動力鋰離子電池具有高能量密度、長循環(huán)壽命、低自放電率和無記憶效應等優(yōu)點，廣泛應用于電動汽車、電動工具和航空航天等領域。2021年電動汽車銷量預計超過340萬輛，動力鋰電池在汽車行業(yè)已得到大規(guī)模應用。

 

動力鋰電池的能量密度高達200~400 Wh/kg，大多應用于交通運輸領域，屬于人員活動區(qū)域。溫度是安全運行的關鍵因素，采用有效的熱管理系統(tǒng)是防止鋰電池過熱的關鍵。
動力鋰電池熱失效的原因和機理
動力鋰電池的熱失控問題通常是由電因素、熱因素和機械因素3種因素單獨或耦合誘發(fā)的。圖1為鋰電池在熱失控過程中的連鎖反應機理。
? ? ? ?動力鋰離子電池的5種冷卻技術(shù)?圖1 ?鋰電池在熱失控過程中的連鎖反應機理
在濫用條件下，鋰電池溫度異常升高時，材料發(fā)生分解等一系列連鎖反應，鋰電池會因內(nèi)部短路即刻釋放電能，進而熱失控，引起電解質(zhì)燃燒。研究發(fā)現(xiàn)，鋰電池單體熱失控釋放的總能量中，有42%來自電能轉(zhuǎn)化，其他大多源于內(nèi)部材料的分解等反應釋放的熱量。因此，鋰電池的容量越大，熱失控過程中釋放的能量就越多，更易造成較大的危害。
鋰電池熱管理系統(tǒng)關系到人員及車輛安全，還有電池壽命等，非常重要。
動力鋰電池熱管理的五種冷卻方法
動力電池熱管理系統(tǒng)包括主動式和被動式，主動式熱管理包括空氣冷卻、液體冷卻、制冷劑式冷卻；被動式熱管理包括自然冷卻、熱管冷卻和相變材料。
保證鋰電池處于適宜的溫度范圍，進行熱管理是非常重要的。鋰電池熱管理技術(shù)主要包括空氣冷卻、液體冷卻、熱管冷卻、相變冷卻和復合冷卻等5種技術(shù)。
目前，有關空氣冷卻和液體冷卻的研究較多，已實現(xiàn)規(guī)?；瘧?；而熱管冷卻和相變冷卻還處于研究階段；復合冷卻技術(shù)可以綜合兩種及以上熱管理技術(shù)的優(yōu)點，顯示出更優(yōu)良的冷卻效果。
一、空氣冷卻
空氣冷卻也稱為風冷系統(tǒng)，利用空氣作為熱量交換載體， 起到控制分配動力電池系統(tǒng)內(nèi)部溫度的作用。根據(jù)散熱通風方式，空氣冷卻又分為串行通風和并行通風，如圖 2 所示。
? ? ? ?動力鋰離子電池的5種冷卻技術(shù)
圖2 ?空氣冷卻示意圖
然而，空氣冷卻技術(shù)存在導熱系數(shù)低、消耗額外功、對電池組溫均性控制效果差等缺點。由于動力鋰電池向高能量密度發(fā)展的趨勢，空氣冷卻逐漸難以滿足熱管理技術(shù)要求。
二、液體冷卻
液體冷卻又稱液冷系統(tǒng)，利用冷卻液作為熱量交換載體, 起到控制分配動力電池系統(tǒng)內(nèi)部溫度的作用。該系統(tǒng)通常利用水泵和管道完成冷卻液在電池系統(tǒng)內(nèi)的流動，分為直接接觸式和間接接觸式。
直接接觸冷卻是將電池組直接浸在冷卻液體中；非直接接觸冷卻是在電池模塊間排布管路或在電池組內(nèi)布置夾套，液體在內(nèi)部流動而吸收并帶走熱量。?動力鋰離子電池的5種冷卻技術(shù)圖3 液體冷卻板示意圖
在冷卻板的研究方面，有人設計了楔形通道冷板，并為電池組設計分支結(jié)構(gòu)。在液體流量研究方面，有人研究了冷卻液質(zhì)量流量的影響，當冷卻液以1 g/s 質(zhì)量流量流動時，冷卻效果最好。
在制冷劑和管路設計方面，將兩相制冷劑用于液冷熱管理系統(tǒng)，與傳統(tǒng)液冷系統(tǒng)比較，可將電池組最高溫度控制在 45 ℃以下，在老化過程中，將電池容量提升 16.1%。另外，基于半螺旋導管的液冷系統(tǒng)，將電池組最高溫度控制在 30.9 ℃，溫差為 4.3 ℃?；谝后w冷卻電池熱管理技術(shù)的各研究參數(shù)見表 2。
? ? ??動力鋰離子電池的5種冷卻技術(shù)? ? ? ? ?
液體冷卻具有冷卻效率高、導熱系數(shù)大、可提高電池組的溫度一致性等優(yōu)點。冷卻管在控制電池溫均性上，較冷卻板更好，這是由于冷卻管設置在電池模塊間，這使得電池與冷卻管接觸的區(qū)域不局限于底部，進而使得電池各位置都能得到有效冷卻，減小溫差。
由于液體泄漏可能導致電池短路，因此對液體冷卻的密封性要求很高，這是液體冷卻存在的安全問題。同時，液體冷卻會增加整個鋰電池系統(tǒng)的自重，不利于動力鋰電池的輕量化趨勢。
三、熱管冷卻
熱管冷卻是利用相變實現(xiàn)熱傳導的熱管理系統(tǒng)。熱管由蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段組成。密封空管內(nèi)的介質(zhì)在蒸發(fā)階段會吸收電池產(chǎn)生的熱量，再通過冷凝段把熱量傳遞給外部環(huán)境， 達到使電池組迅速降溫的效果。熱管的種類有：重力熱管、脈動熱管、燒結(jié)熱管等。
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在熱管結(jié)構(gòu)的研究方面，有人提出一種基于環(huán)路熱管與藕狀多孔銅芯的電池熱管理系統(tǒng)，將凝汽器冷卻液溫度保持在28℃，當產(chǎn)熱量為 20 W 時，電池表面溫度在50℃以下。
在新型熱管的研究方面，有人使用微型熱管陣列設計熱管理系統(tǒng)，在2 C的充放電倍率下，電池組溫度降到40℃以下，電池表面間溫差低于5℃?；跓峁芾鋮s電池熱管理技術(shù)的各研究參數(shù)見表3。
? ? ? ?動力鋰離子電池的5種冷卻技術(shù)? ? ? ? ?
與空氣冷卻和液體冷卻方式相比，熱管冷卻效率較高，但在溫度均勻性上表現(xiàn)效果一般，這是由于目前使用的熱管結(jié)構(gòu)復雜，不能有效地使電池每個部位都能得到散熱。復雜的熱管結(jié)構(gòu)不能與電池良好匹配，還會增加整個電池系統(tǒng)的體積。此外，熱管冷卻還存在制造成本高、安裝較復雜、長期使用后傳熱性能下降的缺點。
因此，目前熱管冷卻還不適合大規(guī)模應用于動力鋰電池熱管理系統(tǒng)，應向小型化、簡單化發(fā)展，提高熱管冷卻系統(tǒng)的普適性是今后的發(fā)展目標。
四、相變材料冷卻
相變材料是一種能夠在一定溫度范圍內(nèi)改變自身物理狀態(tài)的材料。相變材料分為有機相變材料、無機相變材料和復合相變材料。相變冷卻是利用相變材料的相變潛熱吸收熱量的被動式冷卻方式，石蠟是一種研究較多的相變材料。?
動力鋰離子電池的5種冷卻技術(shù)圖5 相變材料冷卻示意圖
有研究首次將相變材料應用于鋰電池熱管理系統(tǒng)，相變冷卻的電池溫度比自然冷卻低 8℃。石蠟/膨脹石墨組成的電池熱管理系統(tǒng)，電池組最高溫度遠低于強制對流達到的溫度。另外，石蠟RT44HC/膨脹石墨復合材料可明顯降低電池間溫差，提高溫均性。膨脹石墨/泡沫銅二元骨架材料可將最高溫度控制在48.0℃，溫差為3.9℃。
此外，還有將其他材料與相變材料復合，如將相變材料放入翅片結(jié)構(gòu)，電池溫度降低了 9.28%。還有研究將相變材料與微小通道耦合。基于相變材料冷卻電池熱管理技術(shù)的各研究參數(shù)見表4。? ? ? ?動力鋰離子電池的5種冷卻技術(shù)? ? ? ? ?
相變冷卻具有散熱速度快、控溫均勻性高、低溫保溫等優(yōu)點，還可根據(jù)相變材料種類、將相變材料與其他材料復合等手段提高理化性能。采用相變材料冷卻可以減少電池系統(tǒng)占用的空間，且不會額外消耗電池的能量。
與其他3種熱管理方式相比，相變材料冷卻的綜合性能最優(yōu)，但也存在導熱系數(shù)低、易泄漏等缺點。如果將相變冷卻與其他熱管理方式相結(jié)合，及時將相變材料吸收的熱量散失到外界環(huán)境中，則可持續(xù)發(fā)揮相變材料的冷卻作用。
五、復合冷卻
除了上述的單一鋰電池熱管理技術(shù)，還可以將多種熱管理技術(shù)復合，取長補短，可有效克服單一熱管理技術(shù)的缺點，發(fā)揮各自的優(yōu)點，達到更好的熱管理效果。目前，大多將主動式和被動式熱管理技術(shù)復合使用。
在相變材料復合空氣冷卻的研究方面，將相變材料和強制空氣對流復合的熱管理系統(tǒng)，在3C充放電倍率下，與單一被動式熱管理相比，電池組最大溫度下降16℃，最大溫差下降了1.2℃。
在相變材料復合熱管冷卻的研究方面，有人設計熱管復合相變材料的熱管理系統(tǒng)，在5 C 的放電倍率下，電池組最高溫度控制在50℃以下。
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因此，將相變材料與空氣冷卻、液體冷卻或熱管冷卻等熱管理方式相結(jié)合，可以發(fā)揮相變材料的高相變潛熱，同時彌補相變材料導熱系數(shù)低的問題，但復合的方式使得熱管理系統(tǒng)的質(zhì)量增加、結(jié)構(gòu)變復雜。因此，需要根據(jù)電池組的規(guī)格和運行環(huán)境，并結(jié)合經(jīng)濟效益來制定相應的熱管理策略。
總結(jié)與展望
高能量密度和長循環(huán)壽命是動力鋰電池的發(fā)展趨勢，合適的工作溫度是確保鋰電池性能和壽命的關鍵因素，因此，有效的電池熱管理具有重要意義。
目前，空氣冷卻和液體冷卻是動力鋰電池主要的熱管理方式，而熱管冷卻和相變冷卻是新型熱管理方式。隨著鋰電池容量和充放電速率的增加，單一的熱管理技術(shù)已難以滿足使用要求，多種熱管理技術(shù)耦合可以相互補充，是未來熱管理技術(shù)發(fā)展的趨勢。
在相變冷卻熱管理技術(shù)的研究上，除了考慮相變材料的儲熱、導熱等性能外，還應考慮相變材料在鋰電池熱管理失效后的火安全性問題，加強對相變材料燃燒性能、阻燃技術(shù)等的關注和研究。
熱管理系統(tǒng)不管采用哪種冷卻方法，都需要材料作為載體，其中一些冷卻方式需要管路作為冷卻介質(zhì)的儲存和運輸通道，嚴苛的工作條件對管路的設計和選材也帶來了新的挑戰(zhàn)。目前，管路的材料正出現(xiàn)由金屬和橡膠向尼龍和TPV轉(zhuǎn)變的趨勢。

參考閱讀：新能源汽車冷卻管路材質(zhì)趨勢：尼龍和TPV將淘汰金屬和橡膠

參考資料：動力鋰離子電池熱管理技術(shù)研究進展，賀元驊等

原文始發(fā)于微信公眾號（鋰電產(chǎn)業(yè)通）：動力鋰離子電池的5種冷卻技術(shù)

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作者 li, meiyong

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