引言由于地球年平均气温升高，大气层中二氧化碳浓度持续增加，能源结构调整转换，实现低碳目标成为目前的研究热点。在各个碳基能源的消耗中，传统汽车燃烧汽油造成大量的二氧化碳排放，新能源汽车使用零碳能源，以一次能源为电力，显著降低二氧化碳的排放量。动力电池是新能源汽车的供能中心，实际使用时的不同工况具有重要影响。新能源汽车在内部狭小空间安装大量电芯，电池产生的热量会随车辆运行时长的增加而不断地累积，电池包内电芯的密集堆放，使得电池包较难散热，温度由外向内逐渐升高，温度均匀性降低，影响电池利用效率，严重时存在安全隐患。合理的电池热管理方案，解决目前存在的散热问题，以增加动力电池的安全性能和使用周期，延长新能源汽车的使用年限。1研究背景新能源汽车动力电池包括锂离子电池、铅酸电池、镍氢电池、燃料电池等。锂离子电池因其能量密度高、寿命长、污染小、无记忆效应、自放电率低等优点[1]，已广泛应用于新能源电动汽车。锂离子电池发生过热时，其可靠性、耐久性和安全性严重恶化[2]，因此需要寻求合理的、有效的电池散热方式。目前，锂离子电池的散热方式主要包括空气冷却、液体冷却、相变材料冷却和热管冷却[3]。空气冷却的成本低、散热所需条件简单，但导热系数低、换热效率低、均温性差。随着环境温度的升高，散热器耗功率逐渐增大，从而间接引起其他功率损失或对环境产生不良影响，如风扇噪声等。液体冷却可分为2种：一种是直接冷却方式，将电池直接浸没在冷却液中进行散热；另一种是间接冷却方式，冷却系统通过管路和电池相连，将冷却液注入液冷管中进行散热[4]。若采用引起电池短路的导电液体，需要慎重考虑电池的密封性问题，避免电池结构复杂性的提升，增加成本，降低冷却能力；若使用相变材料作冷却介质，需要考虑其物质状态随温度的变化而发生相变，且伴随热量的变化[3]。外界环境对相变材料作为冷却介质的散热方式影响小，且相变材料占用空间小，适用于新能源汽车电芯密集的情况，但散热过程中经历体积变化，从而散热成本较高。热管冷却是一种新兴的动力电池散热方式，其导热能力强，具有较好的应用前景。热管与相变材料均依靠相变过程进行传热，空冷和液冷通过其他机械做功和工质的内能转换提供动力。目前热管冷却的研究，在国内仍处于初始阶段，且安装技术复杂，成本较高。2研究问题（1）电芯聚集导致动力电池局部温度过高，整体性不好，主要原因在于强制对流的冷风流经数个电池模块表面时，因电池模块外形及位置，风的流场强度不均，导致散热不一致[5]。（2）新能源汽车动力电池是汽车的储能核心。电池包内的温度环境对电芯的寿命和安全性能起到关键作用。受散热方式影响，电池包内的温度环境应维持在适宜范围。常见散热方式中空气冷却和液体冷却的散热效率不同，导致电池包绝对温度不同，且电池包内部的相对温度，即电芯间温差也不相同，应在散热方式中寻求一种新型的兼顾换热效率和成本的热管理方案。（3）动力电池包中密集的电芯在充放电过程中产生一定的热量。若不及时散热，电芯内部的温度随着汽车使用时间的增加而持续升高，加速电芯老化，严重时电芯短路爆炸等危险。3研究方法（1）了解新能源汽车动力电池的散热方式和存在的散热问题。利用现有传热学、工程热力学知识，结合书籍资料，了解目前推出的新能源汽车动力电池在不同散热方式下的各种热管理方案。（2）制作初始风冷结构散热模型，加深对此种散热模式的理解，寻找其散热问题，为提出全新的风冷结构做准备。此风冷结构模型利用硬纸板代替前挡板、后挡板、内置风扇；利用废弃鼠标垫代替导热硅胶片；利用手机壳制作电池内芯的金属外壳。在此模型上用红色箭头标注热量的流通方向，形象解释电池内芯的温度均匀性与整体性的不平衡。（3）通过列表汇总空气冷却、液体冷却、相变材料冷却和热管冷却热管理系统的利弊，发现目前未被解决的散热问题或新能源汽车动力电池热管理中有待改进的关键点，总结各种散热方法的优缺点。具体实施步骤为：从电池的可操作性、效率、散热温差、温度均匀性、寿命、初期投入和年度花费等7个方面分析不同散热方式，划分3个等级“优秀”“中等”“较差”，如表1所示。对不同的散热方式性能进行赋分，“优秀”为30分，“中等”为20分，“较差”为10分，如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.024.T001表1不同散热方式的各性能分析项目空气冷却液体冷却相变材料冷却热管冷却可操作性易（优秀）难（较差）易（优秀）良（中等）效率低（较差）高（优秀）高（优秀）高（优秀）散热温差大（较差）小（优秀）小（优秀）小（优秀）温度均匀性不良（较差）好（优秀）好（优秀）良（中等）寿命长（优秀）短（较差）长（优秀）长（优秀）初期投入低（优秀）高（较差）较高（中等）高（较差）年度花费低（优秀）高（较差）高（较差）较高（中等）10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.024.T002表2不同散热方式的各性能赋分项目空气冷却液体冷却相变材料冷却热管冷却可操作性30103020效率10303030散热温差10303030温度均匀性10303020寿命30103030初期投入30102010年度花费301010204种散热方式的综合得分如图1所示。由图1可知，相变材料冷却效果相对最优。结合热管材料性能和冷却效果，提出热管散热和相变材料散热结合的想法。相变材料冷却和热管材料冷却的综合得分为散热方式中较高的两种，更加验证两种方法结合的可行性。通过了解各种电池散热方式的优缺点，构建全新实物模型，根据目前热管理方案以及存在的散热问题，提出不同于传统动力电池冷却的散热方式。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.024.F001图14种散热方式的综合得分4研究结果与分析目前的研究存在3方面问题：（1）电池组的温度环境未控制在一定范围内，存在均衡性问题。解决方案为：在了解串联式和并联式的通风方式中发现，并联通风方式的流道可使空气在流道中均匀分布，出口端热量积累较少，对电池组温度分布均匀性较好；（2）风冷系统进出风口的设计，影响温度分布的均匀性。解决方案为：设计全新风冷结构散热模型，将进风口设计在下部，出风口设置在上部，利用热空气向上原理，减少热空气在电池包内部滞留时间，改善其换热效果，全新风冷结构散热模型如图2所示；（3）相变材料吸收或释放大量潜热作用，利于节能环保，但作用过程中不能散发自身热量，与运行的新能源汽车动力电池所需相反。解决方案为：将相变材料散热方式和热管散热方式相结合，使导热性强的热管能够更好地导出相变材料自身储存的热量。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.024.F002图2全新风冷结构散热模型相变热管材料在5C放电速率时，随着外界风速的温度变化如图3所示[6]。由图3可知，随着风速的增大，材料的温度逐渐下降，因此将风冷结构的散热与相变热管材料相结合，该结论与Behi[7]等的试验结果相一致。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.024.F003图3相变热管材料在5C放电速率时随外界风速的温度变化5研究讨论相变材料散热无须温差传热，可通过吸收或释放大量潜热进行高效散热，但不能满足自身材料的散热需求，从而阻碍汽车密闭狭小空间中动力电池的散热。由此结合热管散热方式，使得导热性强的热管能够更好地将相变材料自身储存的热量输出，解决散热问题。与其他冷却系统相比，空冷系统的整体换热系数仍处于较低水平。通过制作模型发现，风冷装置前挡板的散热风扇使得电芯前段风量充足，对流换热更多，热量经电芯内部缝隙或电芯两侧到达出风口，出风口风量少，对流换热面积小，且电芯内部温度高，致使温度在整个电池电芯中完全不均衡，其温度均匀性差。为提高电池电芯的整体性，延长电池寿命，应改变电池包内温度场的均匀性，通过增加进风口，增大对流换热面积，并联管道通风，运用热压向上等原理解决电池局部过热问题。6结语（1）空气冷却换热效率低、均温性差。结合液体冷却的温度均匀性良好，设计一种全新风冷结构热管理模型，即以强制对流散热形式，增加进风口数量，利用热空气向上原理，合理设计排风，减少热空气在电池包内部滞留时间，解决电池局部过热问题，改善其换热效果。（2）相变材料散热不能满足自身材料的散热需求，阻碍新能源汽车密闭狭小空间中动力电池的散热。因此，结合导热性强的热管进行热管理。热管以很小的温差产生大量的热，将相变材料自身储存的热量快速输出，以解决存在的散热问题。通过人工干预，将强制风冷与相变材料及热管等多种热管理方案相结合，提升新能源汽车电池的温度均匀性及散热速率。（3）通过分析4种新能源汽车散热方式，将不同散热方式互相弥补，得到多种相对更佳的热管理组合方案。传统散热方式有时不能满足大功率电池的散热量和散热速率，因此可采用两种或多种散热方式相结合的热管理方案，满足新能源汽车动力电池的散热要求。（4）未来新能源汽车电池的新型热管理方案，不仅需要材料、工艺等方面的创新，而且需要在传统散热方式基础上逐步延伸，寻求可以使动力电池温度均衡，自身散热良好的冷却方法。针对不同散热材料或新能源汽车复杂工况下的散热问题，制定一套符合实际的热管理解决方案。将多种散热方式和散热材料相结合，提升电池热管理系统整体的换热效果，使电池热管理系统得到实质性发展。