相對其他動力電池，鋰離子動力電池對工作溫度要求更為苛刻，在中小倍率長時間充放電以及大倍率短時間充放電情況下產(chǎn)熱量都很大，嚴(yán)重影響電池的正常運行，甚至危及汽車安全。

縱觀現(xiàn)有的熱管理技術(shù)可以發(fā)現(xiàn)，單一的傳統(tǒng)冷卻手段難以滿足鋰離子動力電池的散熱要求，綜合運用兩種或多種熱管理技術(shù)的復(fù)合型熱管理系統(tǒng)將成為未來解決鋰離子電池?zé)岚踩詥栴}的主流。

相關(guān)研究表明運用熱管結(jié)合風(fēng)冷/液冷的復(fù)合熱管理系統(tǒng)可有效地降低電池包的溫升并保證溫度一致性。

熱管與風(fēng)冷結(jié)合的熱管理系統(tǒng)如圖1所示，電池組由圍繞電池單體陣列的PCM復(fù)合材料組成。熱管的蒸發(fā)段集成在PCM內(nèi)，冷凝器端延伸到電池箱外部。

電池組側(cè)面的空氣流動通道用作熱交換器，可以使用風(fēng)扇通過翅片式冷凝器吹送空氣帶走熱量。

圖1 熱管與風(fēng)冷結(jié)合的熱管理系統(tǒng)示意圖

圖2 熱量傳遞示意圖

對于5C放電的電池模組來說，圖3為三種散熱方式的最大溫升曲線。無PCM復(fù)合材料的模組溫度比其他兩個模組高得多，最高溫度為63.1℃。相比之下，有PCMP的模組最高溫度為53.2℃，比前者低了約10℃。

當(dāng)將熱管引入PCMP復(fù)合材料時，熱量可以通過熱管傳遞出來，所以最高溫度進(jìn)一步下降到50.9℃，非常接近推薦的50℃上限操作溫度。三種散熱方式下達(dá)到設(shè)定點溫度50℃的時間分別為488s，640s和701s。

結(jié)果表明，構(gòu)建的熱管—PCMP的模組更適用于電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，特別是在高放電率下，因為它提供了相對較長的操作時間和更適合的溫度。

圖3 5C放電倍率下三種散熱方式的溫升曲線

圖4為不同風(fēng)速下熱管與PCMP結(jié)合散熱的模組溫升情況，可以觀察到隨著風(fēng)速的增加，最高溫度隨之減小并且能將溫度控制在50℃內(nèi)。

例如，當(dāng)空氣流速增加1m s-1時，最高溫度從50.9℃降至49.4℃。然而當(dāng)進(jìn)一步增加流動空氣速度時，由于PCM的相變過程，最高溫度繼續(xù)以較低速率減小。

在這個過程中，熱管的蒸發(fā)段的溫度保持不變。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到臨界值時，進(jìn)一步提高風(fēng)速的效果受到限制。

圖4 不同風(fēng)速情況下熱管與風(fēng)冷結(jié)合的熱管理系統(tǒng)溫度變化

由于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)很小，當(dāng)電池發(fā)熱功率較大時，上述熱管理系統(tǒng)無法滿足散熱要求。水的散熱系數(shù)為空氣的20倍左右，因此常用作冷卻介質(zhì)。

熱管與液冷相結(jié)合的熱管系統(tǒng)如圖5所示，熱管被插入到每個電池單元的腔體中，其中蒸發(fā)端（冷卻模式）或冷凝端（加熱模式）將被附著到鋁板。

電池組下方的液體通道用作熱交換器，允許熱量在電池和冷卻液之間傳遞。這有利于熱管提供的雙向特性，使得該系統(tǒng)可以提供冷卻或加熱。

在制冷模式下，熱交換器中的冷卻劑（乙二醇水）用作催化劑，幫助熱管散發(fā)不需要的熱量。

在加熱模式下，它可以通過提高冷卻劑溫度，為熱管提供足夠的熱量，實現(xiàn)加熱電池。

圖5 熱管與液冷結(jié)合的熱管理系統(tǒng)示意圖

圖6 試驗?zāi)Ｐ图?xì)節(jié)圖

通過紅外熱像儀比較無散熱的電池和單側(cè)布置熱管冷卻的電池?zé)岢上袂闆r，如圖5所示。

試驗中電池在1C—4C的倍率下放電，相當(dāng)于每個電池產(chǎn)生3.78W—41.27W的發(fā)熱量。每隔30分鐘拍攝一次圖像，從圖7中可以看出，熱管冷卻的電池在3C和4C放電條件下保持平均溫度分別為30.5℃和41.1℃，可有效控制電池的溫升。

圖7 不同放電下電池的熱成像

綜上，我們可以發(fā)現(xiàn)熱管能夠與電池緊密接觸，同時可以減小體積和質(zhì)量，使得整個電池模塊結(jié)構(gòu)緊湊，便于整車設(shè)計和安裝。

風(fēng)冷與熱管結(jié)合的復(fù)合熱管理系統(tǒng)設(shè)計相對簡單，然而由于空氣導(dǎo)熱系數(shù)較小，散熱效果有限。采用液冷散熱形式可以提高散熱效果，但電池包能量密度有所下降且存在漏液的風(fēng)險。

同時，應(yīng)用相變材料潛熱蓄能的優(yōu)點，與熱管耦合，可以提高熱管理系統(tǒng)的熱容，做到高溫時散熱，低溫時保溫，保障電池始終工作在合理的溫度區(qū)間內(nèi)。