新能源汽车商业化的根本挑战是储能。
开发适用的储能装置以实现高功率和高能量至关重要。
为了满足新能源汽车的功率和能量要求，锂离子电池通过串联/并联来制造模块和电池组。
对于这些要求苛刻的应用，锂离子电池被认为对压力、振动和温度敏感。
在这些因素中，温度对LIB的性能有显着影响。

例如，低温会降低锂离子电池的功率和能量输出，高温会导致电池组件发生复杂的副反应，在极端条件下会引发热失控（TR）。
对于电池系统来说，温度的不均匀分布会导致不同的电化学行为和电芯的电不平衡，严重影响新能源汽车的性能。
因此，有必要创建一个可靠、高效的电池热管理系统（BTMS），将电池温度维持在新能源汽车规定的范围内。
理想的 BTMS 应能够将电池组调节至最佳温度，同时增加最小的重量和成本。

如今，BTMS 已经开展了大量研究，可分为以下几类：主动或被动、串联或并联、加热或冷却、空气或水或相变材料 (PCM) ，以及结合多种方法的混合策略。
BTMS的项目设计对电池系统的成本、传热、能量管理、电池健康、能量密度等有很大影响。
一般来说，未来提高充电速度以实现更快充电和更长行程的目标意味着 BTMS 应该更加重要。

在本文中，我们的目标是为新能源汽车中高能量密度锂离子电池的实际实施提供高效 BTMS 的设计指导。
我们首先讨论了温度对单个电池和电池系统性能的影响，然后重点介绍了空气冷却、液体冷却和基于PCM的冷却系统的研究进展，并详细总结了这些方法的优缺点。
此外，还详细讨论了BTMS与车辆热管理（VTM）相结合的设计。
最后，讨论了具有切断热失控能力的BTMS所面临的挑战和未来前景。
我们希望本文能够为新能源汽车BTMS的设计提供一些有效的指导。

锂离子电池作为一种复杂的电化学储能系统，在运行过程中会产生大量的热量，特别是在高倍率充放电过程中。
在张的研究中，在不进行任何处理的情况下（环境温度为25℃），NMC电池在3℃放电倍率下的温度将超过75℃。
一般来说，锂离子电池作为重要的储能器件，对温度和电压非常敏感。
图 1a说明了 LIB 在不同电压和温度下的行为。
据悉，锂离子电池的适宜工作温度为15~35℃，是电池厂制定的设计标准。
随着温度的升高，由于电解质和电极材料中离子的快速迁移以及快速的电化学反应，电池表现出更高的功率输出和更高的容量。
然而，副反应变得更加剧烈，导致容量快速衰减并引发更高的温度。
如果热量不及时散去，温度就会依次升高。
固体电解质界面（SEI）以及电极材料的分解和不断加剧的副反应可能导致火灾危险。
相反，低温会导致负极镀锂，增加电解液粘度，降低锂离子电导率，从而降低可用能量，增加内阻抗，导致锂离子电池的倍率性能较差，如图1b所示， c 显示。
据发布，锂镀层会与电解液发生反应，导致循环过程中容量衰减和气体释放。
更严重的是，锂枝晶的持续生长可能会进一步穿透隔膜，导致锂离子电池内部短路，虽然微短路会导致锂离子电池自放电，而大短路会导致锂离子电池的自放电。
严重的安全问题。
因此，有必要确保锂离子电池工作在“舒适区”。

图1 ( a )温度对锂离子电池寿命、安全性和性能的影响；

( b )能量密度与环境温度的关系；

( c ) 归一化内阻与温度的关系；

前面的内容介绍了温度对单个电池的影响。
对于新能源汽车来说，电池系统称为电池组，由数百个锂离子电池串联或并联组成，以满足电压和功率的要求。
事实上，每个电池之间的热传递受制于电池组的复杂结构，这将导致电池组的热梯度。
电池、模块或电池组内的不均匀温度分布会导致充电或放电行为以及电化学性能的变化，从而进一步引起温度的不一致。
锂离子电池的均匀性会降低电池系统的寿命，导致容量利用率降低，甚至系统故障。
因此，保持各电池之间的温度一致性是BTMS克服电池系统“木战效应”的另一个关键问题。

为了在工业中广泛采用，电池采用固定的形状和几何结构。
在某些应用中，电池系统会遭受高倍率充放电、高低温等极端工作条件，这会增加电池系统的故障概率。
为了保持合适的工作温度，应应用 BTMS。
传热介质对BTMS的成本和性能有显着影响。
传热介质可以是空气、液体、相变材料（PCM）等。

一般来说，风冷以其结构简单、重量轻、维护方便等优点被认为是新能源汽车BTMS的一种经济有效且可靠的方案。
有人提出，风冷可以分为自然对流和强制对流。
自然对流通过让空气自发地扫过电池组来冷却电池。
据发布，空气自然对流散热对于新能源汽车的BTMS是无效的。
相比之下，强制对流比自然对流表现出更好的热交换效率，因为采用气泵并与蒸发器配合可以有效地循环冷却/加热空气。
随着BTMS的良好表现，强制对流在汽车领域得到大规模应用。
据发布，强制对流可分为被动空气对流和主动空气对流。

一般来说，被动系统从大气或机舱吹出空气。
然而，无源系统的性能取决于环境温度。
相比之下，主动系统从供暖通风空调 (HVAC) 系统的加热器或蒸发器获取预先调节的空气。
一般来说，经过加热器或HVAC预处理的空气在低温（冰点以下）和高温（超过45℃）等极端条件下表现出更好的热控制能力。

此外，风道结构对BTMS的效率也有很大影响。
一般来说，新能源汽车风道的主流结构可分为并联通风和串联通风，如图2a、b所示。
分析这两个风道的电池组的热性能。
发现并联通风的 BTMS 比串联通风的 BTMS 提供更低的最高温度和更均匀的温度分布。
考虑到圆柱形电池的几何尺寸，提出了一种新型轴流风冷系统（图2c）。
据悉，轴向通风可以最大限度地利用电池组的空间，为搭载圆柱电池的新能源汽车提供更高的功率密度。

图2. 基于风冷的BTM传统结构。

( a )串联通风；

( b )平行通风；

( c ) 轴向空气强制流动；

为了实现电池系统的最佳性能，应优化风冷BTMS。
如今，计算机数值模拟技术的发展和实验的开展有助于风冷BTMS的优化，其重点是电池组的布置、气流速度、流动路径以及电池组中电池的几何排列。

一般来说，并联风冷BTMS可分为九种类型，如表1所示。
一些研究人员应用涉及 CFD 方法的数值解决方案来研究并联风冷 BTMS 的热性能。
图2b显示了九个平行风道的速度等值线，这表明流型受空气入口和出口位置的显着影响。
对于BTMS III，各冷却通道内气流速度分布差异最大，温差也最大。
相比之下，BTMS VII 和 BTMS IX 的每个冷却通道中的气流速度分布差异小于其他 BTMS，对应于较小的温差，研究表明，与 Z 型 BTMS（BTMS I）相比，BTMS IX 的最高温度和最大温差分别降低了 4.3 和 6.0 °C。

表 1. 9 个 BTMS 的进风口和出风口位置

通过测试和优化进风角度、出风角度以及每个电池之间的间隙，提高U型风冷BTMS的散热性能。
在 2.5° 入口角、2.5° 出口角和等通道间隙的条件下，他们的 BTMS 表现出了最佳的冷却性能。
研究通风类型、间隙尺寸、环境和串联通风入口空气温度对不同电池模块冷却效果的影响。

轴向空气强制流动的结构如图2c所示。
有时，电池表面会添加散热片，以增强风冷系统的热性能。
然而与相同体积的液体冷却方法相比，翅片冷却最多可以给电池增加约 39% 的额外重量。
相比之下，直接和间接液冷分别增加了电池约 2.95% 和 7.16% 的重量。
尽管传统的空气冷却被认为是最简单、最轻的方法，但添加翅片会增加重量并抵消这些优点。
电池系统能量密度的降低也限制了翅片冷却在新能源汽车BTMS中的应用。

与空气介质相比，具有更高导热率和更高热容量的液体介质在电池模块的温度分布中表现出更好的行为，可以满足大规模电池高倍率放电/充电的冷却要求。
然而，液体冷却系统的复杂性提高了制造成本。
一般来说，液冷策略可分为直接冷却和间接冷却。

通常，直接冷却也称为液浸冷却，已成功应用于变压器。
如今，浸入式冷却已引起电子设备和新能源汽车的广泛关注。

如图3所示，电池模块部分或完全浸没在冷却介质中，可以直接吸收电池产生的热量，有助于增强电池模块的温度均匀性。
此外，直接冷却可以简化系统设计并降低系统复杂性。
为了达到高传热效率的目的，直接冷却的冷却介质应具有优异的化学物理特性，如高导热率、低粘度和高热容。
由于浸入式电池存在外部短路（ESC）的风险，因此潜在的冷却介质应是电绝缘的。
此外，还应考虑无毒、化学稳定性、不可燃性等环保和安全要求。
尽管水/乙二醇基冷却剂广泛应用于间接冷却系统，但水的导电特性限制了其在浸没式冷却系统中的应用。
据发布，浸入式冷却系统常用介质有烃油、硅油和氟化烃。

图 3. 液浸式冷却系统

( a )静态流；

( b )强制流动；

电力电子直冷系统采用氢氟醚作为冷却介质。
如今，优异的性能促使其扩展到BTM中。
如果 LIB 的表面温度升高到 Novec 7000 的沸点，液体就会沸腾并吸收大量的热量。
在一定程度上，Novec 7000的不燃性可以降低锂离子电池热失控的风险。
在直接冷却系统中，介质的特性对于确定冷却效率和热稳定性至关重要。
电池模块在高倍率充放电条件下工作。
Novec 7000为介质的浸入式冷却表现出优异的热性能。
它在10℃/20℃循环下保持电池温度不超过35℃，并且每个电池的温差在1℃以下。

浸入式冷却介质可以采用烃基流体，包括矿物油和聚α-烯烃（PAO）等。
矿物油是石油的馏分油，因其成本低、成本低而引起直接冷却的关注。
毒性和足够的工作温度范围，如表 2所示，强制流动的浸入式冷却系统，用于冷却由一些软包电池组成的电池组。
在1 L/min、5 L/min和10 L/min不同流量下，电池最高温度可以维持在32.8、30.8和30.6℃。
但矿物油中的杂质导致其氧化稳定性差。
一些杂质如含硫化合物会导致电气系统中铜的腐蚀。
与矿物油相比，PAO具有更高浓度的饱和碳碳化学键，从而提供更稳定的结构。
此外，PAO的粘度可以在很宽的范围内控制。
据悉，PAO被广泛用作高性能机油的基础油。

硅油是浸入式冷却系统的另一种潜在介质。
与碳氢化合物类似，硅油的粘度由硅氧烷单体链的长度决定。
应用硅油作为冷却剂浸没数据中心。
他们比较了20 cSt硅油和50 cSt硅油的性能，20 cSt硅油的自然对流更加明显。

水/乙二醇混合物因其相对较低的成本和较高的导热率而广泛应用于间接冷却系统。
然而，较差的电绝缘性能限制了其在电池浸没式热管理系统中的实际应用。
为了解决这个问题，一些研究人员提出在电子元件上涂上一层薄绝缘层。
例如，聚对二甲苯C的涂层薄至1μm，水/乙二醇系统的热通量显示出比上述介电流体更好的导热性。
Novec 7000 介电介质的导热率为 0.08 W/mK，而水-乙二醇 (50:50) 的导热率为 0.4 W/mK。
这意味着Novec 7000可能适合低功率器件，因为它的沸点和蒸发过程中的潜热较低。
改进的水/乙二醇系统适用于高功率设备。

表 2. 液体冷却系统不同流体的热和物理特性

6.液基间接冷却

与液基直接冷却系统（液浸冷却系统）相比，液基间接冷却系统更容易实现。
如表 2所示，在具有较低粘度的液基间接冷却系统中使用水和乙二醇混合物作为常用冷却剂，可以在相同的泵送功率下实现更高的流量。
因此，通常采用间接接触模式，使液体通过离散的管道、夹套或冷却板。
由于成本相对较低，液基间接冷却被认为是电动汽车中使用最广泛的 BTMS。

冷板是具有内部通道的平坦金属板，通过该内部通道泵送液体冷却介质，如图4a所示，冷板可以安装在三个位置：嵌入电池单体内（模式 A）、夹在相邻电池之间（模式 B）或附着在电池模块的侧面（模式 C）。
对于模式A，通道尺寸必须足够小，以便集成到电池组件中，并且护套应该具有化学稳定性以抵抗电化学腐蚀（图4a）。
对于模式B，冷板布置在相邻电池之间。
为了提高电池系统的能量密度，应设计低厚度的冷板（图4a）。
对于模式 C，冷板通常与电池模块的侧面或底部部分热接触（图 4a）。
为了有效传导热量，散热器可以放置在电池之间，以增强从模块到冷板的热传递。
由于其扁平形状，冷板广泛应用于电池模块，由棱柱形电池而不是圆柱形电池组成。
一般来说，冷板预计将为电池提供结构支撑并集成到电池组中，以确保电动汽车的安全性和紧凑性。

图 4

( a ) 不同位置的冷板配置；

( b )冷板液体通道的布置；

显然，为了提高利用冷板技术的BTMS的性能，可以优化通道的布置和液体流动。
一般来说，通道配置可分为直型设计、蛇形设计、U型弯设计、南瓜设计、螺旋设计和六边形设计，如图4b所示。

与冷板结构相比，不同配置的分立管也可以在液体介质和细胞之间传递热量。
由于管结构的原因，离散管的间接接触模式适用于由圆柱电池或棱柱电池组成的电池系统。
仿真表明，尽管电池单体的TR无法停止，但微通道管结构可以有效阻止模块中的TR传播

图5 BTM系统结构示意图

( a )方形电池微通道冷却系统示意图；

( b )特斯拉Model S电池冷却；

( c ) 基于分立管和圆柱形电池铝块的 BTM；

分立管广泛应用于由圆柱形电池组成的电动汽车电池系统中，如图5b所示。
金属管串联设置为带状，蜿蜒穿过特斯拉 Model S 的电池模块，这是电动汽车行业的常见结构。
此外，还提出了一些新颖的离散管结构。
例如，应用铝元件，包裹圆柱形电池作为热连接部件，将热量从电池传递到放置在电池模块侧面的液体管，这可以避免液体介质泄漏时的电连接。

PCM是一种根据相变过程储存或散发热量的材料。
作为热管理应用的创新解决方案，PCM 可以在熔化过程中吸收大量潜热，同时在较长时间内保持在相变温度附近的稳定温度（图 6a）。
为了满足LIB的工作温度，通常使用熔化温度在20至60°C之间的相变材料。
尽管PCM可以促进高倍率放电下大规模电池的温度均匀性，但仍存在一些挑战需要克服，例如导热率低、体积变化大、易燃、结构强度弱以及熔化的PCM泄漏的风险。

为了克服这些缺点，由PCM作为分散材料和其他材料作为添加材料组成的形状稳定的PCM。
据发布，添加不同性能的添加剂或骨架可以提高导热性，增强形状保持能力，并吸收液体相变材料（图6b）。
为了提高基于PCM的BTMS的导热性，人们引入并研究了各种材料，包括金属颗粒、金属泡沫、碳纤维、石墨烯和碳纳米管。

表3详细显示了这些改进的 PCM 的增强性能

图6

( a )基于PCM的系统的温度特性；

( b )添加各种添加剂作为支撑框架或导热体的PCM复合材料的结构；( c )PA/EG-CM复合材料的结构及其在BTMS中的应用；

表3. BTMS的PCM 增强特性。

8.新能源汽车 BTMS

表 4简要总结了各种 BTMS 基于集成、效率、维护、能量密度和其他因素的性能。
事实上，随着电池组集成度的提高，传统的风冷方式已经不能满足BTMS的功能需求。
一般来说，新能源汽车的每个子系统都有不同的理想工作温度范围，这意味着需要采取不同的热管理策略。
此外，为了利用各个子系统，BTMS的设计应与车辆热管理系统（VTMS）结合起来。

表 4. BTMS 的特性分析

图7展示了BTMS的发展趋势。
热通风空调系统（HVAC）本质上是一个热泵系统，通过控制冷水机组的运行来实现供暖和制冷模式的切换。
出色的制热/制冷能力使其备受关注。
对于空冷系统（图7a），HVAC可以作为热交换器来降低或升高BTM的进气温度，这可以增强空冷系统的性能。
对于基本液冷系统，主管道与HVAC系统连接作为二次冷却回路，以提高其性能（图7b）。
直接制冷剂冷却系统的结构图如图7d所示。
其工作原理类似于车辆的空调系统。
在该系统中，蒸发器与乘客室的蒸发器平行，被放置在电池组中。
经过膨胀阀后，液态制冷剂流入蒸发器，通过大量蒸发潜热直接冷却电池。
尽管该系统看似简单，但强大的性能使其被视为与液冷系统竞争的潜在候选者。
除了HVAC系统外，发动机产生的热量还可以通过将液体回路与发动机冷却系统连接来利用，这是HEV/PHEV的特殊结构（图7b、c）。
此外，PCM 可以与液体冷却相结合，以增强 BTM 的性能。
在该方案中，位于电池之间的PCM可以吸收电池产生的热量，液体冷却系统将为PCM去除多余的热量。
与HVAC结合，形成复杂的BTMS。
然而，VTM的优化是一项艰巨的工作，需要协调各子系统，满足节能、高效的要求。

图 7. 新能源汽车 BTM 示意图

( a )新能源汽车电池组风冷系统；

( b ) 结合液冷和 HVAC 的 BTM 示意图；

( c ) 结合液体、PCM 和 HVAC 的 BTM 示意图 ；

( d )基于直接制冷剂的冷却系统；

新能源汽车电池系统相关的火灾隐患引起了人们对电池热安全问题的日益关注。
虽然基于PCM和液直冷却的BTMS对电池组具有优越的热防护性能，但成本和重量限制了其在新能源汽车中的应用。

为了确保电池系统的安全运行，必须开发全面的热安全管理系统（TSMS）。
该系统的设计应能够在潜在的电池故障发生之前检测到它们，并在发生热失控时提供紧急冷却和灭火措施。
此外，应采用热障来防止热量和火焰传播到系统的其他部分或周围环境。

为了实现这些目标，TSMS应采用先进的监测和诊断技术，可用于检测异常温升、内部压力和电压等。
一些传感器，如光纤布拉格光栅（FBG）和内置柔性薄型传感器-薄膜传感器，已被提出。

一旦发生故障，应启动紧急冷却措施，以防止进一步过热和热失控。
这可能包括使用冷却风扇、液体冷却系统、HVAC 制冷剂系统或液氮/液氩/液氩/液态二氧化碳/R134a 喷雾系统。

如果确实发生火灾，热安全管理系统应具备灭火能力，能够迅速抑制火焰并防止其蔓延。
这可能包括使用灭火剂，例如水或泡沫，或激活电池系统本身内置的灭火系统。

最后，应采用热障来抑制 TR 过程中相邻电池之间的热传递。
诸如石棉绝缘材料、云母板和其他复合材料等材料被认为是热障的候选材料。
虽然隔热层可以在异常工作条件下提供出色的安全性能，但它也会破坏电池热管理系统（BTMS）的原始热传导路径。
因此，寻找传热与热安全之间的平衡是需要解决的重要问题。

总体而言，BTMS 和 TSMS 的协同设计对于电池系统的未来至关重要。
这两个系统可以确保电池系统的安全稳定运行，这对于新能源汽车行业的持续增长和成功至关重要。

新能源汽车环保节能，借助电池系统等储能装置，满足绿色节能的需求。
然而，该系统的可靠性、安全性和效率受到工作温度的严重影响。
BTMS 在减轻锂离子电池的热效应方面发挥着至关重要的作用，可以提高整个电池组的温度均匀性、延长电池的使用寿命并提高电池系统的安全性。

本质上，BTMS 分为三个主要类别：基于空气、基于液体或基于 PCM 的冷却系统。
本文详细回顾了每个类别最先进的 BTMS，并提出了将 BTMS 与 VTMS 集成的策略。
空气式系统结构简单、设计轻量化、节能，但冷却效率低、温度一致性差。
空气基 BTMS 的改进在很大程度上取决于空气路线和电池组中的电池布置。
详细讨论了三种代表性的风道设计（串联通风、并联通风和轴向空气强制流动）。
液基系统由于其高传热效率和紧凑性而广泛应用于新能源汽车中。
虽然直接接触式比间接接触式具有传热效率高、结构简单的优点，但对冷却介质的化学物理性能和电绝缘性能的要求限制了其应用。
间接模式在新能源汽车中很流行。
虽然低成本的基于PCM的系统可以为电池提供合适的工作温度，但液相材料的泄漏和导电性差是棘手的问题。
考虑添加添加剂或框架。
目前PCM最大的缺点是自重，会降低电池组的能量密度，对新能源汽车不友好。
此外，还描述了BTMS和VTMS相结合的新类别，其核心思想是明智地利用每个子系统的热源。
BTMS、发动机热管理和 HVAC 应同时使用。
揭示多热管理子系统的协同机制对于新能源汽车领域的更好应用具有巨大潜力。
在未来的工作中，TSMS应与BTMS集成，以切断电池组的TR传播，以制造更安全、更清洁、更高效的新能源汽车。