動力電池?zé)峁芾眍I(lǐng)域的一顆“新星”

動力電池是電動汽車的“心臟”，在方方面面影響著汽車的性能：能跑多少公里？最大加速度是多少？壽命如何？當(dāng)然還有更重要的安全性能，上述問題均是電池不可推脫的責(zé)任。

諸多因素影響著動力電池的性能， “幫兇”之一便是溫度。電動車主們都深有感觸，談“溫”色變。拿某款電動車型來說，明明有350公里的續(xù)航里程，到冬天后只剩原先的70%，很多人舍不得打開空調(diào)取暖，生怕影響到駕駛里程。實際上，高溫也同樣帶來電池的損害。公開的研究數(shù)據(jù)表明，一節(jié)索尼18650電池在55℃條件下循環(huán)500次，容量衰減近70%。

此外，電池之間溫度的差異帶來的“短板效應(yīng)”也是造成性能衰退的重要因素。雖然對于不同體系的動力電池，其最佳工作溫度區(qū)間不同，但是無論如何，該區(qū)間通常遠遠窄于運行的溫度區(qū)間。因此，有必要通過設(shè)計合理的熱管理系統(tǒng)，控制電池工作在適宜的溫度范圍內(nèi)，并有效控制溫差，從而提高電池性能。

當(dāng)前的電池?zé)峁芾矸椒ㄓ性S多，諸如大家熟知的風(fēng)冷散熱以及液冷散熱。由于空氣對流換熱系數(shù)相對較低，且強制風(fēng)冷可能帶來較大的溫度差異，因此許多汽車廠商傾向于采用液冷板散熱方案帶來更好的用戶體驗。然而，隨著動力電池能量密度不斷提高、快速充電要求的提高以及對壽命要求的提升，迫切需要發(fā)展新的熱管理技術(shù)來解決當(dāng)前的技術(shù)瓶頸，熱管這種高效導(dǎo)熱元件便是未來高性能動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)最佳選擇。

什么是熱管？

熱管是一種依靠氣液相變原理的高效傳熱元件。液體工質(zhì)在受熱端蒸發(fā)汽化, 在壓差驅(qū)動下流向另一端并在冷凝段凝結(jié)放熱, 冷凝后的工質(zhì)通過毛細(xì)力沿多孔材料返回蒸發(fā)段。由于其具有超高的導(dǎo)熱系數(shù)，目前已被廣泛應(yīng)用與能源化工、航天航空、電力電子等領(lǐng)域，在動力電池?zé)峁芾眍I(lǐng)域是一顆“潛力新星”。

采用熱管進行電池?zé)峁芾淼膬?yōu)勢

散熱效率高

熱管具有極低的熱阻(~0.1K·W-1)和極高的導(dǎo)熱系數(shù)(＞1000W·m-1K-1)，其散熱熱流密度可達50W·cm-2以上，換熱能力遠高于依靠強制風(fēng)冷或單相流體對流換熱方法。

加熱速率快

公開的研究數(shù)據(jù)顯示，通過熱管導(dǎo)熱對電池進行加熱，其升溫速率是傳統(tǒng)PTC加熱升溫速率的1.5倍。30W加熱功率下可在3分鐘內(nèi)升溫20℃，若功率為70W，則可在2min內(nèi)升溫40℃，因此可大大縮短寒冷環(huán)境下電動汽車啟動時間。

均溫性能好

研究顯示，一根長度為1m的微通道熱管，在一端進行加熱，其沿長度方向的溫差不到2℃；一個380cm2的平板熱管中心處施加一個面積為1cm2、產(chǎn)熱量20W熱源，整個表面的溫差也在2℃以內(nèi)，體現(xiàn)了熱管優(yōu)異的均溫性。

安全性好、可靠性高

采用熱管的電池包內(nèi)無需通入水路循環(huán)，實現(xiàn)水、電分離，具有更高的安全性。此外，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)簡單，維修方便，因此系統(tǒng)可靠性更高。

當(dāng)前，許多熱管理行業(yè)的學(xué)者及工程師們將目光聚焦于熱管技術(shù)，展開了一系列理論與實驗研究。已有的研究包主要涉及：動力電池產(chǎn)熱特性對熱管傳熱的影響分析、針對動力電池的熱管設(shè)計方法研究、熱管理系統(tǒng)散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計方法研究，以及采用熱管的電池低溫加熱研究。已有的研究驗證了熱管的可靠性與應(yīng)用價值，但是隨著電動汽車對熱管理系統(tǒng)要求的提升，熱管的研究仍有待進一步深入：

進一步結(jié)合實際車用工況，對熱管散熱制定有效的實時控制策略，實現(xiàn)高效、低能耗電池?zé)峁芾怼?/p>

充分考慮熱管結(jié)構(gòu)設(shè)計及其布置方式，優(yōu)化傳熱性能，特別是針對平板類型熱管的性能分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化。

綜合系統(tǒng)熱、電特性以及系統(tǒng)能耗和輕量化等指標(biāo)，提出熱管理系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化方案。

低溫環(huán)境下的加熱策略研究有待進一步深入。

《科學(xué)通報》2019年第7期發(fā)表清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室張揚軍課題組撰寫的文章“基于熱管技術(shù)的動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)研究現(xiàn)狀及展望”，針對車用動力電池?zé)峁芾頍狳c問題，綜述了熱管技術(shù)在動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中的應(yīng)用及研究現(xiàn)狀，總結(jié)現(xiàn)有研究存在的不足及需要突破的關(guān)鍵問題。