锂离子动力电池冷却技术分析与启示

锂离子动力电池冷却技术分析与启示

杨亮李亭亭张俊陈洪亮

东软睿驰汽车技术（沈阳）有限公司

摘要：在社会经济发展的背景下，生活质量急剧提高，新能源汽车作为一种旅游工具也备受关注和青睐，同时也给我国新能源汽车产业的发展和发展带来了机遇，但往往导致电池过热。电池冷却技术是一种电池过热问题的解决方案，它有助于分配和控制电池的热量，从而延长了电池寿命，本文从汽车的能量发展分析中提出了空气冷却电池技术、液体冷却电池技术、热管冷却电池技术、可变材料电池技术、热冷却技术、热冷却技术等。提供未来发展的基础。

关键词：锂离子；动力电池；冷却技术

引言

锂电池已成为目前最主要的二次电池，因其具有使用寿命长、比能量高、对环境友好等优点，已成为了电动汽车、船舶电力推进以及便携式设备的重要核心。但在其充放电过程中，由于材料内阻电化学反应产生大量热量，导致电池温度升高，会进一步加快热量生成，从而导致电池热失控。电池热失控会出现电解液分解，电池表现会出胀气、变形、泄露、燃烧、爆炸等后果，也是锂电池安全性不能保障的最主要原因。另外，过高的温度会加速锂离子电池的老化，影响电池的使用寿命。但大量锂离子电池成组使用时，结构紧凑，电池产热大，更容易积累大量热量，锂离子电池作为新能源汽车的重要组成部分，其工作时的稳定性和安全性直接影响到新能源汽车的使用性能。因而，锂离子电池组冷却技术是保障锂离子电池成组后性能发挥与安全的关键技术。常见的锂离子电池组冷却技术以风冷、液冷为主。

1风冷技术

风冷系统结构简单，重量轻，所以广泛地应用于电池的热管理系统。目前国内汽车厂商广泛采用风冷式散热，风冷是以低温空气为介质，利用空气和电池模组间的热对流，降低电池温度的一种散热方式。该散热方式虽然散热效率较液冷散热差，但结构相对简单、维护方便、研发成本较低，广泛应用于市场上的新能源车型。风冷按照通风方式可分为串行式风冷散热和并行式风冷散热。大部分电动车厂家电池组风冷方案均采用并行冷却方案。但由于气固对流换热系数低，风冷技术冷却效率难以大幅提高，受制约较严重。日产Leaf电池系统采用风冷技术作为其冷却方案，其功率密度低于200W/L；早期丰田普锐斯采用的并行风冷方案除了让冷却风平行的通过每只单体，还将车厢中的空调冷气抽进电池包，用于电池包风冷，通过增加介质-电池温差，以增强电池与空气的换热功率。在方形锂离子电池之间安置泡沫状铝板、金属导热槽、金属针板及金属褶皱板，组成三明治结构，均可以增加电池与空气的换热面积，从而强化锂离子电池组风冷效果。Enerl的Think City车型在每两片并联电池头部间均有中空铝制导热槽来增强冷却效果。

2锂离子电池冷却技术

2.1液体冷却电池技术

该技术具有使用高热容量和高温度系数的优点，主要用于通过液体介质有效降低电池温度，液体冷却介质(例如乙二醇、水和冷却介质)主要用于实现液体冷却效果的液体冷却介质可分为直接冷却和间接冷却，具体取决于直接冷却的接触方式-测试电池模块， 它们完全浸在绝缘冷却液中，通过直接接触间接冷却盘管的蓄冷器而冷却，被设置为冷却液流动的电池的外围，在这一过程中，冷却液通过对流和制冷介质降低电池的运行温度，这是一种新的电子冷却介质novec7000，它提供了传热和加热介质的方法， 新的电子冷却介质在新的高能效电池冷却系统中，电池的工作温度仍保持在约35°C，并且以前使用过的乙烯介质在几个周期内会提高电池的工作温度。

2.2制冷剂直接冷却技术

直接冷却技术(也称为直接冷却技术)是一种新的有效的电池热量控制方法，其基础是散热器通过直接冷却技术吸收电池产生的热量，直接冷却技术的冷却板通常连接到内部蒸发系统，并通过前门控制散热，例如电动膨胀阀冷却系统通常由直接电池板、压缩机、冷凝器、蒸汽和直接冷却阀组成，从而与空调共享电池的冷却周期。简化了设计，提高了直接冷却技术的冷却效率，现已应用于宝马i3、X5、奔驰S400、Biadi Dolphin、奥迪A6和其他直接冷却模型，具有热效率高、结构简单的优点，但与液体冷却相比，良好的温度控制和均匀的冷却装置具有较低的导电性，可防止电池短路，并在电动汽车碰撞时导致冷却液泄漏，即使电池严重损坏， 制冷剂泄漏不会导致电池燃烧的风险，直接冷却技术有很好的发展前景，但具有复杂而昂贵的缺点，即电池板在系统中充当蒸发器和冷凝器，其内部流动阻力、分布设计等因素影响电池的热均匀性。 直接冷却板的结构应进行优化，以提高直接冷却技术的整体冷却系统性能，而且直接冷却技术无法将热量传递给电池，因此无法有效地加热电池，因此需要额外的散热元件来设计双功能的低温或高温电池冷却通道系统是未来直接冷却技术研究的关键点之一。设计合理的控制策略，克服电池与机箱之间的冲突。

2.3热管冷却电池技术

热管冷却技术有助于冷却多个空心管密封，填充空心管的相位工作物质，使带有热管的蒸汽和冷却电池能够从蒸发器中吸收热量，从而使处于封闭状态的管腔内液体在蒸发后产生一定的压力，并释放出重新凝结成液体的热量，然后再循环利用， 为了根据使用原理进行冷却，热管道研究侧重于模型优化系统、基于性能的模型评估以及不同反应介质中的数据组合，在这些介质中，数据和实际参数的变化以及冷却使用热管道测试平台来研究锂离子电池的单个交流冷却效率，并在不同温度下获得低气流冷却条件，这是因为冷却机制在不影响内部温度的情况下更好地吸收热量，并且能够对管道中的温度进行精确控制。

3启示

锂离子电池组冷却技术能保证电池组在安全温度范围内运行，是保障锂离子电池成组后性能发挥与安全工作的关键。目前，锂离子电池组风冷与液冷技术已十分成熟，在车用锂离子电池组上已广泛使用。车用领域对加速性能要求较高，因此电池包单位体积功率密度较大，在400~700W/L左右，电池最大放电倍率大，约3C左右。风冷结构简单，便于维护且成本较低，在早期的新能源汽车中应用广泛，但由于气体传热固有劣势，导致冷却效果和温差的控制难以满足锂离子电池大规模成组要求，电池组总能量不高，逐渐不能满足新能源汽车续航里程的市场需求，目前更多应用于电动巴士、电动物流车中。相较而言，液冷冷却系统较为复杂，对使用环境要求更高，但冷却效果优异，液体介质的换热系数高、热容量大、冷却速度快，对降低最高温度、提升电池组温度场一致性的效果显著，且热管理系统的体积相较风冷技术更小，目前已逐渐成为中高端新能源汽车冷却方案的主流选择，随着液冷技术的不断发展，将成为新能源汽车首选冷却方案。

结束语

相比于电动汽车，新能源船舶对电池的额定能量要求更高，对加速性能需求不大，且有更大的电池舱空间，液冷技术相比风冷经济性更差，因此目前新能源船舶多采用风冷或强制风冷技术进行电池冷却。随着新能源船舶的不断发展，对电能需求的进一步增加，液冷技术因其更高的冷却效率会逐步取代风冷，未来液冷技术成本降低后，将会成为新能源船舶的主流冷却方案。

参考文献

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