综述：下一代电池热管理系统：自适应冷却技术的系统综述

《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Next-generation battery thermal management systems: A unified review of self-adaptive cooling technologies

　　

## 摘要

锂离子电池（LIBs）对于交通运输和大规模储能至关重要。然而，其性能、安全性和寿命对温度极为敏感。传统的电池热管理系统（BTMS）往往采用固定设计并设定固定的运行参数。这些系统在稳定、温和的条件下运行良好，但难以应对热负荷的快速变化以及不同气候条件下的相互冲突的需求。本综述全面概述了锂离子电池自适应性BTMS的最新进展，涵盖主动式和被动式策略。主动式自适应性BTMS使用实时传感器、热状态估计、流量调节和智能控制。相比之下，被动式自适应性BTMS依赖于温敏材料和结构，例如热开关和变导率热调节器。这些系统无需外部电源或控制输入即可实现自动热调节。通过比较传统BTMS和自适应性BTMS在不同工况下的表现，本综述指出了新型自适应技术的机制、优势、局限性和发展水平。

## 引言

随着全球能源需求的上升，世界各国对煤、石油和天然气等化石燃料的依赖日益增加。这些能源产生了世界上大部分的电力[1,2]。然而，这种依赖导致了环境破坏、全球变暖和因二氧化碳排放增加及资源枯竭而引发的健康问题[3]。为应对这些问题，大多数国家正在加速向更清洁、更可持续的能源系统转型。电气化，特别是通过电动汽车（EVs），如今被视为减少温室气体排放的一种有前景的方式[4,5]。

储能用化学电池自20世纪90年代开始发展，最初采用铅酸和镍氢（NiMH）技术，后来又纳入了镍氯化钠作为另一种选择。最近，材料技术的进步使得多种锂离子化学体系得以开发。钴酸锂（LCO）具有较高的能量密度，但由于其在高温下不稳定且成本昂贵，主要应用于小型设备。早期的镍镉（NiCd）和镍氢（NiMH）电池以较低的成本提供高功率。如今，高能量密度电池通常采用锰酸锂（LMO）、镍锰钴（NMC）、镍钴铝（NCA）或磷酸铁锂（LFP）作为电极材料[6]。

锂离子电池是支持向非化石燃料能源系统转型的最有前景的储能技术之一。它们具有高能量密度、低自放电和高效运行等特点。这些特性使它们成为实现碳中和和应对气候变化的关键[3,4]。

电池性能对压力、振动以及尤其是温度变化等因子高度敏感[7]。锂离子电池在使用过程中会产生热量，过量热量会损害其安全性、性能和寿命。高温会加速电池退化，导致因活性材料形成和内部电阻增加而引起的容量衰减[8]。此外，电池过热可能触发热失控，这是一种危险的连锁反应，积累的热量会导致气体释放或爆炸[9]。

当温度降至0°C以下时，锂离子电池会迅速失去容量，因为电解质的导电性降低，甚至可能凝固。这导致更多的极化、更低的放电电压和大量的能量损失。因此，商用电池可能只能保持很小部分的额定容量，甚至完全停止工作，从而往往无法满足实际应用需求[[10], [11], [12]]。

研究人员发现，电池在20至50°C之间表现出最佳性能[13,14]，且电芯间的温度差理想情况下应保持在5°C以下[15,16]。过高或过低的温度会加速退化过程，损害性能并增加安全隐患[17,18]。锂离子电池发热的原因有多种，但最重要的原因是高放电率和高环境温度[19]。为避免严重问题并延长电池寿命，需要有效的冷却方法将锂离子电池保持在安全温度范围内[20]。

为帮助锂离子电池在不同条件下良好运行、延长使用寿命、提供更多能量并保持可靠性，需要一个良好且经济的BTMS。BTMS在高温条件下为电池组降温，在温度过低时为电池组加热。它还保持电池组温度均匀，以降低电芯之间的电压差异。最近的研究表明，BTMS对于提高电池系统可靠性和改善性能至关重要[6]。

已开发各种热管理策略来控制锂离子电池温度并确保安全高效运行[21]。在低温条件下，需要对电池进行加热以维持电化学反应活性并提高性能[17]。这些方法包括提供外部加热的空气系统和液体系统，以及在电池内部产生热量以维持适当电化学反应活性的电热、电流诱导和自加热技术[17,22]。

在高性能应用中，电池冷却面临更大的挑战。常用方法包括主动和被动冷却[23]，如强制对流空气冷却[24]、液体冷却[25]、固-液相变材料（PCMs）[[26], [27], [28]]、热管（HP）冷却[29,30]和基于热电元件的系统[31]。混合热管理方法现在将主动和被动技术结合使用，以更好地控制温度并提高电池系统的能效[32,33]。

传统的BTMS，也称为静态或传统BTMS，在温和和稳定的使用中有效地将电池温度保持在安全范围内[3]。其简单的设计、可靠性和低成本使其在早期电动汽车和固定储能中广泛使用。在传统BTMS中，结构和运行设置在运行过程中保持不变。冷却布局、工作介质流量和预期产热量预先设定，并通常针对特定模式（如恒流充电或放电）进行优化[34,35]。虽然传统BTMS在稳定的运行条件下实用且有效，但其性能在涉及可变负荷和快速充放电过程的动态热环境中往往受到限制[36,37]。一个主要挑战是平衡高低温环境的相互冲突的热需求。虽然热绝缘在寒冷条件下减少了热损失，但可能妨碍高温或高功率运行时的散热。相反，高导热材料增强了冷却性能，但在寒冷环境中可能增加热损失并降低效率[[38], [39], [40]]。

为应对这些问题，已开发出自适应性BTMS，以便在多种变化条件下更有效地控制电芯温度。这些系统通常分为被动自适应性类型和主动自适应性类型。

被动自适应性BTMS依赖于热敏材料或结构，例如相变材料（PCMs）、可变导率传热元件和热开关。这些系统通过根据温度变化修改其热导率来调节热传递，而无需外部电源输入或主动控制系统。传统的静态PCM基BTMS主要使用PCM进行潜热储存，而机械触发的自适应PCM基BTMS则利用PCM在相变过程中的体积变化来自主修改热接触、热阻或冷却剂通道。这些系统可以在不消耗额外能量的情况下，满足冷环境和热环境相互冲突的热需求，同时将电池维持在运行温度范围内[41,42]。

主动自适应性BTMS结合了传感、智能控制策略和实时数据处理，主动调节加热和冷却。这些系统持续监控电池温度，并动态调整热量输入、冷却剂流量、冷却剂分配和风扇转速，以维持热平衡并确保在广泛的运行条件下可靠运行[3]。

被动自适应性BTMS和主动自适应性BTMS之间的区分并不总是明确的，特别是当系统表现出自适应或可重构行为时。在这种情况下，热响应可能源于内在的材料和结构特性，也可能源于外部的传感、控制和执行机制。为提高一致性，我们现在将被动系统定义为无需外部控制的材料/结构驱动系统，将主动系统定义为具有实时执行功能的传感器和控制驱动系统。

如图1所示，从气候和能源问题到电池热问题的日益严峻挑战推动了从传统BTMS向自适应解决方案的转变。

为将本工作定位在现有BTMS文献中，表1将本综述与近期综述文章进行了比较，涵盖其在BTMS基本热行为和温度效应、传统主动/被动/混合冷却技术以及主动和被动自适应分类新趋势方面的覆盖范围。从该表可以看出，虽然现有综述主要关注传统非自适应BTMS或单一冷却技术，但整体上并未系统、统一地对所有气候条件下的被动和主动自适应BTMS进行分类和比较。因此，本综述的目的是弥补这一空白，为各种气候环境下的自适应性热管理技术提供统一指南，包括这些系统的分类结构、关键运行机制、优势以及未来发展趋势，以提高先进储能系统的安全性和耐久性。

总体而言，与近期综述论文相比，本工作的新颖性可归纳为三个主要方面。首先，它引入了一个统一的分类框架，从气候包容性视角同时考虑被动和主动自适应性BTMS。这一方面在以往研究中尚未得到系统处理。其次，本综述对底层的自适应机制进行了结构化比较。在该框架中，被动系统根据热触发响应进行分类，包括可逆热切换、可变导率界面、自适应绝缘和相变驱动调节。相比之下，主动系统根据传感架构、控制策略和执行方法进行分类。第三，与主要关注传统BTMS或孤立冷却策略的早期综述不同，本工作在单一连贯的分析中，对自适应性BTMS的工作原理、优势、局限性和未来发展趋势进行了全面评估。

## 章节摘录

### 电池热行为基础

在电芯层面，典型的锂离子电池具有四个主要部分：集流体、正极、负极和多孔隔膜。电极容纳锂离子并允许其进出，而液态电解质（通常是碳酸酯类有机溶剂中的锂盐，如碳酸乙烯酯）使离子在电极之间传输[54]。在充放电过程中，锂离子通过电解质和隔膜移动，电子通过外部电路流动以为设备供电。这些

### 传统电池热管理系统

BTMS是电动汽车和储能配置中电池管理系统（BMSs）的重要组成部分。其主要功能是控制电芯温度以维持最佳电化学性能、效率和安全性。电芯间的温度差异会导致不均匀反应和老化，缩短电池寿命并可能引发热问题[77]。对高能量电池组和高充电能力的日益增长的需求加剧了对有效热

### 自适应性BTMS：概念与分类

如前所述，传统BTMS设计依赖于预设的冷却布局和固定的运行参数。多年来，研究人员通过优化流道几何形状[[102], [103], [104]]、电芯配置[105]、运行条件[106,107]和局部传热特征，显著改进了这些系统。然而，传统BTMS的冷却能力仍主要取决于预期的产热条件。这一局限性体现在

### 挑战

锂离子电池的自适应性热管理仍面临重大挑战，特别是在温度极端和高倍率充放电条件下。前面几节回顾了这些系统的基本原理，并概述了主动和被动自适应冷却方法的典型分类和应用方式。尽管文献中报道了稳步进展，但许多研究在转化为实际工程瓶颈方面仍存在局限性。这些障碍

### 结论与展望

总体而言，自适应性BTMS为动态运行条件下的锂离子电池提供了更有响应性和能效的热管理路径。

图9提供了被动与主动自适应性BTMS运行概念的对比视角。

自适应性BTMS的未来发展预计将超越孤立的材料或组件级别的演示，迈向能够持续响应变化热条件的集成系统。实现

## 利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的财务利益冲突或个人关系，这些可能影响本文所述工作的发表。

Bita Karimi|Ayat Gharehghani|Amirhossein Jazari