邱健蓄电池热环境下快速放电的被动式、主动式及混合式电池热管理系统实验对比研究

电气化转型对于减少温室气体排放至关重要。然而，需要高效的电池热管理系统（BTMS）以在极端条件下维持性能。此外，BTMS的重量、功耗和成本也需最小化。因此，本文通过实验比较了多种BTMS方案在高温和极端工况下维持电池在最佳温度范围内运行的性能。针对NCR18650B单体电池及2串2并模组层级，实验研究了被动与主动风冷、间接接触式微通道蒸馏水主动液冷（ALC）、月桂酸相变材料（PCM）以及ALC-PCM混合冷却方案。此外，引入电池品质因数作为关键性能指标来评估归一化的电池热电化学性能，经测算该数值为0.0135 A。⁻¹对于所研究的电池单元，在40°C环境温度和2C放电倍率下，混合ALC-PCM系统仅产生3.5°C的温升，低于推荐的5°C温差阈值。%% 此外，采用该混合电池热管理系统（BTMS）时，模组层级与单体电池层级表现出近乎一致的性能表现。商业电池包的扩展性分析进一步验证了ALC-PCM方案的优越性，其年化成本为61.8美元，系统重量41.91公斤，能耗占比仅为0.0062%。%% 因此，该混合BTMS能在实现最低温升的同时，保持单体电池间最小的热电化学性能差异，并具备优异的技术经济性。建议通过包级混合ALC-PCM热管理系统的设计与验证，以证实其在商业化实际应用中的有效性。

引言

从燃料驱动发动机向电力发动机的转型主要源于温室气体效应的影响。然而，移动设备的电气化要求电池具备小体积、轻量化特性，同时兼具高能量密度与高功率容量。为实现电池最佳热电化学性能，需要电池热管理系统（BTMSs）确保其在最优温度区间内运行。因此，尤其在高温环境与大倍率充放电条件下[1]，需采用不同冷却方式对电池产热速率进行热管理。
被动式空气冷却技术因其直接空气热接触、电池热管理系统（BTMS）重量轻、结构简单以及初始与运行成本低等优势而备受青睐。然而，由于空气的低导热系数与比热容[2]，自然对流空气冷却（NCC）的热性能较差。因此，空气冷却通常适用于混合动力汽车，但对某些纯电动汽车而言性能不足。Kalkan等[3]在23℃环境温度下，对1C至5C放电倍率的软包电池进行了被动空气冷却BTMS的实验与数值研究。研究结果突显了5C放电倍率下的热性能缺陷：平均温度、最高温度及最大温差分别达到50.1℃、52.2℃与6.7℃。
此外，为增强主动空气冷却的传热效果，已实施多种方法，例如通过新型电池配置优化气流路径与方向[4]，以及采用翅片、旋流发生器等扩展表面结构[5]。但在多数情况下，空气冷却系统引入的传热强化措施仍无法匹配电池产热速率，导致热性能低下及温度分布不均[6]。主动空气冷却方法的设计参数包括风道设计、电池间距及电池包排列方式[7]。鉴于目标为能耗最小化与温升控制，研究引入了新型设计以实现更均匀的气流分布（提升温度一致性）并增强湍流效应以强化传热性能[8]。强制对流可通过风扇或借助导流叶片引导车体内部气流实现，该过程需消耗电机牵引功率以克服风冷系统引入的附加气动阻力，此特性正是将该系统归类为主动式的原因。
相变材料（PCMs）则是一种具有高潜热和低体积变化的被动冷却系统[9]。Koyama等人[10]采用熔点为30°C左右且具有高解离热的三羟甲基乙烷相变材料，配合去离子蒸馏水进行实验。结果表明，三羟甲基乙烷的优化质量分数为0.6，此时解离热达到190 kJ/kg，平衡温度为29.6°C。Wang等人[11]提出了一种采用铝制箱体结构的新型复合相变材料，该材料具有优异的热性能。在30°C环境温度和2C放电倍率条件下，所研制的相变材料能使3.3 Ah圆柱形电池的平均温度与温差分别控制在52.9°C和3.9°C。
Oyewola等人[12]研究了通过Z型构型强化主动液体冷却的方法，其通过在入口通道设置阶梯状扩张腔实现优化。研究发现最佳阶梯数为7级、阶梯长度为30毫米，该配置可使最高温度与最大热梯度分别降低3.94℃与5.93℃。Maet al. [13]研究了采用U型平行构型硅胶冷却板替代电池间气隙的方案。与空气间隔相比，该方案使电池间隔热导率提升52倍，电池最高温度降低10°C，热梯度减小2.45°C。研究还进一步在系统中引入了导流挡板和锥形入口歧管。经优化后的导流挡板数量为3块、长度为6mm，与硅胶冷却板构型相比，该设计使电池间热梯度降低67%。
电池与液体冷却剂之间的接触可分为直接接触和间接接触。与热接触相关的设计参数主要关注实现高效接触面积和低热接触电阻。因此，研究提出采用复杂的缠绕通道结构配合热界面材料，以实现高效接触。特斯拉Model S采用的液冷系统通过在电池周围布置蛇形管，实现了温度均匀性，但增加了电池热管理系统（BTMS）的体积和重量[6]。Shang等[14]同样研究了接触表面积变化的影响。研究结果表明，基于平板宽度与电池温度的反比关系，直冷板存在最佳接触面积。当入口温度、质量流量和通道宽度分别为18°C、0.21 kg/s和70 mm时，系统获得最佳热性能。
微型通道具有较低的水力直径，这意味着边界层存在的范围更广，而边界层正是温度梯度存在且传热得以强化的区域。其他优势包括高面积密度（表面积与体积比）、高度紧凑性、可行性以及低质量与体积占用率。然而，黏性效应和压降效应是需要重点关注的问题[15]。研究聚焦于几何参数与运行参数，包括通道构型、尺寸、数量以及入口流速、进出口位置等。已探究的多种构型包括锯齿形转折[16]、蛇形夹层结构[17]、矩形环绕布局以及流线型优化设计。集成于微型通道内的带状管是另一种有效技术，通过增加管道数量和单管通道数可提升冷却能力[18]。
Lan等[18]研究了环境温度27°C、2C放电条件下棱柱形电池微型通道的采用情况。所考察的最高温升为1.38°C，而2C放电时的优化温升为1.26°C。优化后的液体流速和功耗分别为2 L/min与5.27×10⁻³ W。Jilte等[19]则研究了圆柱形电池周围纳米增强相变材料封装螺旋微型通道，在40°C环境温度下最大温升达6°C。对于3毫米厚的相变材料，研究结果还显示其径向与轴向温度变化分别约为1°C和0.2°C。Xu等[20]研究了2毫米×4毫米的直矩形液冷通道与棱柱电池间8毫米厚相变材料的组合，结果表明：0.05米/秒的流速在功耗方面最优，而4:2的通道纵横比更有利于提升温度均匀性。Li等[21]以8毫升/秒的流速对流动式矩形结构进行了研究，所提出的设计方案将最高温度控制在41°C以下。将温度控制在92°C以内，并使热梯度低于1.78°C。Amer等人[22]提出了一种混合被动与主动冷却方法，采用三个独立的微型通道。该系统使用两种具有不同相变温度的相变材料（PCM）来实现被动热管理：一种用于处理25°C环境温度，另一种用于应对更高环境条件，同时结合主动液冷技术以适应快速充放电需求。实验结果表明，在2C放电倍率、25°C环境温度下，采用该电池热管理系统（BTMS）可实现91.6%的实际热效率。
采用优化的电池热管理系统（BTMS）来增强电池热性能，可显著降低容量衰减并延长电池寿命。Napa等人[23]研究了被动式和主动式热管理系统在恒温与变温条件下的电池老化特性。结果表明，当电池工作温度从45°C降至25°C时，在电池容量衰减30%的情况下，其循环寿命可延长一倍。Joula等人[24]将形状记忆合金与相变材料（PCMs）集成于密闭装置中，以实现电池的热管理。研究结果显示，优化后的BTMS可使电池寿命延长20%-40%。
应对高温环境与高放电速率是阻碍电动汽车等移动电力系统广泛普及的主要挑战。现有用于极端放电工况与环境温度的精巧电池热管理系统不仅结构复杂且成本高昂。尤为关键的是，目前仍缺乏针对特定电池在单体与模组层级上，对极端工况下不同冷却方案开展多目标技术经济性综合对比的研究。当前更缺乏一种兼具高热性能（适用于高充放电速率及环境温度）、低电芯间容量差异、高能量密度、低功耗与低年度成本的被动-主动混合式电池热管理系统。此外，电池评估体系尚未建立基于温度指标来定义热电化学行为的标准化完整框架，导致不同方案间缺乏规范化的比较基准。因此，本研究通过实验比较了空气、蒸馏水和月桂酸相变材料在NCR18650B单体电池和模块层面采用的不同被动式、主动式及混合被动-主动式冷却方法，旨在开发具有低重量、低体积、低功耗和低年运行成本特性的电池热管理系统，使其在高温环境和高倍率工况下仍能维持电池优异的热电化学性能与极低的温升。此外，研究还进行了商业化电池包的可扩展性验证，以不同电池热管理系统相对于特定设计要求的性能对比。值得注意的是，本文创新性地引入类热电系统优值因子的电池优值因子作为关键性能指标，该指标通过设计形态、容量、电流、电压、重量和体积等参数对电池性能进行归一化比较。