锂离子电池由于具有优良的电化学特性，在电动汽车及储能等领域得到了广泛的应用，但是其工作性能及安全性受温度的影响较大，因此，需要采用合理有效的热管理系统，以确保电池的温度维持在适宜范围内。本文归纳了常见的热管理系统，总结了风冷、相变材料冷却、热管冷却和液冷的研究现状及优缺点，重点从直接接触液冷和间接接触液冷两方面介绍了当前液冷技术的优化方式。对于单一热管理系统存在的局限性，从耦合热管理系统角度分析了液冷与其他方式相结合的热管理系统的研究现状。提出液冷热管理系统应向综合优化、智能管控的方向发展，特别是与被动散热方式的耦合以及电池管理系统的匹配连接。

关键词：锂离子电池；液冷；热管理系统；优化

中图分类号：X913.4；TM911

基金项目：广东电网有限责任公司科技项目（GDKJXM20220255）

我国是全球最大的汽车生产与消费国，发展新能源汽车对促进我国交通能源转型升级，减少碳排放具有十分重要的意义。因此，我国提出了“3060双碳目标”，旨在减少二氧化碳等温室气体的排放。

锂离子电池是目前电动汽车的主要动力来源。然而，锂离子电池的性能受温度的影响较大，其热安全性是制约锂离子电池推广应用的关键问题之一。为了保障电池性能的一致性，电池组中的最大温差应低于5 ℃。因此，为了保证锂离子电池工作的安全性，延长电池的使用寿命，有必要采用合理有效的锂离子电池热管理系统（Battery thermal management system， BTMS）。

1 热管理技术分类

目前，常见的BTMS有风冷BTMS、基于相变材料（Phase change material， PCM）的BTMS、热管BTMS和液冷BTMS。

风冷BTMS是指利用空气的自然对流或强制对流将电池工作过程中产生的多余热量传递出去，因其装置结构简单且成本相对较低，在电动汽车中得到了广泛应用。但是，风冷BTMS也存在体积规模较大、需要大量额外耗能、电池高倍率工况下工作散热效果不佳等问题。相关学者通过优化电池间距、电池组排布方式、风速、辅助翅片材料等来提高热管理系统的性能。SAHIN R C等研究了不同形状扰流板对风冷系统散热性能及功耗的影响，得到三角小翼挡板可以在增加能耗最少的前提下获得最佳的冷却效果。QIN P等综述了风冷BTMS与其他热管理方式的耦合性能，并对各种优化方式进行了对比分析。然而，风冷BTMS在极端环境和工况下的热管理效果仍然难以满足市场要求。

基于PCM的BTMS作为一种被动换热系统，无需外界能耗即可进行热管理，同时对电池组的温度一致性具有良好的控制效果，其利用PCM在相变过程中的高潜热，吸收电池产生的热量吸收，并将其散发到外界。为了改善PCM导热系数较低且具有可燃性的问题，相关研究通过在PCM中添加导热材料（膨胀石墨）以及阻燃剂（聚磷酸铵、氢氧化铝）来提高PCM的导热性和阻燃性。DENG J等使用石蜡-聚磷酸铵-苯乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物以及膨胀石墨制备得到的阻燃柔性的相变材料，即使复合材料被点燃后火焰也仅持续5 s。同时，大量研究设计了PCM的结构，并结合其他热管理方式，以改善PCM热管理系统存在的潜热有限和相变易泄漏的问题。但是，PCM会增加电池组的质量，且在实际中的应用仍需要进一步探索，目前还处于实验室阶段。

热管BTMS是一种新型的热管理方式，其利用热管中介质发生的相变将电池产生的热量从蒸发端运输到冷凝端，也是一种被动换热的方法。由于其具有高导热效率、温度均匀性优良且使用寿命长等优点，目前也是BTMS的研究重点。热管的种类可分为烧结热管、扁平热管和微热管阵列，由于热管单独使用时散热效果不佳，通常与风冷、液冷或者PCM结合进行热管理，LUO Y H等和LIANG L等将烧结热管和微热管阵列分别与翅片和液冷等技术复合应用于电池组散热和预热，但是这也增加了热管BTMS的复杂性，并且与锂离子电池的匹配度较差，因此，还不能广泛应用于BTMS。

2 基于液体换热的热管理系统

液冷BTMS主要利用液体与电池之间的对流换热来实现电池的散热。由于液体的导热系数和比热容比空气大得多，因此，采用液冷散热的效果更佳。目前，液冷技术在市场上也已经得到了广泛的应用，很多汽车厂商均在电动汽车上应用了液冷技术。液冷BTMS根据冷却液与电池组的接触方式，可分为直接接触液冷和间接接触液冷。

2.1 直接接触液冷

直接接触的液体换热技术也可以被称为浸没式液冷技术，与PCM热管理系统类似，但无须对其工质进行定型处理。同时，选择低介电常数、高比热容、高导热系数、低凝固点、不易燃、无腐蚀和环保的冷却液，冷却效率较高且温度均匀性好。目前，常用的冷却液包括电子氟化液、碳氢化合物、硅油类、酯类、水基类。VAN GILS R W等将电池单体浸入Novec7000溶液中，发现浸没冷却的效果明显优于空气，并且如果冷却液出现了沸腾，可以进一步使电池温度均匀化。GOODARZI M等使用低沸点的介电制冷剂1-二氯-1-氟乙烷作为冷却液，对12节18650电池组成的模组进行散热研究。结果表明，冷却液高度的增加可以降低电池组的最高温度、电池单体之间的温差和每个单体内部的温差，即使在循环充放电或者高倍率放电下，该热管理系统仍可以有效降低电池组的最高温度和最大温差。LIU Q等和WANG Y F等也分别将10号变压器油和HFE-7000作为冷却液的热管理系统，进行了试验和仿真研究。但是，研究使用的冷却液并不能兼顾直接接触液冷的所有要求，如电子氟化液对人体和环境有害且成本较高，碳氢化合物易燃且闪点不高，水基流体的电绝缘性较差。因此，急需开发新型的冷却液，满足直接接触液冷的散热以及安全经济的要求。

直接接触液冷技术已经在实践工程中得到了示范应用，但由于体积和质量较大，目前不适用于动力电池的热管理，主要应用于储能电站中。南方电网某储能电站于2023年3月6日正式投入运营，其规模为70 MW/140 MWh，按照1.75 次/天充放测算，具有每年可发电近8 100万kWh的潜力。该电站的BTMS采用的冷却液为LD5，属于硅油系，热稳定性高，不易氧化变质且绝缘强度高。该储能电站的每个浸没式液冷电池舱容量为5.2 MWh，能够实现电池的运行温升不超过5 ℃，不同电池的温差不超过2 ℃，可靠性显著。该储能电站的成功推出，促使其他企业也相继推出了全浸没式液冷储能系统产品。

直接接触式液冷对冷却液的密封性、绝缘性以及电池箱体的抗压性要求较高，这也增加了热管理系统的成本，特别是在电池模组出现故障时，需要将整个模组进行返厂处理和维修，因此，直接接触液冷的热管理方式有待进一步研究，目前得到广泛研究和应用的液冷形式依然是间接式接触液冷。

2.2 间接接触液冷

目前，针对BTMS的研究更多关注于间接接触式液冷，其主要通过冷却液在管路中的流动与电池对流换热来降低电池组的温度。间接接触液冷通常采用液冷板与电池表面紧密贴合的方式，以增大换热面积，并通过对冷却液流速和流向等的优化，达到最佳的换热效果。DENG T等分析了液冷中冷却液的质量流量、冷板数量、通道分布和冷却方向对电池组热性能的影响，发现1 g/s的质量流量适合散热，且合理的冷却方向以及在电池组中间放置更多的冷板，能够有效促进散热。同样，液冷板在大型电池组中的放置位置也会影响BTMS的散热效果。CHUNG Y等提出了D型BTMS的结构设计，采用对称堆叠的布置，等效导热系数与系统体积的比值提高了64%，电池组的最大温差降低到5.4 ℃，其温度的均匀性得到了显著改善。ZHANG Z D等利用现有流道类型的液冷板对软包电池进行热管理，并从数值分析的角度研究了质量流量、冷却触发条件和乙二醇溶液浓度对电池温度分布的影响。

在液冷板流道结构的设计方面，也出现了许多新型的结构，特别是一些仿生技术的应用，可以优化液冷BTMS的性能。ZHAO D等设计了一种蜂窝结构的液冷板，通过密集的蜂窝通道可以显著增加冷却通道的换热面积，并采用对比试验的方法设计了最优的蜂窝结构：冷却通道宽度为3 mm，正六边形铝块中心到其边长的垂直距离为6.8 mm。LUO W M等设计了一种方形螺旋环状小通道液冷板，以减小因电池局部温度过高造成的温度梯度，利用仿真研究了流道圈数、流道宽度、流道弯曲半径和入口质量流量对电池温度特性和冷却液压降的影响。LIU F等提出了一种软包方形锂离子电池的仿生叶脉分支通道液冷板，采用正交试验的方法研究了进口流量、通道宽度、通道角和通道数对电池最高温度、最大温差以及冷却液压降的影响，并通过非支配排序遗传算法-II对结果进行优化，得到的最优设计参数为：进口流量为0.1 m/s，通道角为159°，通道数为15，通道宽度为2.6 mm。

除了采用正交试验及智能算法，对液冷通道结构进行优化外，拓扑优化的方法也在液冷BTMS中得到了广泛的研究。JI H S等以冷板通道的最大换热和最小流动阻力为优化目标，将拓扑优化技术应用于液冷BTMS，经过优化迭代，得到了非均匀N形通道。并将其与其他两种通道结构（均匀通道U形和直通道T形）进行了比较，结果表明，N形冷板的综合性能最好。GUO C等利用双目标优化函数得到了不同类型的拓扑微通道模型，并研究了冷板类型、流道深度和质量流量对电池冷却性能的影响，经过优化设计的拓扑液冷板在冷却性能方面相比直通道有了显著的提升，提高了61.82%。类似的，SUN Y S等使用拓扑优化方法设计了新型液冷通道，并与蛇形冷却板和矩形冷却板进行了比较，可以获得较好的冷却性能。虽然经过拓扑优化得到的液冷板与常见的液冷板相比性能更加优良，但是大多结构较为复杂，还停留在模拟仿真的阶段，想要在实际生产中大规模应用仍面临较大的困难。

间接接触式液冷常用的冷却液是水和乙二醇的混合物，为了进一步提高冷却液的导热性，纳米流体的应用是提升液冷BTMS性能的一个重要方向。MITRA A等在乙二醇和水的混合物中加入3种不同体积分数（0.15%、0.30%和0.45%）的多壁碳纳米管，在双通道逆流，体积分数为0.45%时，电池单体平均温度下降了11 ℃，且电池组的最大温差低于3 ℃，完全满足BTMS的要求，但较高添加物的体积分数也增加了冷却液的压降，造成了一定的能量损耗。GUO Z J等进一步探究了不同形状的纳米颗粒对BTMS冷却性能的影响，发现方形纳米颗粒可以较好地冷却电池组并减少了电池容量的衰减，而球形纳米颗粒可以有效较低压力损失，进而减少能耗。

表1对比了风冷、相变材料冷却、热管冷却和液冷4种主要热管理技术的优劣。单一的热管理方式存在各自的优势与劣势，因此，需要耦合使用不同的热管理方式，以充分发挥各自的优点。

表1 不同热管理技术的关键指标对比

3 液冷与其他散热方式的耦合

使用单一的液冷方式对电池组的散热效果是有限的，并且液冷会导致电池组温度的均匀性降低，因此，可将液冷与其他热管理方式相结合。通过综合运用不同热管理方式的优点，实现电池性能的优化和提升。

3.1 风冷与液冷耦合

风冷和液冷是常用的热管理方式，将二者结合是可行的。XIN S J等提出一种风冷和液冷的混合式BTMS，在电池组的轴向方向上，均匀分布着导热块，电池的热量通过导热块传递给冷却液。同时，为了保持电池组边缘的温度均匀性，引入空气进行冷却，发现风冷的应用可以进一步改善电池组的温度性能，在风速为1 m/s时，电池组的最高温度和最大温差与单独使用液冷相比，分别降低了3.75、0.96 ℃。

风冷和液冷均属于主动散热的方式，不论是空气的流动还是液体的循环，都需要外界的供能，因此，会造成额外的能量损耗，并且风冷由于自身的导热系数低等原因，在电池组高倍率充放电以及极端温度条件下的应用也会存在较大的局限性。

3.2 液冷与相变材料耦合

相变材料散热作为一种被动换热的热管理方式，可以弥补液冷BTMS额外消耗的能量以及温度不均匀的问题。PING P等研究了在工作温度为45 ℃的恶劣条件下，相变材料与液冷的耦合系统仍可以将电池组的最高温度与温差分别降低到47.6、4.5 ℃，并且分析了冷却液流速、管道的相对位置以及环境温度对耦合系统冷却性能的影响，包括对相变材料潜热利用率等的影响。NIU J Y等将低导热、高潜热的相变材料与液冷相结合，发现BTMS在利用热阻隔减缓电池的热失控传播的同时，也可以有效降低电池组的最高温度，并保证温度的均匀性。

为了降低液冷与相变材料耦合时额外的能量消耗，采用合理的冷却策略是这一耦合系统必须考虑的问题。KONG D P等在探究电池间距、通道数和冷却液流速等因素对耦合系统影响的基础上，提出了一种通过监测相变材料温度和环境温度来控制冷却液流速和入口温度的液冷策略，进一步提高了热管理系统的热性能，并减少了在此过程中不必要的液冷能耗。WANG J J等提出基于环境温度调控冷却液流速的液冷策略，在满足不同环境温度电池组冷却需求的同时，也将液冷的能耗以及系统的机械损耗降到较低水平。HU S等提出了基于目标参数先验信息的热电性能系数和能量利用效率系数这两个无量纲值来评价和优化主动冷却策略，得到只有在极端条件下（35 ℃下3 C放电）才需要使用液冷策略进行散热。优化后的冷却策略仅使用6.51%的能耗，可将电池温度控制在合理范围内。

相变材料与液冷的耦合系统具有较大的发展潜力，但是在电池组中添加相变材料需要综合考虑各个方面的因素，包括电池组的重量、能耗和体积等。同时，目前采用的有机相变材料大多具有可燃性，相变材料的加入对于BTMS的安全性也是一个重要的考虑因素。

3.3 液冷与热管耦合

液冷与热管耦合时，液冷主要作为一种辅助散热的方式，与热管的冷凝端接触，将热管中的热量及时散发出去。JANG D S等分析了单一液冷、A型热管液冷和B型热管液冷3种BTMS的冷却性能。由于液冷板位于电池组的上方，因此，单一液冷使得电池组的上下部分之间存在较大的温度梯度。而加入热管后，特别是B型热管，较大的接触传热面积和较高的导热系数可以有效降低电池组的温度和温差。ZENG W等提出一种基于微热管阵列和液冷的混合热管理系统，通过试验和仿真分析了BTMS的冷却性能，发现液冷和热管耦合后，电池组温差相对单一热管冷却有所增大，但可以控制在热管理要求范围内，并利用多目标优化方法对热管理性能以及BTMS的重量进行了优化。并对设计的BTMS中液冷的流速和往复周期进行了研究，提出将0.05 m/s和200 s作为最佳的流速和往复周期，可以获得较优的冷却性能。热管的使用比较依赖电池系统特定的形状结构，其与液冷的耦合也需要考虑二者之间的适配性。

4   总结与展望

液冷热管理系统已经在锂离子电池上得到了广泛的应用，相比其他形式的热管理系统，其散热效率高、成本低且容易实现，研究及实践应用已经取得了相当多的进展，但为了提高液冷热管理系统的普适性以及潜在的安全问题，仍然需要进一步优化。综合考虑电池系统的温度性能、寿命、轻量化以及节能性，需要采用试验和仿真相结合的方式进一步探索。

同时，单一的热管理系统无法满足锂离子电池复杂的运行工况，液冷与其他方式的耦合，特别是被动方式的耦合，是未来发展的方向，需要综合考虑高温冷却、低温加热以及保温方面，探究适合不同工况的冷却策略，确保其既节能又高效，满足电池工作复杂工况下智能管控和实时响应的需求。