电动汽车电池热管理系统进展与挑战：综述与未来展望

本文系统梳理了当前 BTMS 技术现状，重点分析被动式、主动式与混合式三类热管理策略：被动式系统（如相变材料、导热材料）虽结构简单、能耗低，但高功率场景下散热能力有限；主动式系统（如强制风冷、液冷）散热效率更高，却需复杂设计与额外能耗；混合式系统融合前两类优势，更适配多工况需求。同时，本文指出高能量密度电池、快充技术及固态电池、锂硫电池等新型电池技术带来的挑战，并结合当前研究现状提出未来发展方向，为 BTMS 优化设计提供参考。

一、引言：为何 BTMS 对电动汽车至关重要？
锂离子电池作为电动汽车核心储能部件，其性能、安全性与寿命高度依赖温度控制。电池充放电产热若未有效管理，将引发热失控（可能起火爆炸）、性能衰减（容量与效率降低）、火灾隐患三大风险。

电池热管理系统（BTMS）旨在将电池包温度维持在 25-40℃理想区间，其性能直接决定车辆续航、充电效率与动力输出，优化后可提升续航达 25%。此外，不同电池类型对 BTMS 需求存在显著差异：磷酸铁锂电池热稳定性好，管理要求较低；三元锂电池能量密度高但产热剧烈，需更高效散热方案。本文将综述现有 BTMS 技术，剖析其优劣，探索技术突破方向。

二、被动式 BTMS：无能耗但受限于低功率场景
被动式 BTMS 依靠自然物理过程调控温度，具备无额外能耗、成本低、结构简单的优势，但难以满足高能量密度与快充场景的散热需求。该系统主要包含自然对流、导热材料与相变材料（PCM）三类技术：

自然对流：早期基础散热方式，利用空气浮力实现热交换。通过优化电池包布局和外壳设计促进空气流动，但空气导热系数低（0.026W/m・K），仅适用于小容量电池等低功率场景，高电流放电时易导致温度失控，目前应用较少。

导热材料：采用铝、铜、石墨等材料构建热传导路径，如石墨片（导热性约 1500W/m・K）用于界面填充。但材料导热系数存在上限（纯铝约 237W/m・K），高功率场景下需与其他散热方式配合使用。

相变材料（PCM）

特性与应用：PCM 相变时吸收大量潜热（如石蜡类超 200kJ/kg），通过显热 - 潜热转换抑制温度上升，圆柱形电池采用包裹式、方形电池采用间隙填充式。

复合优化：通过添加膨胀石墨等材料提升导热性能，如膨胀石墨微封装无机 PCM 导热系数可达 4.96W/m・K。

应用局限：存在填充增重、多层结构依赖强制对流等问题，尚未大规模应用于电动汽车。

图1.PCM的常见结构。(a)圆柱形电池的PCM结构；(b)方形电池的PCM结构。
三、主动式 BTMS：高散热能力适配高功率需求
主动式 BTMS 通过外部能量驱动（如风扇、水泵）强化热交换，散热能力远优于被动式，适用于高功率电池包与快充场景，主要包括强制风冷、液冷与热管三类技术，其中液冷是当前主流方案。

（一）强制风冷：结构简单的主动散热
强制风冷通过增设风扇或鼓风机，增强空气流动以提升散热效率，其核心优化方向聚焦于电池布局、流道设计与气流路径三方面：

电池布局：研究表明，圆柱形电池交错排列时，最高温升与纵向间距正相关，对齐排列则呈负相关，且横向间距增大会导致温度升高；方形排列且进气口设于电池包顶部时，风冷效果最佳 。

流道设计：“Z 型” 流道优化进出口为锥形可减少压力损失、提升温度均匀性；融合 “U 型” 与 “Z 型” 优势的 “J 型” 流道，能使电池温升降低 31.1% 。

气流路径：反向分层气流（RLAF）与往复气流可提升温度均匀性，RLAF 比单向气流（UDAF）的电池温差降低 15%，往复气流能使电池最高温度降低 1.5℃、温差降低 4℃ 。

图2.三种不同形式的气流通道。(a)Z形；(b)U形；(c)J形。
强制风冷虽具备成本低、易维护的优势，但因空气导热系数低，在高温环境与快充场景下散热能力受限，且风扇运行会产生噪音与能耗，目前主要应用于入门级电动汽车。

（二）液冷：当前高功率场景主流方案
液冷利用 coolant（如水、乙二醇溶液）的高导热性（水的导热系数约 0.6W/m・K，是空气的 23 倍）实现高效散热，分为间接冷却与直接冷却两类，间接冷却因安全性高成为当前主流。

间接冷却：采用冷板、蜂窝结构或嵌入式管道，使冷却液与电池间接接触。冷板适配不同电池形状，如平板冷板用于方形电池，蜂窝冷板用于圆柱形电池间隙。

冷却液选择：水 - 乙二醇溶液适用于低温（冰点 - 40℃），铜基 nanofluid 导热性优（比纯水高 30%+），但存在颗粒沉降问题。

流道设计：蛇形、六边形流道散热佳，流线型微通道可减阻。

系统结构：多冷板布局提升温度均匀性，如三冷板系统可使峰值温度降 13.3%、温差降 43.3%（钱等，2016） 。

直接冷却：将电池浸入绝缘 coolant 中，接触面积大且散热均匀，但对 coolant 绝缘性要求极高（需避免短路），目前尚未大规模应用。

图3.间接液冷系统工作原理
液冷散热效率高、噪音低，是当前中高端电动汽车的主流选择（如特斯拉 Model 3、比亚迪汉），但结构复杂、占用空间大，且存在 coolant 泄漏风险。

（三）热管：高效被动 - 主动结合技术
热管利用工质相变实现高效热传递，导热系数超 10⁴W/m・K，兼具被动无能耗与主动高散热优势。其工作原理为：蒸发段吸热使工质汽化→蒸汽流向冷凝段→释放潜热后冷凝→经毛细力或重力回流蒸发段，循环散热。

研究应用：常与其他散热方式结合用于电动汽车电池，如波纹铝套连接电池与热管可降温 8℃，增加热管数量能降低温度与温差（8 根后效果趋缓）。但存在集成难度大、成本高问题，目前仍处于实验阶段。

图4.热管工作原理。
四、混合式 BTMS：融合优势但待突破工程瓶颈
单一散热方式难以满足复杂工况需求，混合式 BTMS 融合两种及以上技术，以 “液冷为核心 + 其他技术辅助” 为主流，平衡散热效率与能耗，主要包括液冷 - 风冷、液冷 - PCM、液冷 - 热管三类组合：

液冷 - 风冷：结构简单且散热能力强，风扇辅助驱散液冷冷板余热，但存在电池内部温差超安全阈值问题。

液冷 - PCM：利用 PCM 潜热储热降低液冷能耗，实现 PCM 再生后能耗可较纯液冷降低 20% 。

液冷 - 热管：借助热管高导热性提升温度均匀性，采用间歇式冷却策略可降低 30% 能耗。

图5.几种常见的混合冷却系统。_(a)液体冷却/空气冷却；(b)液体冷却/相变材料；(c)液体冷却/热管。_
尽管混合式 BTMS 散热效果优异，但存在增加电池包重量（如 PCM 添加使重量增加 15%-20%）、成本与设计复杂度等问题，目前仍处于理论研究阶段，未应用于量产车型。

五、当前挑战：高功率与新技术带来的难题
随着电池技术发展，BTMS 面临三大核心挑战：

高能量密度电池与快充：高能量密度电池产热速率是传统电池 2-3 倍，存在局部热点；4C 快充等技术加剧产热。当前 BTMS 在有限空间内难以布置高效散热结构，且系统能耗与散热需求矛盾突出，影响车辆续航。

新型电池技术：固态电池电解质导热差、界面易过热；锂硫电池产热复杂且低温性能差。现有 BTMS 无法适配，需开发专属优化方案。

系统集成与耐久性：BTMS 与车辆空调共享资源，极端工况易竞争；需在车辆全生命周期内保持稳定，但目前缺乏长期耐久性测试数据，存在泄漏、老化等安全隐患 。

六、未来方向：高效、智能、轻量化发展
未来 BTMS 将聚焦四大发展方向：

全局能量协同管理：从单一组件优化转向整车协同，利用热泵技术回收余热，提升冬季能量利用率

智能温度预测控制：基于用户行为与环境数据，提前调控电池温度，降低能耗与充电时长

嵌入式散热结构：集成冷却通道至电池模块，采用双面冷却等设计，兼顾散热与轻量化

新型材料应用：开发高导热 PCM、耐高温电解质及低阻抗材料，平衡散热与电池性能

七、总结
BTMS 是电动汽车安全与性能的核心保障，当前被动式系统适用于低功率场景，主动式液冷是高功率主流方案，混合式系统虽效果最优但仍处研发阶段。面对高能量密度电池、快充与新型电池技术的挑战，未来需通过系统协同、智能控制、结构创新与材料突破，实现 BTMS 的高效化、轻量化与智能化，为电动汽车续航与安全提升提供支撑。

核心来源：
Wen, T.; Zhou, Z.; Zhang, Y.; Xu, X. Advances and Challenges in the Battery Thermal Management Systems of Electric Vehicles. Materials2025, 18, 4718.