综述：热传递与控制优化的集成：电池热管理系统全面综述

这篇综述深入探讨了锂离子电池(LIB)热管理(BTMS)的前沿技术，系统梳理了空气冷却、相变材料(PCM)、热管、浸没式冷却等方法的优势与挑战，特别强调了多物理场耦合建模与智能控制算法在优化温度均匀性和抑制热失控(TR)中的创新应用，为下一代高能量密度电池设计提供了跨学科解决方案。

　　

热生成原理与理论
锂离子电池(LIB)的热生成主要源于不可逆的欧姆损耗、活化损耗和浓度损耗，以及可逆的熵热效应。伯纳迪方程量化了这些热源，揭示电压差(OCV-CCV)与电流(I)的乘积主导热生成。电化学模型如Newman伪二维(P2D)模型能精确模拟电池内部多尺度传热过程，而等效电路模型(ECM)则更适合系统级热管理优化。

温度梯度与电池构型
圆柱、方形和软包电池因内部叠层结构差异呈现各向异性导热特性。圆柱电池轴向导热系数比径向高10倍，导致表面冷却效率优于极耳冷却。实验表明，方形电池采用双面冷板冷却时，最大温差可控制在3°C内，而PCM冷却虽能实现0.5°C的极致均温性，但存在导热系数低(<0.5 W/m·K)的固有缺陷。

空气冷却革新
J型流道设计使5C放电时电池最高温度降至35°C，鱼骨型翅片结构则将温度不均匀度降低99%。但空气冷却在3C以上高倍率工况时冷却能力不足，特斯拉Model 3采用的交错扰流板设计通过提升努塞尔数(Nu)23%来突破这一局限。

热管技术的突破
微沟槽热管(MHPA)通过烧结铜粉芯体实现10,000 W/m·K的超高等效导热率。U型热管在-20°C低温环境下配合预热器使用，可使电池初始温度提升至0°C以上。扁平热管(FHP)与石墨烯增强PCM的复合系统，在8C放电时仍能将温差控制在2°C以内。

浸没式冷却的进阶
单相矿物油冷却在3C工况下温差达4.2°C，而两相Novec 7100流体通过核态沸腾将温差锐减至0.9°C。超临界CO₂(sCO₂)冷却展现出惊人性能，其热扩散系数是传统液体的3倍，在10C脉冲测试中最大温升仅3.6°C。

相变材料的智能演化
月桂酸-膨胀石墨复合PCM将导热系数提升至25 W/m·K，而磁约束相变材料(MTCPM)通过NdFeB@Ag纳米颗粒实现1,600%的导热增强。新型无机水合盐PCM利用分解吸热反应，在热失控(TR)时能吸收1,000 kJ/kg的热量。

混合系统的协同效应
"热管+PCM+液冷"三级冷却系统使21700电池在4C循环时温差稳定在1.08°C。 reciprocating immersion cooling通过往复泵送实现19°C的瞬态温降，而微通道-泡沫铜复合冷板使压力降低至256 Pa的同时，换热系数提升735%。

固态电池冷却新范式
锂镧锆氧(LLZO)固态电解质的热导率仅0.5 W/m·K，但通过离子凝胶界面层设计，双极固态电池在300 kW快充时仍保持45°C的均温性。

热失控防控前沿
多孔陶瓷阻燃层可将TR传播速度降低80%，而气溶胶灭火剂与浸没冷却协同使用时，能3秒内将热失控单元温度从800°C压降至200°C以下。

系统级集成挑战
二级环路冷却系统使热泵(HP)模式制热效率提升28%，但制冷剂直接冷却存在冷凝器争夺问题，采用R1234yf制冷剂的并联蒸发器方案可降低系统能耗17%。

控制优化算法
非支配排序遗传算法(NSGA-II)优化出的双螺旋流道，使压降降低64%的同时换热系数提升15%。而基于深度强化学习的模型预测控制(MPC)，能在100ms内动态调整冷却策略，将温度波动控制在±0.5°C。

未来展望
下一代BTMS将聚焦于：1) 仿生微纳结构热界面材料(TIM)；2) 磁流体相变智能材料；3) 基于数字孪生的分布式预测控制；4) 热电-热管耦合的固态冷却系统。突破这些关键技术，有望使电池包能量密度突破400 Wh/kg的同时，将热管理能耗控制在总电量3%以内。