综述：电池热管理系统中强化传热的单相与两相方法对比综述

《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Enhanced heat transfer in battery thermal management system: A comparative review of single-phase and two-phase approaches

本文系统综述了锂离子电池（LIB）热管理技术，重点对比了单相（空气、液体）与两相（相变材料PCM、相变流体PCF）冷却策略。基于700+数据点的归一化统计分析，揭示了两相浸没式/间接冷却在高倍率（C-rate）下的优异温控（低Tmax、ΔT）及热失控（TR）抑制潜力，为下一代高能量密度电池热设计提供定量依据。

　　

1. 引言

1.1. 电池热管理系统（BTMS）背景

交通运输业是温室气体排放的关键贡献者。为应对气候变化，电动汽车（EV）和混合动力汽车被视为理想替代方案。目前，锂离子电池（LIB）因其高能量密度、低自放电率、低维护和长循环寿命而成为电动汽车的主要动力源。然而，高能量密度电池含有活性材料，在热、电或机械滥用条件下（如过热、过充、穿刺和外部短路）可能引发热失控（TR），导致火灾和爆炸事故。因此，需要适当的BTMS将电池温度维持在最佳范围内。

近年来，单相冷却方法（如空气、液体、热电）因其成本效益而被广泛研究和部署，但其热性能强烈依赖于冷却剂性质和电池组内的温度均匀性。相变方法作为有前途的下一代BTMS受到了广泛关注。两相冷却方法可分为两类：相变材料（PCM）（固-液）和相变流体（PCF）（液-气）。两者都通过吸收/释放潜热来传热，从而提高温度均匀性并抑制TR。然而，PCM的低导热性、PCF系统的复杂性（沸腾/冷凝回路）、质量增加以及对相变行为的不完全理解和控制限制了其应用。

1.2. 本综述的贡献

尽管已有大量关于BTMS的综述，但随着电动汽车行业向更高能量密度和极速充电（XFC）发展，热控制要求更加严格。单相方法可能无法处理高热量负荷，两相方法成为重要替代方案。现有综述多集中于定性讨论或特定技术，缺乏对单相与两相方法的定量公平比较，特别是在高倍率（C-rate）下的性能差异以及热失控条件下的冷却性能对比。

本综述旨在填补这些空白，主要贡献包括：

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  对单相（空气、冷板液冷、单相浸没冷却）和两相（PCM、PCF间接冷却、两相浸没冷却）BTMS进行系统综述。
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  基于从文献中收集的700多个数据点，对最大温度（T_max）和温度不均匀性（ΔT）进行归一化统计分析和独立样本t检验，实现定量比较。
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  在不同倍率范围内进行冷却性能统计比较，明确单相与两相BTMS的性能边界。
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  在滥用条件下系统分析冷却性能，按热失控结果分类，比较单相与两相方法的操作极限和温度降低效率。

1.3. 综述方法与结构

文献筛选流程从Google Scholar和Web of Science检索793篇出版物开始，经过三轮筛选，最终保留237篇高质量文章（主要集中于2023-2025年）。统计显示，两相冷却方法的相关出版物数量持续增加，并于2024年超过单相冷却。

后续章节结构如下：第2节简要介绍电池产热原理；第3节回顾单相冷却方法；第4节总结两相冷却方法现状；第5节进行单相与两相冷却策略的定量交叉比较；第6节得出结论。

2. 锂离子电池工作原理

电动汽车中的电池模组通常包含串联或并联的LIB组，以为电机提供所需电力。目前主要有三种电池规格：圆柱形（如18650、21700）、方形和软包。圆柱形电池机械强度高、制造标准化；软包电池封装灵活、重量轻；方形电池连接简单、体积能量密度高。电池规格的选择需平衡制造、封装效率及热设计。

尽管几何尺寸不同，但电池的电化学能量转换机制相同。LIB主要由正极、负极、电解质和隔膜组成。负极通常为石墨基，正极材料多样（如磷酸铁锂、锰酸锂、镍钴铝氧化物、镍锰钴氧化物）。在充放电过程中，电化学反应通过不可逆损耗和可逆效应产生热量。以三元LIB为例，可逆反应可表达为：

Li_zC₆? 6C + zLi⁺+ ze^-

Li_1-zNi_1-x-yCo_xMn_yO₂+ zLi⁺+ ze^-? LiNi_1-x-yCo_xMn_yO₂