膜，在锂离子电池内部诱发内短路；当温度在 40~90 ℃时，锂离子电池会因加速的副反应而缩短寿命，当温度接近 90 ℃甚至更高时，会触发 SEI 膜的分解，标志着热失控的开始；当升温速率大于1 ℃/min，副反应是高度放热的，主要包括 SEI膜分解、Li/有机溶剂反应、隔膜熔化、负极材料分解等；当温升速率高于10 ℃/min，在这种状态下，电池内部两个电极之间发生化学串扰，电解液开始燃烧甚至爆炸。杜光超等研究了热失控阶段锂离子电池内部发生放热内反应，如表 1 所示，可以看出，温度越高，电池内部反应越积累，产热量越大。

在上述的 5 个反应中，正极与电解液的反应是导致电池爆炸的最主要原因之一。因此，提升正极材料的热稳定性是提高锂电池热安全性的关键。Doughty 等从正极材料的热稳定性方面分析得到钴酸锂材料＜三元材料＜锰酸锂材料＜磷酸铁锂材料，然而，不同电池体系及不同厂家的电池热特性存在差异。因此，如何确定电池热失控发生前的温度及控制温度是提升电池热安全性的重要研究方向。

王莉等通过电池加热实验讨论了电池安全性的评价指标，电池热特性如图 1所示，通过将不同的值转化为“计分”给出了电池的安全程度，如公式(1)，T0越高说明电池的热稳定性越好，TC越高则说明电池的安全性越好，为电池的热安全性提供了一个相对的评价方法，为电池热管理提供了参考的依据。

式中：T₀为电池自加热温度；T_C为热失控临界温度；Δt 为热失控酝酿时间。

电池间距是影响风冷性能的关键因素，合适的电池间距既能提升风冷的效率，又能保持电池温度分布均匀性。Qian等提出将电池模块中相邻电池的前后间距和左右角度转化为 6 个自变量，利用相应的 CFD 模拟输出(最大温度和温差)对贝叶斯神经网络进行训练，得到最佳电池间距布置。研究显示，与左右间距相比，前后间距对电池温度的影响较小。增大电池组中间区域的电池从左到右间距，可以提高整个电池组的温度均匀性。Kai 等提出了通过增加较温度较高的电池间的距离，减少较低温度电池周围的间距的并行送风式优化策略。优化了风冷系统的效率，在恒定发热功率下，电池组的最高温度降低了 0.8 K，最大温差降低了 2.9 K(降低了42%)，该优化策略在控制温差方面有着显著的效果。在不恒定的发热率下，4 C 和 5 C 放电过程中，最大温差分别降低了39% 和 37%(1.5 和 1.8 K)，最高温度和最大温差都有降低。张爽等研究了储能集装箱的风冷系统中不同的电池间距和入风口长度带来的影响，仿真工况为 1 C 电流放电，环境温度与进气口气体温度为 25、15 ℃。研究对比了储能系统中电池模块间距为 10、20、30 mm 和进风口长度为 80、130、180 mm 时对系统温度带来的影响。结果如表 2 所示，在间距为 20 mm和进风口长度为 80 mm 的情况下效果最好，可知电池的间距增大对于系统的优化在一定范围内能起到作用 ，进风口则随着长度的缩短，效果变得更好。

系统设计和热管理策略的目标是能够及时有效地控制电池模块的温度，使电池能在合适的环境下工作，现有的研究主要包括控制策略的设计、空气流场的类型和进气口风速的优化，从而确保热管理系统的效率。

田领刚等针对兆瓦级集装箱式储能系统的热管理，设计了一套包括空调和风扇的储能系统温度控制策略，系统会根据实时电池温度和环境温度来控制空调和风扇的运行和关闭，当环境温度低于 12 ℃时，空调开始加热电池，当温度高于 28 ℃时，空调对电池进行冷却，当 BTMS 检测某一电池模块温度高于 33 ℃时，该模块的风扇单独启动，当电池模块温度小于 31 ℃时停止运行。数据显示，在低倍率工况下，电池工作温度保持在 40 ℃以下且温度一致性较好。Zhang等[23]针对 5×5 的电池模组设计了一种多出风口热管理系统，不同于以往一进一出的风口布局，其散热性能更为有效。本研究中，1 个进风口位于顶部中央，4 个出风口位于四个边的右下角，冷却效果最好。与原始模型相比，最高温度、最大温差、平均温度和温度标准偏差分别降低 16.4%、48.7%、10.5% 和43.1%，并且电池排布采取内密外疏时，各项指标达到最佳。当电池以 3 C 放电时，通过提供至少 2 m/s 的空气入口速度，电池模块的温度可以保持在 40 ℃以下，可见该策略保证了电池在大倍率工况下也能良好运行。

在风冷系统中，通过选择正确的流型，可以进一步提高冷却效率。A.A.Pesaran 等研究了不同空气流场对电池模块温度的影响，发现采用串行送风，流体在流动过程中温度会依次升高，造成两侧电池温度差异较大，而采用楔形进出口并行送风(Z 型)，能有效保证电池温度的一致性。Wang 等研究了相同气流速度的散热效率下 9 种不同的流场设计下电池组中的电池最高温度和最大温差，设计如图 2所示。由表 3结果显示，3 号流场设计的冷却效果最差，相应的 T_max、ΔT_max分别为 329.33、8.22 K。最低 T_max (324.91 K)和最小 ΔT_max (2.09K)分别出现在 9 号和 7 号。可知，进风口位置和出风口位置对流型有显著影响，不同的流动路径导致不同的气流分布，电池两侧的气流速度越高，冷却效果越好，各通道内气流速度越相近，电池的温度一致性则更好。

风速对于风冷系统至关重要，合理的风速能提升系统的冷却性能，同时保证较低的能耗。Chen 等研究了电池组在不同入口风速下 BTMS 的冷却性能。BTMS 带有空调，当环境温度＞20 ℃时，入口空气温度为 20 ℃，当环境温度等于20 ℃时，使用环境空气直接冷却。研究显示，在 30和 50 ℃的环境温度下，电池在一次完整循环中的平均温度和最大温差随着风速的增加而减小，由表 4 可知当风速等于 1 m/s 时，电池可以保持在合理的温度，风速继续增大但带来的收益逐渐减少，同时会使能耗增加，所以在实际应用中选取风速要在两者间进行平衡。研究还发现，提高风速可降低电池工作温度和最大温差，电池的容量损失速率也随之减慢。

对于大规模电池组的高倍率充放电过程，风冷系统的冷却能力已经不能满足电池组的散热需求。液体拥有比空气更高的比热容、更高的导热率，且液冷冷却速度较快，对降低局部最高温度、提升电池模块温度一致性效果显著，同时液冷相较于风冷，噪音控制较好。液冷散热将是未来大功率锂电池在复杂工况下热管理的重要研究方向，但液冷系统也存在缺点，如能耗较大、密封要求高，且系统结构复杂，实际应用于储能系统相较风冷难度更大。影响液冷散热系统的主要因素为：冷却液管道或冷却板的布局和设计，以及冷却液的流速。

液冷通道设计主要的点为通道长宽比、通道形状和数量以及解决入水口和出水口的温差问题，Ding、Guo 等针对常规通道在这几个问题上进行了研究，发现增加通道的数量可以降低最高温度和电池模块间的温差，但提升有限且增加通道数量时能耗增高；在一定范围内增大通道的长宽比也可以有效地降低锂离子电池组的最高温度，减少温差。同时，所提出的波浪形管道能够增加接触面积和提高散热效率。为了解决入水口和出水口的温差问题，可以将管道拆分为两个，入水口方向设置为相反。此外，当电池模块中电池数量较多时，应使用并联冷却结构。Ashkboos 等则研究了一种带有纵向肋的液冷通道，比较了不同肋条长宽比和数量对冷却系统性能带来的影响，其横截面示意图如图 3 所示。设计的 4 种方案如表 5 所示，文中对比了传热系数、水热性能、质量流量、泵送功率和功耗比，其中水热冷却性能指数采用Rehman 等提出的方程式计算。如表 6 所示，方案 4 的效果为最佳，证明了该设计的可行性，并且随着肋条个数的增加，散热效率得到提升，肋条的长宽比改变带来的提升则很小。

液冷热管理系统一般采用水、乙二醇或者水-乙二醇混合物作为冷却介质。其中改变冷却剂流速是液冷系统研究中的一个重要因素，改变流速能够实现不同的热交换效率，是液冷系统设计的关键因素。Ping等研究了一套结合了相变材料和液冷的电池热管理系统，通过冷却液带走相变材料(PCM)的潜热。对比了不同的冷却液的流速对热管理系统的性能影响，实验在充电倍率为 0.5 C，放电倍率为 3 C 的工况下对比了锂离子电池组在 0.05~0.4 m/s 之间不同流速下的最高温度和温差(取 3 次循环的平均值)。环境温度和入口温度均设置为 40 °C。实验结果显示，随着流速从 0.05 m/s 增加到0.2 m/s，T_max 从 49.17 ℃降低到 47.5 ℃，ΔT_max 从 7.43 ℃降到6.41 ℃。当速度从 0.2 m/s再增加到 0.4 m/s，降低的程度有所下降，流速的增加能提高系统的散热性能，但是具有边际效用。Guo 等还发现，增加流速可以降低电池模组最高温度，但可能会增加单位电池间的最大温差，这是因为流速增大导致冷却液在入水口带走了更多的热量，使出水口附近的电池得不到有效的散热。为了保证电池模块的温度一致性，Liu等针对垂直分布性液冷热管理系统，提出了一套梯度流速的优化策略。如图 4 所示，将电池周围管道的数量将管道分为 3 类，不同类别的管道设置不同的流速，在散热需求大的区域设置更大的流速，并对比了两种工况下的加热性能和散热性能：(1)环境温度－10 ℃，液体介质温度为 30 ℃；(2)环境温度 60 ℃，液体介质温度为 30 ℃。实验结果显示，达到稳态时的 T_max和 ΔT_max的差别不大，热交换主要受接触面积和温差的影响，而流速的变化只影响电池模块的稳态时间，对稳态值影响不大。实验结果显示，增大流速梯度能够降低模组在稳态阶段前的 ΔTmax，相较于没有设置梯度流速的案例，得到了明显改善，梯度流速设计在平衡电池模块各部分的传热效率也起着明显的作用。

马彦等针对液冷系统提出了一种基于模糊 PID 算法的控制策略，建立集中质量模型，实验通过电池内阻与温度间的关系、对流换热系数与冷却液流速间的联系，结合建立了电池组热模型。仿真结果表明，相比于传统 PID 冷却策略，模糊控制策略拥有更强的鲁棒性和容错能力，同等条件下，模糊 PID 冷却策略调节时间缩短了 11 s，最大温差降低 0.14 K，增强系统抵抗电流扰动的能力。液冷模糊 PID 冷却策略结构如图 5 所示，控制器的输入为监测得到的电池组实际温度与目标温度的温差 e 和温差变化率 ec，对其进行模糊化、模糊推理、解模糊化等处理，获得 PID 参数的修正量 Δk_p、Δk_i、Δk_d(k_p为比例调节系数，提高系统的响应速度和调节精度；k_i为积分调节系数，消除残差；k_d为微分调节系数，改善系统的动态性能)，再经修正后的 PID 控制器依据温差 e 的大小求解出所需冷却液流速 v，此策略能够根据负载电流随时调整散热能力，能避免散热能力不足或者浪费能量等情况。

液冷散热系统实际应用中常用的三种方式如图 6 所示：一是用载有冷却液的管道环绕、接触模块中的每个电池，降低电池温度和电池间温差，此方案比较适用于圆柱形电池[图 6(a)]；二是直接将电池模组浸泡在不导电的冷却液中，此方案能对电池所有面进行冷却，有助于提高温度一致性，目前常用于超级计算系统的服务器上，但运用于储能领域漏液风险大，很少被应用[图 6(b)]；三是在电池或者电池模块之间放置冷却板，冷却板内有液体微通道，此方案适用于棱柱形电池或者软包电池[图 6(c)]。

PCM 能在恒温或者近似恒温的情况下发生相变，并在相变过程中吸收/释放潜热从而达到降温的效果。目前，采用固-液型 PCM 的 BTMS 具有较好的应用前景，由于其比热容高，可大大减轻系统质量，且冷却效率也比液冷高出 3~4倍；其不足是某些 PCM体积变化大，对于系统的空间需求大，同时，PCM 吸收的热量不能有效地释放到外界环境中。纯PCM 有着较大的蓄热能力，但是热导率较低，为了解决这个问题，研发了复合型 PCM，常见的是与纳米颗粒、金属泡沫或膨胀石墨等其他材料结合。

M.A.Bamdezh 等设计了一种由相变材料和风冷混合的热管理系统，如图 7 所示，PCM 作为被动散热部分，风冷则作为主动散热部分。通过设定两种不同排列方式(对齐排列、交错排列)和不同的相邻电池间的距离(2D、2.5D、3D，D=18mm)以及三种相变材料的厚度，组成了 18 种方案，进行分析比较。结果显示，除了间距为 2D 且对齐排列的情况下，电池组的平均温度都被控制在安全的范围内。当相变材料厚度为4 和 5 mm 时，仅在对齐排列且间距最小的情况下才会完全融化。增加相变材料的厚度能降低电池的温度，但是会增加最大温差。总体上，该结构下所有电池组的最大温差都小于1.5 ℃，这显示了此热管理系统在控制温度均匀分布方面的卓越能力。Ramandi 等发现，多层 PCM 结构散热效率大于单层 PCM 结构；Moraga 等同样对多层 PCM 结构进行研究，发现在靠近电池的区域填充导热系数较高的 PCM，能提升冷却系统的性能。PCM 也常用于电脑芯片的散热，通过 PCM可以将芯片的热量迅速传递到铜管上，再通过与铜管连接的风扇将热量带出，这种模块设计思路也可以通过优化改良运用于锂离子电池组的散热。

选择合适的 PCM 也能很好地提升 BTMS 的性能。潜热、熔点和导热系数都是 PCM 的重要参数，潜热高的 PCM 可以显著降低电池组的最高温度和最大温差，纯 PCM 由于其导热性较低，难以解决温度分布不均匀的问题，需要加入高导热材料，但高导热也是降低系统在寒冷环境下的保温性，所以需要合理分配材料的占比。Mohamed等针对锂离子电池，设计了一种加入泡沫金属的复合 PCM，通过与纯 PCM对比，发现复合 PCM 能够完全熔化，充分发挥其散热作用，而纯 PCM 则只能熔化 80%，同时泡沫铝的添加会增强热传递并导致更均匀的温度场。针对 PCM 泡沫金属复合材料的厚度也进行了研究，厚度过低会导致出现极端温度，厚度为 2 mm时，电池温度会高达 33 ℃，远高于目标温度(27 ℃)，而当厚度超过 3 mm 后，厚度的增加对温度则影响不大。李世远等[45]研究了在 2.5 C 充放电倍率下膨胀石墨与石蜡复合 PCM 厚度、性质及结构优化对电池散热性能的影响，发现适当提升复合PCM 厚度能提升热管理的性能；当改变膨胀石墨与石蜡的比例时，对电池的最高温度有显著影响；在不同区域填充不同的复合PCM 时，能有效提升系统温控效果。

热管作为一种高效的换热元件，目前在大容量电池系统中的实际应用较少，相关研究尚处于实验室阶段。热管一般由管壳、管芯及工质组成，其结构沿轴方向可以分为蒸发段、绝热段和冷凝段三部分。热管的优点有：极高的导热性、优良的等温性、低成本、恒温性、可靠控制灵活、高散热效率且不需要维修，能够在各种距离上等温的传递热量。高效灵活的热管技术在电池储能热管理中具有较好的前景。

常见的热管按结构可以分为以下几类，分别是：普通热管、分离式热管、径向热管、微热管、平板热管等。其中，分离式热管易于合理布置蒸发段和冷凝段，冷热流体间可以绝对分离，完全无互混；微热管体积小、质量轻、传热效率高、易于集成、单位面积换热量大和无需外加动力；平板热管，其形状非常有利于对集中热源进行热扩散；径向热管则具有良好的等温性，外表面温度基本相等，能有效控制壁面温度，系统可靠性高。

Wang 等研究了将铝合金微热管(MHPA)用于 BTMS，该系统实现了电池加热散热一体化管理。MPHA 拥有远大于传统热管的比表面积。电池组需要低温加热时，MHPA 底部被加热板加热，工作介质在压力差的作用下从蒸发器部分向上流到冷凝器部分，热量通过冷凝器部分的外表面传递到冷电池，冷凝液通过重力和毛细管力返回蒸发器，与热管冷却的流程相反。当电池组温度过高时，使用具有散热片封装的MHPA 来实现散热。

Alihosseini 等通过充放电循环实验，让电池组在 25 ℃的环境温度下连续充放电循环 11 次，充电和放电倍率均为1 C，冷凝器段中冷却液的温度保持恒定在 22 ℃，结果显示，在有热管的情况下，电池表面温度仅在前 3 次循环升高，从第4 次循环开始，温度保持不变，在 11 次循环后，电池表面的平均温度不超过34 ℃，而没有热管的情况下，电池表面温度不断升高，并在 10 次循环后超过了 45 ℃，热管很好地控制住了温度，但同时系统质量增加了 10%，未来通过改善热管材料来提升系统的质量性能十分关键。Hamidreza等研究对比了空气自然对流、热管技术和 PCM 热管复合技术三种冷却策略在高放电倍率(8 C)下的冷却效果，数据显示，放电 446 s后，空气自然对流的电池最高温度达到56 ℃；采用热管的策略下，最高温度为 46.3 ℃；而使用 PCM 辅助热管冷却系统，最高电池温度仅为 33.2 ℃，相较于自然对流降低了 40.7%，可知采用复合热管理，利用不同技术的优点，可以获得更好的冷却效果。

热管技术散热的关键在于及时将冷凝段的热量带走。Mbulu 等在研究中提出，基于 L 型和 I 型热管的 BTMS 为了保证 Tmax和 ΔTmax在 40 和 5 ℃以下，蒸发段需要从电池捕获更多热量并将其传递到冷凝段，采用导热系数和沸点较高的冷却液，并且增大冷却液的流速，及时将热量带走。Alihosseini等同样研究了热管冷凝段散热类型，对比了强制对流(1、3m/s)和自然对流的散热效率，将电池组在 1 C 下充放电循环 2次，结果显示，与自然对流相比，采用强制对流提高热管的传热能力，降低了电池温度，并且随着流速增加，效果更好。

不同热管理系统的影响因素较多，关键因素的优化对提升散热技术的性能十分重要。

风冷散热系统的优点为系统设计相对简单，成本低，易于实现和维护，可靠性高。其缺点也很明显：较低的比热容、较小的导热系数，不适用于高功率的场景，其散热效率低下，且受环境温度影响大，并且强制风冷产生大量噪音。

液体冷却的优点是具有更高的比热容，质量流量，更快的传热速度；具有较好的冷却效果，能达到均匀的温度分布。其缺点为布局复杂、部件较多、系统质量大、成本高和可靠性差，需要较高的密封性，且有泄露液体的风险。

相变材料冷却的优点是与相同操作条件下的空气或液体冷却相比，它在电池表面提供了更均匀的温度分布且反应速度快，并且储能密度高、节能、结构紧凑，可降低复杂度、节约成本。缺点则是当 PCM 发生相变时，体积变化很大，容易泄漏，并且固化时间较长。

热管冷却的优点是热管具有高热导率，体积相对较小、质量较轻，也可以根据可用空间以不同形式制造，并且在运行期间不需要维护，且具有优良的等温性、热流方向可逆性。其缺点则是容量小，接触面积小，系统结构复杂，泄漏风险大，成本高，技术复杂。

根据上述各类技术特点，本文从导热系数、比热容、散热速度、温差分布、寿命和成本等方面对比了各类技术的应用效果，如表 7所示。

随着锂离子储能技术向着高容量和紧凑化的方向发展，锂电池的热安全性成为现阶段研究的重点，且锂离子电池相较于其他电池，对工作温度的要求更为严苛，如何让储能系统的大量电池在稳定的环境下安全运行成为必须解决的问题，需要热管理系统准确监控电池的状态，在温度偏离正常范围时及时控制电池温度。本文主要结论如下：

(1)在电池的性能方面，总结了温度对电池充放电效率、循环寿命和安全性的影响，数据显示温度控制是电池正常运行的重要保障。

(2)在电池储能热管理技术方面，风冷、液冷、相变散热和热管技术是目前大规模电池储能的主要技术类型，各类热管理系统设计中关键因素不同，需要通过设计参数优化、系统设计及控制策略等途径来提升热管理效果及综合能效。

(3)通过散热效率、散热速度、温差分布、寿命和成本对不同散热技术进行对比，结果表明液冷、热管冷却及相变冷却在散热速度上均优于风冷技术，热管冷却具有更优的降温效果，但风冷成本较低。

电池温度与其动态产热工况密切相关，应结合实际工况，制定有效的实时控制策略, 实现高效、低能耗电池热管理。目前，大部分系统设计重点集中于控制温度, 较少考虑系统能耗、体积和质量，应综合考虑各项指标。另外，各类热管理技术都在某些方面存在一定的缺陷，单一的冷却手段在某些工况下可能无法满足电池的散热要求。因此，根据实际应用需求，复合热管理技术将成为更有效的热管理技术手段。