动力锂电池冷却技术进展

易志威，陈亚东，张黎星

(珠海格力精密模具有限公司，广东 珠海 519000)

锂离子电池具有单体电压高、能量密度大、无记忆效应、循环寿命长等优势[1-2]，但动力锂离子电池在工作中发热严重，电池组冷却问题是制约动力电池发展的一个重要因素。由于布置空间有限，动力锂离子电池必须成组密排设计，电池组内部产生的热量容易积聚，造成电池组局部过热，进而导致电池组一致性变差、整体性能大幅衰减，甚至“热失控”[3]。因此，设计合理的冷却系统维持电池组合适的工作温度是保障电池组稳定工作的必要条件[4]。本文就动力锂电池冷却技术的现状及趋势进行介绍。

1 传统冷却技术

1.1 风冷技术

风冷是最经济、简单的冷却方式。风源的引入有两种形式：①自然风冷。将车辆行驶中产生的迎风风流通过导流管直接导入电池组冷却通道。这种方法不需要辅助电机设备，结构简单，但是气流不稳定，冷却效果受车速影响较大。②强制风冷。采用轴流风机抽吸外界空气为电池组提供冷却气流。这种方式能够提供稳定的冷却气流，但是结构相对复杂；根据引入的气流类型，又可以分为环境风冷却和空调风冷却两种形式。

强制风冷的流道设计主要有串行和并行两种结构，如图1所示。串行流通时，冷却空气从电池箱进风口流入，依次接触所有电池后从出风口流出。由于与电池接触传热，冷却空气在流动的过程中温度逐渐上升，导致越后排的电池散热效果越差，进而造成电池组的温度分布不均、一致性变差；并行流通时，冷却空气从电池组底部流入上部流出，电池组受风均匀，各单体电池换热条件相近，有利于电池模块间快速均匀散热。

(a) 串行通风结构 (b) 并行通风结构

图1 强制风冷流道结构

目前，对于放电倍率、进风口设置、进风风速等因素对电池箱整体温度分布及电池单体温度均一性的影响，行业内已经进行了大量的实验或模拟分析研究[5]。主要结论概括如下:

1) 强制风冷对降低电池组最高温度效果显著，但由于空气较低的导热系数和电池组的密集排列，使得电池单体温度的均一性很难得到保障。此外，电池组温度分布受到空气流场的影响，进风口一侧整体温度较低，出风口一侧整体温度较高，并且中心点最高温度向出风口一侧电池偏移。

2) 中低放电倍率(1/3 C和2/3 C)情况下，提高进风风速或者降低进风温度可以显著降低电池组整体温度并改善整体温差。

3) 较高放电倍率(1 C)情况下，仅提高进风风速或降低进风温度虽然可以显著降低电池组整体温度，但是电池组最高温度、电池组温差及电池单体温度分布已经难以满足电池安全运行的需求。

随着对风冷技术研究的不断深入，出现了较多具有良好散热能力的风冷箱体设计。通过改变电池模块排列方式和流道结构，增加空气与电池的接触面积和接触时间，如顺序排列、交错排列、梯形排列、梅花形排列、蛇形流道等[6]，如图2所示。另外，往复式空气冷却系统(如图3所示)可以周期性改变空气流向，不同的空气流场在电池表面形成不同的边界层，增强换热能力，对降低电池组最高温度具有显著效果[7]。风冷技术虽然结构简单，便于维护，但已无法满足日益苛刻的动力电池组冷却需求。

(a) 顺序排列 (b) 交错排列 (c) 梯形排列

图2 电池模块排列方式

图3 往复式空气冷却系统示意图

1.2 液冷技术

液冷技术以其高导热系数、高热容及与固体间的高对流换热系数等特性，对降低电池组最高温度、改善温度均一性效果显著，正逐渐取代风冷成为主流的动力电池冷却技术。目前，国内已出现了大量关于动力电池系统液冷装置的专利设计方案[8-11]。

按冷却液与电池接触方式，动力电池液冷技术可分为直接接触式与间接接触式两种。直接接触式冷却是冷却液直接接触单体电池表面，通过接触传热对电池组进行冷却，要求冷却液绝缘且导热系数较高(比如硅基油、矿物油)，并且冷却装置密封性要求较高。但是由于常用的冷却介质的粘度较大，使得介质流速受到限制，该种冷却方式的冷却效果不尽如人意。间接接触式冷却是在冷却液与电池间插入一层具有高导热率的导热材料，如图4所示，通过导热材料传热进行冷却。间接接触式冷却可以根据实际情况调整导热材料的材质、形状、尺寸，并且可以采用绝缘性较低的水、乙二醇水溶液作为冷却液。但是该方法对管道的密封性要求较高，使得整个散热系统的结构比较复杂，维护不便，并且需要额外消耗大量能量来推动冷却液循环。

图4 间接接触式冷却

与空气风冷相比，液冷系统不仅换热效率显著提高，而且密封设计的电池箱能够满足车辆对涉水安全性的严苛要求。目前，商用液冷技术常采用冷却管与电池紧密接触的冷却方案：第一种是在电池单体间直接插入“冷板”，呈类似于“三明治”的结构，可以将电池组温度控制在35 ℃以下[12]；第二种是将包含中空冷却管的圆弧形电池冷却带贴合在两列圆柱电池之间，特斯拉Roadster电池组冷却方案是此种结构的代表，如图5(a)所示；图5(b)为另一种液冷装置，电池冷却带呈波浪状，波谷处具有圆弧状凹陷部位，圆柱形电池安装于凹陷部位[13]。

2 新型冷却技术

目前研究较多的新型冷却技术包括热管冷却、相变材料冷却以及基于热管和相变材料耦合冷却。

2.1 热管冷却技术

热管是一种密封结构的空心管，两端分别为蒸发端和冷凝端。热管一般被抽成真空，里面注入低沸点的液体。通过管内液体吸热汽化时产生的压力差及毛细作用原理实现管内冷却液的循环流动，如图6(a)所示。热管可以分为重力热管、脉动热管和烧结热管等种类。

(a)热管式电池冷却系统结构图 (b)单体锂离子电池热管耦合散热模组

图6 热管系统及散热模组

最简单的热管冷却结构是将热管直接插入电池间将热量导出，但由于接触面积限制，其热端导热和冷端散热均较慢，冷却效果有限。改进的热管则分别将其热端、冷端与翅片相连以增加接触面积，加快传热与散热。热管冷却需根据电池组运行负荷的大小和外界环境温度的高低选择合适的冷却介质。低运行负荷的电池组可以选用水和正戊烷的混合物作为冷却介质，当环境温度高于40 ℃时，以甲醇作为冷却介质效果较好。

热管可进行有效的传热，但在长时间使用时仍然面临冷凝端散热不及时的问题，因此热管与其他冷却方式耦合使用的方法应运而生，如热管-空气冷却、热管-液体冷却等。一款类似的散热模组如图6(b)所示，采用风冷与热管模组结合散热的方式，使得电池表面温度可降低到36 ℃，随着电池组的工作，在放电后期温度场达到稳态[14]。

2.2 相变材料冷却

相变材料(PCM)冷却是利用相变过程中吸收大量的热，但材料本身温度变化不大，从而有效吸收动力电池工作过程中产生的热量，保证电池组工作温度稳定和单体电池温度均匀。PCM需要满足以下要求：①相转变温度在电池组工作温度范围内；②高比热、高热传导；③体积膨胀小，严寒环境下不结冰；④安全、化学稳定性强；⑤成本低。实际上能同时满足上述要求的PCM基本不存在，因为大部分PCM的热传导能力都比较低。常用的解决办法有：①在PCM中添加高导热系数添加物，如碳纤维、铝粉、纳米材料；②将PCM吸收进多孔泡沫金属或膨胀石墨基体中形成复合材料；③在PCM中添加球形金属颗粒或针状金属。

PCM冷却结构简单、节省空间、相变潜热大，可以有效控制电池组最高温度、降低温差，改善温度均一性，并且相变材料可以在低温环境下对电池进行加热，实现吸热、放热双向控制。但PCM散热较慢，长时间高负荷运行后热量来不及散出，会导致PCM完全融化，失去冷却能力。将相变材料与传统冷却技术进行耦合，可有效改善PCM积热问题。基于PCM 耦合的冷却技术是利用PCM 介质吸收电池组工作产生的热量，然后通过传统冷却技术对PCM进行散热，实现PCM长时间高效率工作。例如将风冷、翅片、石蜡、热管等冷却技术进行耦合，设计了复合冷却模块，经测试在放电倍率为5 C、热管翅片侧向空气流速为1 m/s时，可以始终保持电池工作温度在50 ℃以下，实现了大放电倍率下电池组安全高效的工作。

3 结束语

传统的风冷、液冷冷却技术方案较为成熟，但风冷技术难以保证电池组整体的温度均一性，并且风冷结构是开放式的，密封、防护性能不足；而液冷技术结构相对复杂，存在漏液的风险，维护成本高。热管和PCM等新型冷却技术能够很好地控制电池组的最高温度和温度均一性，但是目前只适用于小模块动力电池冷却，大规模成组应用还有待进一步研究。将热管和PCM冷却技术与传统冷却技术进行耦合能够发挥各自所长，避免各自所短，是动力锂电池冷却技术发展的方向之一。