第十章：主动热管理系统

主动热管理包括使用一些介质，如空气、液体或制冷剂，这些介质被强制通过电池组和电池来降低温度。两种最常见的方法是空气冷却，使用冷却空气，将冷却空气引导到整个电池组和电池和电子设备上，以降低电池的温度和液体冷却。这通常需要集成风扇，管道和某种传热板。好处是，它可以相对有效地应对温度的快速变化，并且重量比液冷系统轻。另一个好处是，冷却后的空气可以直接流过电池。缺点是空气作为冷却介质不如液体有效。根据气流设计的不同，它会导致气流开始时的电池比气流结束时的电池更冷，因为当空气经过最初的电池时，它开始吸收热量，所以当空气经过最后一个电池时，它比最初进入电池组时更热。这种不均匀的冷却会导致电池以不同的速度老化，从而缩短电池组的使用寿命（图5）。

除了使用冷冻空气外，一些系统还会从背包外部，甚至机舱内抽出环境空气，并使空气通过背包循环。在这种情况下，空气必须先过滤，冷却能力仅限于将温度降低到环境温度。所以在这种情况下，如果环境温度为30℃，热管理系统将只能将电池冷却到30℃（图6）。

空气冷却的另一个挑战是，在电池组需要采用“密封”电池组设计的情况下，它会使系统设计变得更加困难。由于风冷包本质上是一个“开放系统”，因此要在包上达到IP69的密封等级变得非常困难，这对于安装在车辆内部或建筑物或集装箱内的包来说是一个非常好的解决方案，但如果安装在车辆外部，则不是很好的解决方案。

另一种常用的主动热管理方法是通过强制液体，通常是50/50的水和乙二醇混合物，类似于发动机冷却中使用的液体，通过安装在电池组旁边的一系列板。该系统涉及必须集成到电池组中的液体分配系统，最常见的是通过一系列软管和热交换器来完成。液体冷却系统的好处是，它是一种非常有效的介质，可以快速地将热量从电池中转移出去。它还可以通过系统中的加热元件来提供加热的液体，以便在寒冷的天气中加热电池。缺点是它往往是一个更重的系统（更大的质量），并且总是存在电池组泄漏的风险。由于液冷系统本质上是一个“封闭系统”，它往往更容易与环境密封，因此对于安装在车辆外部的电池组来说，它是一个很好的解决方案。

在液冷电池组中，基本上有两种方法来管理锂离子电池的产热。在第一种方法中，你可以开发一个直接贴在电池上的板，让冷却/加热液体直接流过这些板（图7）。

第二种方法是制造一个单一的板，让流体流过，但不是把电池直接贴在这个板上，而是在热同步板上附着一系列的“鳍”。然后将锂离子电池直接附着在这些鳍片上（图8）。

主动冷却和加热锂离子电池的另一个方面是直接和间接冷却。这些术语有时会与主动和被动交替使用。直接冷却是指将冷却/加热介质直接穿过电池，而间接冷却/加热涉及将冷却介质通过热交换器附着在锂离子电池上。在实际使用中，直接冷却更可行的是风冷系统，热系统可以设计成空气直接穿过电池。

基于制冷剂的冷却系统是对电池系统进行热管理的另一种方法。基于制冷剂的系统具有许多与液冷系统相同的优点，但往往成本略高。积极的一面是，它们消除了液体泄漏到电池组中的风险。其中一个例子是Behr集团（现为马勒国际有限公司）推出的系统，该公司推出了针对混合动力和电动汽车型电池的基于制冷剂的冷却系统（Behr,2010）（图9和10）。

人们已经对各种锂离子电池热管理系统的热管进行了讨论和评估，但截至目前，热管还没有能够提供性能或成本优势，使其值得用于大型储能系统进行研究。原则上，热管结合了两种不同的热力学原理，热导热和相变，以传递热量。热管的工作原理是将液体密封在一系列金属管中。当管道被加热时，液体转化为蒸汽并返回到管道的另一端，在那里冷却后再次恢复为液体形式。热管已经在便携式电脑市场找到了显著的市场渗透，但还没有在汽车或大型储能系统中找到一个家。用于汽车应用的热管最大的缺点是，在一定温度以上（取决于液体），所有的液体都转化为蒸汽，因此系统完全停止传递热量。

另一个热管理设备已经被一些设计师评估是珀尔帖设备。珀尔帖装置是一种由两种不同类型的材料组成的非机械装置。当电流施加到设备的一侧时，热量从一侧传递到另一侧，在那里可以使用热同步将热量从包装中移出。这可以用来创建我所说的混合热管理系统。混合热管理系统可能包括液体、空气和其他冷却介质的各种组合，并组合成一个单一的电池组系统。一个例子可能是用内部风扇密封电池组或模块的系统设计，该风扇使电池组内的空气循环；这将与热交换装置相结合，如铝歧管或空气通过的珀尔帖装置。完全在包装外的冷却液体可以通过热交换装置，从而冷却在包装内循环的空气。

在热管理系统设计中必须考虑的另一件事是压降。压降是流体输入和输出压力之间的差，流体可以是液体也可以是空气，基本上是系统为了流经冷却系统必须克服的压力量的度量。在液冷系统中，压降将决定使流体通过冷却系统所需的泵的大小和流量。在风冷系统中，它将有助于确定在系统中移动空气所需的风扇的大小和流量。

图5主动风冷原理图。

图6被动风冷原理图。

图7液冷板。

图8散热片。

图9贝尔制冷剂型电池冷却系统。马勒国际有限公司提供。

图10直接基于制冷剂的冷却原理图。