不同热管理策略下脉冲热管加热锂离子电池低温性能的对比与评估

《Energy》：Comparison and evaluation of low-temperature performance of lithium-ion batteries heated by pulsating heat pipes under different thermal strategies

　　

• 探讨了 PHP 加热方案的多维度热管理能力
• 比较了不同加热策略下电池的低温性能
• 建立了一种电池加热性能评估方法

引言
在能源转型的背景下，能源消耗和环境污染已成为全球挑战，推动着全球努力将能源系统重构为更绿色、更可持续的发展模式 [1], [2]。电动汽车（EV）凭借其高能效和零尾气排放，成为许多国家和地区的战略优先事项，这些地区已引入政策逐步淘汰传统内燃机汽车并推广电动汽车的采用。因此，电动汽车正成为全球汽车产业转型的关键驱动力。电动汽车的快速发展也加速了动力电池的部署，锂离子电池凭借其高工作电压、高能量密度和良好的循环稳定性在市场上占据主导地位 [3], [4]。然而，低温条件严重损害电池性能，导致续航里程缩短、老化加速以及安全风险增加。特别是，在寒冷条件下可能发生不可逆的退化机制，包括容量损失、内部结构变化和锂析出 [5], [6]，这阻碍了电动汽车在寒冷地区的广泛采用。因此，保持低温条件下的电池性能至关重要，有效的加热技术和相应的热管理策略提供了可行的解决方案。

低温应用的电池加热技术可大致分为内部加热和外部加热方法。内部加热利用电池的内阻产生热量，消除了中间传热过程，从而实现快速且相对均匀的加热 [7], [8]。内部加热方法主要包括交流加热（ACH）和自加热方法（SHM）。ACH 通过施加外部交流电产生内部焦耳热；然而，其加热性能受施加电压、频率、电流波形和幅度的强烈影响 [9], [10]。此外，其实用化可能受电池设计和内部结构的限制。外部加热方法主要包括强制空气加热（FAH）、循环液体加热（CLH）、相变材料加热（PCMH）、接触电阻加热（CRH）、热管加热（HPH）以及混合热管理系统 [11]。FAH 实施相对简单，但可能导致温度分布不均匀和加热效率低，因为电池组内的某些区域难以有效加热 [12]。CLH 通常比 FAH 具有更高的传热效率，但需要可靠的密封和额外的能量来循环传热流体 [13]。PCMH 可利用相变材料的潜热来缓解温度快速下降；然而，这些材料有限的储热能力限制了其在 prolonged 低温条件下提供持续加热的能力 [14]。CRH 通常采用金属加热薄膜或正温度系数（PTC）材料实现，可提供有效的加热，但必须仔细解决加热元件与电池之间的电气绝缘和安全性问题 [15]。

HPH 利用金属热管将热量从外部热源传递到电池，利用其高传热能力、灵活集成和优异的温度均匀性 [16], [17]。当热管的一端被加热时，工质蒸发，产生的蒸气流向较冷的一端，在那里冷凝并释放热量。冷凝液然后通过毛细结构中的吸芯作用返回加热端，实现持续传热。许多研究探讨了热管在锂离子电池热管理中的应用，特别是散热 [18], [19], [20]。然而，热管在电池加热方面的应用受到的关注相对较少。与常规热管相比，脉动热管（PHP）表现出独特的振荡传热机制，在有效热传输方面具有巨大潜力，吸引了越来越多的研究兴趣 [21], [22]。最近的研究开始探索 PHP 在高温和低温条件下电池热管理中的应用。Zhou 等人 [23] 开发了结合碳纳米管和纳米流体的混合振荡热管（OHP）用于锂离子电池散热。他们的系统使电池平均温度保持在 45 °C 以下，最大温差小于 5 °C。Lu 等人 [24] 将⊥形脉动热管纳入电池液冷系统，报告了温升降低 9.8% 和温差降低 1.3 °C，表明温度均匀性得到改善。Li 等人 [25], [26] 系统地研究了基于 PHP 的电池热管理，考察了 PHP 的热特性及其在常温和高温度条件下的性能。Li 等人 [27] 进一步研究了工质组成对 PHP 传热的影响，并通过实验证明了使用多个 PHP 进行电池模组加热的可行性。在工质浓度为 2.0 vol% 和充液率为 50% 时，获得了最佳的启动和传热性能。在所研究的工况下，将电池模组预热至 0 °C 所需时间不超过 503 s，同时温差保持在 2.6 °C 以下。

表 1 比较了常见电池预热技术的整体性能。HPH 在加热性能、安全性和系统复杂性之间提供了良好的平衡。与基于加热薄膜的系统相比，HPH 可以减少与直接电加热相关的电气安全隐患。同时，它避免了自加热技术相关的复杂配置、严格的安全要求和潜在的高成本。与基于液体的加热系统相比，HPH 具有更简单的系统配置，并利用热管的高效传热能力，可能减少加热能耗。总体而言，HPH 代表了低温电池预热的一种有前景的方法。

PHP 的潜力也引起了工业界的兴趣，现代摩比斯将其确认为电池冷却技术的一项有前景的创新 [28]。然而，关于基于 PHP 的锂离子电池低温加热的研究仍然有限。先前的研究主要集中于 PHP 的结构设计和传热特性，而变倍率放电条件下热管理策略对电池加热性能的影响仍未得到充分探索。为了弥补这一空白，本研究建立在作者团队先前开发的基于 PHP 的电池热管理系统基础上，研究了变倍率放电条件下不同加热策略的影响，这更能反映实际的电池操作。系统地评估了电池模组的热和电性能、加热能效以及整体系统性能，以阐明热管理策略在改善低温电池加热中的作用。

然而，现有的低温电池热管理评估方法仍存在几个局限性。首先，评估指标分散且不够全面。大多数研究集中在单一指标或有限的一组指标上，如加热速率和温度均匀性，而没有建立系统、多维的评估框架 [29], [30]。其次，传统指标往往强烈依赖于工况和电池特性。例如，最高温度和最大温差受环境温度和电池几何形状的影响，这使得难以公平地比较不同的热管理方案 [31]。第三，加热能效和经济因素常被忽视 [32], [33]，因为许多研究强调加热速率，而忽视了达到目标温度所需的能量消耗。第四，低温加热对实际电池性能的影响很少被评估。现有的评估通常强调温度调节，而忽视了相关的电化学响应，使得难以建立加热效果与电池性能之间的直接联系 [34]。为了克服这些局限性，本研究建立了一个综合评估框架，以定量评估 PHP 加热模组及相应加热策略的综合性能。该框架整合了热性能、电性能、加热能效和整体性能，同时允许根据需要纳入其他指标。它也可以扩展到其他电池加热系统和热管理策略。与作者团队先前主要专注于开发基于 PHP 的热管理平台不同，本研究侧重于开发实用的加热策略和低温电池热管理的系统评估框架。

本研究的创新与贡献如下：(1) 在本团队首次提出的 PHP 加热方案基础上，本研究进一步探讨了 PHP 架构的多维度热管理能力，为系统性能评估提供了一种可参考的方法；(2) 针对实际循环放电场景，本研究提出并阐明了不同加热策略之间的性能差异。它为低温加热策略提供了新的见解，并为加热策略评估提供了一个参考范例；(3) 本研究建立了低温电池热管理的综合性能评估框架。该框架具有可扩展性，允许根据需要纳入其他评估标准。它还使研究人员能够使用适当定义的参考值和一致的评估标准来评估不同的热管理系统和策略，从而弥补了低温电池热管理缺乏系统评估方法的不足。

章节摘要
实验与方法
为了评估 PHP 加热模组的性能并开发一种评估低温加热性能的系统方法，本节描述了五个方面：电池模组实验平台、PHP 加热模组、电池电阻测试、加热策略与实验程序以及实验不确定性。详情如下。

不同策略下 PHP 加热模组的热性能
如上所述，未使用 PHP 加热的电池模组在?25 °C、?15 °C、?5 °C 和 25 °C 下进行了测试，分别表示为?25 °C_battery、?15 °C_battery、?5 °C_battery 和 25 °C_battery。图 3 显示了它们在循环放电条件下的温度变化，而图 4 和图 5 分别显示了 PH 和 PHKW 策略下 PHP 加热模组的温度响应。对于未加热的电池模组，温度通常表现出上升 – 下降 – 上升

结论
基于作者团队首次提出的基于 PHP 的加热方案，本研究研究了不同加热策略和更能反映实际电池操作的循环放电条件下 PHP 加热模组的性能。此外，开发了一种可扩展的低温电池加热性能评估框架。主要结论如下：
(1) PHP 加热模组的热性能。放电期间，在 PH 下的电池模组

CRediT 作者贡献声明
李晶晶：撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 原稿，软件，方法学，调查。曾晓华：方法学，资金获取，正式分析。刘小伟：验证，调查，数据整理。陈萌：资源，方法学，调查。宋大峰：监督，资金获取

利益冲突声明
作者声明他们没有任何已知的可能影响本文所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢
作者 gratefully 感谢中国国家自然科学基金重点项目子项目（编号 52394265）以及国家自然科学基金（编号 52272394, 52572443）提供的财政支持。

李晶晶 | 曾晓华 | 刘小伟 | 陈萌 | 宋大峰