随着经济的快速发展，新能源技术的不断开发，电动汽车逐渐成为交通工具的主流趋势之一。锂离子电池作为电动汽车的主要动力源，对电动汽车的安全性、行驶里程、使用性能和寿命起着至关重要的作用。锂离子电池具有工作电压高、体积小、能量高、无记忆效应、循环寿命长等优点，已经成为了目前电动汽车中使用最广泛的电池之一。
空气冷却又叫风冷，是目前使用最广泛的电池 散热方式，可与整车的行驶特性设计相结合。可通过车速形成的自然风将热量带走，也可通过风扇运转产生强制气流。自然对流具有简单易行，低成本， 散热过程多以自然对流为主等优点，缺点为风力不可控。强制对流相比自然对流更可靠，更易于维护， 因此成为常见的电池冷却方式。强制对流的缺点是电池内的温度分布不均匀，由于空气本身的特性， 冷却效果有一定的局限性。
为提高电池温度分布的均匀性与冷却效率，电 池组内单体电池排列方式的研究是必不可少的。常见的电池排列方式有顺排、叉排和梯形排列三种，如图 1 所示。
顺排方式为单体电池在电池箱内呈整齐有序的 排放，如图 1a 所示。外部冷空气从电池缝隙穿过，优点为气流阻力较小，缺点为不易受到扰动而产生湍流漩涡，与电池接触面较小，对流换热较小，因此散热效率不高，一般不采用。
叉排方式是将相邻的两个电池彼此错开排列， 如图 1b 所示。外部冷空气通过上一层电池后直接穿过下一层电池的表面，然后绕过该电池表面流向电池两侧的间隙。增加了冷空气与电池接触的面积， 提了电池表面的对流换热系数，进而提高了散热效率，缺点为流动阻力损失较大。
梯形排列方式在气流尾部减少电池的个数，缩小冷空气流通方向的截面积，从而增加换热系数， 如图 1c 所示。采用梯形排列方式能够平衡上下游电池的散热效果，可使电池组中的单体电池温度分布呈现出较好的一致性。
但是在使用 32(4×8)个锂电池进行强制风冷试验研究中，将电池组分别采用顺排、交错和交叉三种方式进行排列，交错和交叉方式如图 2 所示。采用三种典型排列方式的锂电池组在 20 ℃工作环境下进行试验，放电速率为 2C。风洞设置在 4 列电池侧，当进气速度从 0.6 m·s −1 增加到 1 m·s −1 时， 顺排、交错和交叉排列的电池组最大温升分别降低了 10 ℃、7 ℃和 7 ℃。随着进气速度的增加，三种排列方式的电池组温度呈负指数形式减少。
该结果与文献截然不同，在电池组中顺排方式表现出更好的冷却性能，其次是交错排列，最后是交叉排列。
通过上述两个风冷热管理散热性能的试验结果 对比可知，电池组的排列顺序、进出风口的位置以及风速的大小等因素都会影响电池的散热效果。电池组个数较少时，风速的提高和电池组的排列顺序对散热的性能和温度分布的均匀性影响变化不大。当电池组个数较多、电池包密度较大时，三种排列方式的上下游风压的不同会导致每种方式的散热效果呈现出不一致性，甚至会因风速的增加加剧风冷系统能量的二次消耗，与提高电池组效率和散热性能相矛盾。
电动汽车中电池个数往往成千上万，数量远远比试验的多。因此当储能系统中电池个数较少时， 可采用图 1 中梯形排列方式；当储能系统电池个数较多时，可采用图 2 中的顺排方式。
单体电池间的温度差异与其在电池组内的位置有很大关系，一般情况下，下边缘位置相对于 中心位置散热较好，温度较低。因此在布置散热设计时，应尽量保证单体电池的温度均匀性。根据通风方式，可分为串行通风和并行通风，如图 3 所示。
在串行通风的电池模块中，使用由 8 块 26650 动力电池(2.3 A·h，3.3 V)进行 4 个串联和 2 排并联组成的电池组模型，电池模块的电压为 14.8 V，容量为 4.6 A·h。该试验平台包含充放电装置，温度、风速、压力检测器，风洞装置等，风洞装置能 够有效控制风速大小，风速的大小范围为 0.5 m·s −1 ～30 m·s −1 。试验借助 ANSYS/FLUENT 软件对该模块进行二维数值模拟研究，CFD 模型示意图和网格划分结果如图 4所示，网格采用四边形非结构网格，但该数值模型未考虑到流体参数和流场在 z 轴的变化。
CHEN 等进行了各种关于提高空气模块冷却效率的研究。使用计算流体动力学方法的数值解决方案以及优化算法来改进由棱柱形电池组成的风冷电池组，如图 5 所示。电池间距分布、气流速率、入口和出口的宽度、增压室长度和位置是数值函数中要优化的目标。电池系统由 8 个方形电池组成， 在 5C 放电倍率下进行测试。试验结果表明，当入口和出口位于增压室的中间时可以实现电池的高效冷却。与 Z 型热管理模型相比，电池间的最高温度和最大温差分别降低了 4.3 ℃和 6.0 ℃。
基于风冷热管理的优点包括：运行过程中的安 全性与可靠性、所需材料简单且易于实现、产生有害气体时能够及时有效通风；与液体和相变材料相比，空气作为冷却介质的降温能力明显不足，且仅适用于低密度电池。表 1 对风冷系统中的一些重要参数进行了总结。
庞大的电池组产生的热量使得主动式风冷系统 随之增加体积，从而影响电动汽车的性能和乘客的舒适度。为解决风冷系统面临的问题并提高其性能， 众多学者开始研究将其他冷却介质加入到风冷系统中。
与基于风冷的电池热管理系统相比，基于液 体的热管理具有更高的传热系数和比热容，对提高电池组能量密度和热管理能力有着更显著的效果。表 3 为水在不同温度下的导热系数。根据电池与冷却液接触的方式，液冷系统可分为直接接触式和间接接触式两种。根据电池液冷散热的结构又可分为主、被动两种方式，被动式系统中， 冷却液与外界空气进行热量交换，将电池热量送出；主动式系统中，电池热量通过液-液交换的方式送出。
冷却液直接与电池或电池模块表面接触为直接 接触式液冷，相较于风冷能够更好地进行电池散热。冷却液的特点为导热率高且绝缘，但由于使用的冷却液体流动性不强，因此散热效果也会受到一定的影响。
两相冷却技术在直接接触式液冷系统中是一种 较前沿的冷却技术。选择 3M 公司浓度为 99.5% 的 Novec7000 电子氟化液作为冷却剂，冷却剂液体在常压下沸点为 34 ℃。通过试验发现，即使在放电倍率为 5C 的条件下，冷却剂也可将电池组的温度保持在 35 ℃左右。同时试验结果还证明了，在沸点以下的冷却液的冷却效果超过了基于空气的热管理系统，当冷却液的温度达到沸点时，沸腾过程可进一步将电池的温度趋于一致。在冷却液沸腾过程中会受到大气压的影响，因此有必要研究如何通过控制冷却液周围的压力来主动控制沸腾强度。
热管(Heating pipe，HP)是利用管内介质相变进 行吸热和放热的高效换热元件，广泛应用于工业等众多领域。常用的热管有三部分组成：封闭式金属管、吸液芯和端盖，将热管内抽成真空，充入适当的冷却液体，使管内壁的吸液芯毛细多孔材料内充满冷却液后加以密封。工作原理图如图 6 所示，热管的吸热端为蒸发端，散热端为冷凝端。当热管的加热端受热时，工作介质受热蒸发并在管内流体的受力下流向冷凝端，然后蒸汽在冷凝端散热重新变为液体，冷凝端的液体受重力或多孔材料的毛细力作用下流回蒸发端，以达到散热的目的。如此循环，将电池产生的热量传递到外界空气，从而实现小温差大热流的传输，使电池温度降低。
热管由于具有良好的热流密度可变性、导热性、 密度可变性、热流方向可逆性、优良的恒温热性和环境适应性等特点，已成为电子设备重要的散热技术之一。此外，热管需要在一定的条件下才能正常工作，从热管的蒸发端到冷凝端的汽相与液相之间的静压差都应与该处的毛细压差保持线性关系。
式中，ΔPc 为热管内部液体流动时的推动力；ΔPv 为热管内蒸发端到冷凝端的蒸汽压降； ΔP1为冷凝端回到蒸发端的压降； ΔPg 为由重力势能引起的流体压降，由热管环境所决定，数值可正可负。
热管相比于其他冷却系统具有更强的传热能 力，但并不意味着可以无限增大其热负荷，热管的 热效率受众多因素制约。影响热管的传热的极限如 图 7 所示，当热管达到极限时，传热量将不再 继续增加，传热极限取决于热管的形状、内部吸芯液的结构、工作介质和周围环境。
相变材料(Phase change materials，PCM)的物理 状态随温度而变化，相变过程中温度变化范围小， 但吸收或释放的潜热大。相变材料具有体积变化小、潜热大、稳定性好等优点。
常见的 PCM 材料可分为有机材料、无机材料 和共晶材料，有机材料包括石蜡(PA)和石蜡化合物，如硬脂酸和长链烷烃等；无机材料包括水合盐和金属等材料；共晶材料是两种或多种具有特定原子比的有机和无机化合物的混合，具有较高的潜热和较高的熔点。
有机材料中由于石蜡具有高潜热、稳定性好、 耐腐蚀和低成本的优点，被广泛应用与电池热管理系统中。由于易燃性和泄露风险使得热管理系统中不会使用纯石蜡作为相变材料。针对这一问题，学者们提出一种有效方法，就是将膨胀石墨(EG)、金属泡沫铜、纳米流体和石墨毡等导热材料引入到纯有机相变材料中。
将有机材料正二十烷 PCM 与铜纳米颗粒、翅片和泡沫金属混合，形成具有更高热导性的复合 PCM，结构如图 8 所示。
试验结构表明，纳米颗粒的加入对电池散热特 性影响很小，而翅片的添加使得电池温度显著下降， 高导热性和三维结构的金属泡沫在降低电池温度方面相对最有效。
利用 PA、EG、聚磷酸铵(APP)、红磷(RP)和环 氧树脂(ER)组成的新型复合 PCM，可增强热物理和阻燃性能。PCM 电池热管理模型如图 9 所示， 其中圆柱形电池放置在孔中且被 PCM 材料包裹。 试验结果表明，当 PCM 材料中 APP 和 RP 比例为 2.3:1 时，电池模块能表现出更优良的阻燃性。
共晶材料是有机和无机的混合物，因此具有更高的潜热和尖锐的熔点等特性。共晶材料的特点为不同化合物的层状结构，在熔化和凝固过程中不会出现偏析现象，可阻止成分发生变化。通过物理结合六水硝酸镁和硝酸锂制备的共晶混合物中添加膨胀石墨，制备一种复合共晶材料。通过试验测得共晶混合物的相变温度为 72.46 ℃，潜热为 170.32 kJ/kg，在容器选择上使用铝制或不锈钢为最佳材料。所制备的共晶相变材料具有良好的吸热能力，可为电池储能领域散热器的候选材料。
PCM 依赖于自身高潜热的能力，然而当温度超过自身的熔点后 PCM 冷却性能就会显著下降。因此将 PCM 与常用冷却方法耦合起来构成混合系统，确保长期使用。表 5 总结了近些年 PCM 与其他冷却系统耦合的方案。图 10a 在铝制框架中添加石蜡材料，空气通过框架的间隙流动来冷却和固化石蜡。图 10b 将复合 PCM 的一侧连接电池，另一 侧连接到带有风冷系统的散热器。在高温环境和高放电倍率下，电池模块温度仍能保持在 60 ℃以下， 具有良好的热性能。
与风冷相比，液冷能够表现出更优秀的热性能 和能源效率。图 11a 为集成 PCM 与液冷系统结合的热管理。当环境温度为 40 ℃，放电倍率为 3C 下，液体冷却系统管理下的电池组的最高温度和电池间的梯度分别为 47.6 ℃和 4.5 ℃。图 11b 在 PCM 系统中结合了可控液冷策略，可根据 PCM 的温度和环境温度来调节冷却液的流速和入口温度，避免 了电池组在不同环境温度下出现的过热问题。
PCM 与热管耦合以降低电池组的温度，在电池 组的热管理系统中通过填充PCM可减低约33.6%的温差，将热管嵌入到 PCM 中可进一步下降 28.9%。图 12 为 PCM 与脉动热管耦合的热管理系。
