综述：电池热管理系统的全面综述：储能应用中的冷却技术、建模方法及未来发展趋势

《Journal of Energy Storage》：A comprehensive review of battery thermal management systems: Cooling technologies, modelling approaches, and future perspectives for energy storage applications

　　S. Krishna Kireeti|P. Narasimha Siva Teja|K. Naga Ramesh|B. Sairam Prasad
印度安得拉邦维沙卡帕特南市阿尼尔·尼鲁孔达科技与科学学院，邮编531162

**摘要**
随着高性能、可靠型储能系统在电动汽车、可再生能源整合以及便携式电子设备中的广泛应用，人们对高效电池热管理系统的需求日益增加。工作温度对电池的性能、安全性、使用寿命及可靠性有着重要影响，因此热管理在电池设计中至关重要。本文对电池热管理系统技术的最新发展进行了系统性回顾，分析了空气冷却、液体冷却、相变材料、热管以及混合冷却等多种冷却方式。效率评估指标包括不同电池配置下的热调节性能、复杂度、成本及适用性。文章还介绍了电池中的热量产生机制，以及包括电池热管理分析在内的电池建模与仿真方法。同时探讨了防止热失控、实现均匀温度分布以及电池管理系统集成等关键问题。最后，新兴趋势如新型材料、智能控制及预测性维护方法为下一代电池应用的热管理优化提供了研究方向。本文将为那些致力于改进电池热管理系统以实现更安全、高效且长寿命电池设计的科研人员与工程师提供参考。

**引言**
电动汽车、可再生能源存储解决方案以及便携式电子设备的快速发展，使得对高性能可充电电池的需求大幅上升，尤其是锂离子电池。这类电池因其高能量密度、长循环寿命以及较低的自放电率而广受青睐。然而，电池在充放电过程中会产生热量，这可能对电池的性能、安全性及使用寿命产生不利影响[1]。传统汽车大量消耗石油，会产生固体悬浮物、氮氧化物和碳氢化合物，并浪费资源。在化石燃料供应日益紧张的背景下，汽车和能源领域的过度排放已成为一个亟待解决的问题。发展新能源车辆有助于缓解环境恶化问题[2]。鉴于其可回收性、生态友好性、高效率以及无毒性且可再生等优势，电动汽车因其耐用性和可靠性而具有最大的发展前景。目前，镍氢电池是主要的动力来源，其次是锂离子电池和燃料电池。离子电池的优势在于其高能量密度和功率密度，再加上良好的循环寿命和稳定性，使其成为新能源车辆的理想动力源。M.S. Whittingham提出了锂离子电池的概念，从而推动了相关研究以及锂离子电池电动汽车的发展[3]。起初，电动汽车的发展十分迅速。由于锂离子电池具有高能量密度、功率密度、更长循环寿命、低自放电率、快速充电能力以及高功率密度等优点，因此成为电动汽车储能方案的理想选择[4][5]。不过，磷酸铁锂电池容易受到存储和运行温度变化的影响，这些因素会对其寿命和性能产生不良后果[6]。此外，某些锂离子电池在部分充放电循环过程中会出现记忆效应。与其他可充电电池一样，锂离子电池在充电过程中也会产热，而放电过程则会使电池温度升高，最终引发由温度引起的各种问题[7]。电池的性能，即其能力和强度会随之下降。在低温环境下，锂离子电池可能会出现锂沉积或枝晶形成现象，电解液导电性降低，同时还会造成锂元素损失。阴极处的活性物质和库存量减少，进而导致可用能量和功率下降。因此，选择合适的预热工艺非常重要[8]。关于低温问题，现有的综述文章已经探讨了提升电动汽车性能的各种方法以及锂离子电池组的多种预热方式。相比之下，高温会导致固体电解质界面层的形成，以及电解液和粘结剂的分解，进而造成正负极活性物质的损失以及锂元素的流失[9]。此外，电池容量问题也引发了安全性和长期耐用性的担忧。在极端条件下，过热或热失控可能导致锂离子电池爆炸。温度波动会影响电池的性能和安全性。在高温环境下，电池会加速老化，容量下降，严重时甚至会发生热失控，从而导致火灾或爆炸[10]。而低温则会限制电池的功率输出和充电效率。因此，将电池温度保持在最佳范围（通常为20℃至40℃）对于确保电池的安全、高效及长期稳定运行至关重要。

此前，可充电电池的发展源于偶然的发现，随后经过实验验证并实现商业化。随着现代电池系统复杂性的增加及其应用领域的拓展，迫切需要制定战略规划，将实验室里的突破成果转化为具备商业价值的技术，并加快这一进程。显然，锂离子电池已成为便携式电子产品的主流技术，也被广泛应用于交通领域以及电网储能系统中。不过，全球范围内人们也在积极研发更为安全、可持续且更具成本效益的替代化学体系。本文简要梳理了可充电电池的发展历程、当前的技术环境、新的应用场景，以及影响电池未来发展的关键问题[11]。

电池热管理系统旨在通过控制热量的产生与散失来调节电池单元的温度。在过去的十年中，人们付出了大量努力，致力于开发能够兼顾冷却性能、系统复杂性、成本及能源效率的有效热管理方案[12]。目前已提出并应用的一些电池热管理技术包括空气冷却、液体冷却、相变材料、热管，以及结合多种方法的混合技术[13]。Xueqiang Li等人对主要的电池热管理技术进行了综述，并以传热系数和可管理热通量为指标比较了这些技术的性能，结果显示，冷板冷却的传热系数和可管理热通量最高，其次是相变材料和热管，再往后是浸没式冷却和空气冷却。基于液体的系统被视为电池热管理技术未来发展的最有希望的方向。不过，最优方案还需考虑能量密度和冷却能耗等系统级因素，同时必须注重整体优化。图1展示了2002年至2025年间《爱思唯尔》期刊中关于电池热管理系统的相关研究成果。本文全面总结了电池热管理系统技术的现状，涵盖了其热管理原理、优缺点以及实际应用情况。此外，文章还探讨了电池中的热量产生机制、用于热分析的建模与仿真技术、电池热管理系统与电池管理系统的集成问题，以及实现均匀温度分布和避免热失控所面临的挑战，详见图2。（见表1、表2。）除了总结现有的电池热管理技术外，本文还重点介绍了新兴趋势，包括先进材料的应用、智能控制算法以及预测性维护技术。其目的是让读者清晰了解电池热管理技术的研究现状，并为未来优化电池在各类应用中的性能、安全性及使用寿命提供有价值的参考意见[15][16]。图3展示了电池热管理系统的分类。

**节选内容**
**对高效热能存储系统的需求**
在电动汽车电池热管理系统的背景下，热能存储与电网规模的热存储应用有着本质区别。热能存储并非用于长时能量的转移，而是在电动汽车的充放电过程中作为一种短期热缓冲机制，用于调节快速的温度波动[17]。锂离子电池在大约20℃至40℃的狭窄温度范围内才能保持最佳工作状态，此时其性能……

**热量产生机制**
热量产生是热能存储系统中的核心机制，因为了解这一机制对于掌握其在不同温度条件及能源领域的性能、效率及适用性至关重要。在介质中产生、传递和储存热能的过程就被称为热量产生。这一过程会因热能存储系统的类型、工作温度以及用于转换能量的物理或化学过程而存在很大差异。一般来说……

**热管理系统的综合分类**
热管理系统对于维持电池单元的最佳温度、确保其安全性、性能及长久使用寿命至关重要。热管理系统的作用在于控制热量的产生、散失与储存，从而保障系统的稳定性、性能及安全性[42]。一个设计合理的热管理系统应能够高效地吸收和释放热量，并回收能量以便再次利用。根据传热机制、工作流体以及运行方式……

**人工智能在电池热管理系统中的应用**
随着电动汽车和高能量电池系统的快速发展，人们对高效、可靠的电池热管理系统需求不断增加。锂离子电池对温度变化极为敏感，其运行性能、效率及安全性在很大程度上取决于工作温度范围。高温会加速电池老化，降低其容量，甚至引发热失控等灾难性故障。而低温则会降低电池的功率输出能力……

**结论**
电化学储能技术的快速发展，进一步凸显了建立强大热管理策略的必要性，这样的策略既能保障系统运行安全，又能延长电池使用寿命，同时还支持高能量密度设计。本文对电池热管理系统领域的最新进展进行了深入分析，重点探讨了相变材料的集成应用、混合冷却架构的发展，以及下一代电池所要求的兼容性标准。

**未来发展方向**
电池热管理的未来发展不能仅仅停留在渐进式的改进上，而需要建立一套系统化的技术路线图，将材料科学、机械设计以及预测分析相结合。从本文指出的局限性来看，有一些具有重大意义的研究方向。其中一个关键任务是研发出不会泄漏、且能在数千次温度循环后依然保持性能的相变材料系统。现有的封装技术……

**CRediT作者贡献说明**
S. Krishna Kireeti：撰写——综述与编辑，撰写——初稿。
P. Narasimha Siva Teja：撰写——综述与编辑，撰写——初稿。
K. Naga Ramesh：撰写——综述与编辑，撰写——初稿。
B. Sairam Prasad：撰写——综述与编辑，撰写——初稿。
所有作者都对本文的完成负有责任。

**资金支持说明**
作者们并未获得任何用于本研究、文章撰写及/或出版的资金支持。

**利益冲突声明**
作者们声明在本文的研究、撰写及/或出版过程中不存在任何潜在的利益冲突。

**致谢**
无。