鋰離子電池組冷卻技術(shù)研究進(jìn)展

胡棋威，李文斌，王兆聰

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢430064）

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鋰離子電池組冷卻技術(shù)研究進(jìn)展

胡棋威，李文斌，王兆聰

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢430064）

摘 要：鋰離子電池在電動汽車、船舶電力推進(jìn)等領(lǐng)域前景十分廣闊。然而鋰離子電池大規(guī)模成組使用時，熱問題凸顯，制約了鋰離子電池在上述領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。鋰離子電池組冷卻技術(shù)能保證電池組在安全溫度范圍內(nèi)運(yùn)行，是保障鋰離子電池成組后性能發(fā)揮與安全工作的關(guān)鍵技術(shù)。該文將當(dāng)前鋰離子電池組冷卻技術(shù)分為風(fēng)冷、水冷、新型冷卻技術(shù)和耦合冷卻，并分別概述了每種冷卻技術(shù)的研究進(jìn)展與結(jié)構(gòu)改進(jìn)。

關(guān)鍵詞：鋰離子電池 電池組 冷卻技術(shù)

0 引言

電動汽車、船舶電力推進(jìn)等領(lǐng)域均要求電池具有大能量密度與大功率密度。而鋰離子電池恰好滿足這些要求，前景十分光明。然而上述領(lǐng)域中，必須將大量鋰離子電池成組使用，電池組使用工況惡劣，且結(jié)構(gòu)緊湊，因而電池產(chǎn)熱大，熱量易積累，電池組容易局部過熱或溫度不均勻，進(jìn)而容易導(dǎo)致電池性能衰減、一致性變差，甚至“熱失控”。冷卻技術(shù)，不僅能保證電池組在較低的溫度范圍內(nèi)工作，大大延緩電池性能衰減，并避免電池發(fā)生“熱失控”；而且還能通過減小電池組溫度梯度，來延緩組內(nèi)電池一致性差異的變大，從而保障電池匹配成組下的性能與安全。因而，鋰離子電池組冷卻技術(shù)是保障鋰離子電池成組后性能發(fā)揮與安全的關(guān)鍵技術(shù)。鋰離子電池組傳統(tǒng)冷卻技術(shù)以風(fēng)冷、液冷為主。而當(dāng)前冷卻技術(shù)的發(fā)展集中在三個方向：傳統(tǒng)冷卻方式的結(jié)構(gòu)研究與改進(jìn)，發(fā)展新型冷卻技術(shù)，將新型冷卻與傳統(tǒng)冷卻方式耦合應(yīng)用。

1 傳統(tǒng)冷卻技術(shù)結(jié)構(gòu)研究與改進(jìn)

風(fēng)冷是鋰離子電池組最簡易，最常見的冷卻技術(shù)之一。但其冷卻效果和溫度均一性均難以滿足動力電源對冷卻系統(tǒng)日益苛刻的要求。液體導(dǎo)熱系數(shù)、熱容，與固體間的對流換熱系數(shù)均大幅高于氣體，因而液冷冷卻效率比風(fēng)冷高的多，并逐漸取代風(fēng)冷，成為最常見的鋰離子動力電池冷卻技術(shù)。

如圖1，文獻(xiàn)[1,2]將鋁板或其它導(dǎo)熱材料插在方形鋰離子電池之間，組成“三明治”結(jié)構(gòu)，再將電池間導(dǎo)熱材料與埋有蜿蜒液冷流道的“冷板”緊密固定，從而將電池?zé)崃客ㄟ^鋁板間接地傳遞給冷卻液。其中文獻(xiàn)[1]的水冷系統(tǒng)將電池模塊溫度控制在35℃以下。這種水冷結(jié)構(gòu)冷卻管道長度小，復(fù)雜度低，冷卻系統(tǒng)耗能小。

而目前工業(yè)化做法，則采用冷卻管與電池緊密接觸的冷卻方案。如圖2a，比亞迪專利[3]在兩兩電池間插入內(nèi)嵌U型液冷流道的金屬片，冷卻液吸收電池?zé)崃亢髤R入主流道，與外部換熱后再次循環(huán)。這種冷卻管道與電池緊密接觸的方案使冷卻液與電池?fù)Q熱能力大大增強(qiáng)。如圖2b，與比亞迪類似，欣旺達(dá)專利[4]將柵欄狀水冷管道布置在電池之間，再將電池間支管連入模塊兩側(cè)主管道。電池間冷卻管道的細(xì)化分散化可以增強(qiáng)液冷下電池溫度場的均一性，但流體的壓損會更大。

通用Volt汽車?yán)鋮s系統(tǒng)將1mm厚的，密布大量U型微冷卻液流道的“冷板”（圖3b），插入方形電池之間，組成緊密的三明治結(jié)構(gòu)（圖3a）。流道的細(xì)微化使Volt電池組冷卻系統(tǒng)冷卻能力和溫度場均一性進(jìn)一步提高，Volt的電池組內(nèi)的溫度差可控制在2℃以內(nèi)。

與上述廠家不同，特斯拉Roadster電池組采用圓柱鋰離子電池，液冷管道與電池的緊密接觸難度更大。其冷卻系統(tǒng)將灌注水、乙二醇的扁帶

2 新型冷卻技術(shù)

目前鋰離子電池組工程應(yīng)用的冷卻系統(tǒng)主要采用空冷或液冷方案。相變材料（PCM，Phase Change Material）冷卻、熱管冷卻則利用固液相變或液氣相變冷卻電池組，已開展大量研究工作。

2.1熱管冷卻

與液冷利用冷卻液的熱容吸收電池組熱量不同，熱管冷卻則利用熱管中低沸點(diǎn)介質(zhì)相變過程潛熱來轉(zhuǎn)移電池模塊熱量。熱管一般被抽成真空，以降低內(nèi)部介質(zhì)沸點(diǎn)，便于介質(zhì)熱端蒸發(fā)與冷端冷凝，從而傳輸熱量，具有熱阻極低，形狀可變等特點(diǎn)。

如圖4a，文獻(xiàn)[5]將L型熱管熱端插入方形鋰離子電池之間，吸收電池?zé)崃?，再將熱管冷端插入散熱翅片基體中，加速冷端的散熱。如圖4b，國軒高科將L型熱管制成薄片，以增大熱管與方形電池間的接觸面積，并直接利用熱管冷端較大的表面積進(jìn)行散熱。如圖4c，文獻(xiàn)[6]針對圓柱鋰離子電池設(shè)計與電池表面緊密貼合的波浪散熱片，再通過L型熱管將散熱片熱量導(dǎo)出電池模塊。比亞迪公司專利（圖4d）則通過環(huán)繞于電池模塊周身的熱管，將電池?zé)崃繉?dǎo)至底部散熱片散出。

2.2 PCM冷卻

由于熱管利用液體汽化過程冷卻，因而熱管冷卻需要管道結(jié)構(gòu)，而PCM冷卻則將石蠟、脂肪酸、水合鹽等固態(tài)PCM填充于電池周圍，利用固液相變過程吸收大量熱量且保持自身溫度不變，從而實現(xiàn)溫度較均一的冷卻，并避免電池組局部溫度過高而引發(fā)熱失控。

文獻(xiàn)[7]比較了有/無PCM（石蠟）冷卻下16 只18650鋰離子電池組成的模塊在1C放電時的溫度曲線：有PCM冷卻時，電池模塊溫度最高達(dá)從68℃降至45℃，最大溫差從10℃降至4℃。PCM冷卻的優(yōu)勢在于維持電池組溫度的均一性，降低電池溫升，但是PCM通常熱導(dǎo)率極低，因而在PCM吸收電池放電期間熱量后，恢復(fù)潛熱期間，熱量從PCM向外界散失緩慢，導(dǎo)致潛熱恢復(fù)期電池組降溫緩慢，甚至慢于無PCM冷卻的電池組。為了加快熱量在PCM中的散失效率，避免PCM在連續(xù)、大倍率充放電下熱量來不及散出，導(dǎo)致PCM完全融化，失去冷卻能力，帶來安全隱患，PCM冷卻的研究集中在其熱導(dǎo)率的提升上。

文獻(xiàn)[8,9]通過在PCM中增加高導(dǎo)熱材料，如泡沫金屬或膨脹石墨（圖5），以增加PCM導(dǎo)熱系數(shù)，改善PCM冷卻效果，發(fā)現(xiàn)自然風(fēng)冷無法將模塊溫度控制在安全溫度以下，而泡沫銅PCM冷卻下模塊則完全控制在安全溫度以下。

圖5 PCM熱導(dǎo)率改性：a膨脹石墨增強(qiáng)；b泡沫銅增強(qiáng)；

圖6 PCM耦合風(fēng)冷實驗圖：a 實驗平臺示意圖；b 多次循環(huán)下純PCM冷卻與耦合冷卻溫度曲線

3 耦合冷卻技術(shù)

耦合冷卻技術(shù)一般結(jié)合新型冷卻與傳統(tǒng)冷卻方式優(yōu)點(diǎn)，先將PCM或熱管與電池直接接觸換熱，再通過傳統(tǒng)冷卻技術(shù)將PCM/熱管吸收的熱量帶走。

3.1基于PCM的耦合冷卻

PCM與風(fēng)冷或水冷耦合可以加快熱量在PCM中的散失效率，避免PCM在連續(xù)、大倍率充放電下熱量來不及散出，導(dǎo)致PCM完全融化，失去冷卻能力。

如圖6，文獻(xiàn)[10]將填充PCM（石蠟/膨脹石墨）的圓柱電池模塊放置于風(fēng)洞內(nèi)模擬PCM風(fēng)冷耦合效果。只有PCM冷卻下的模塊在第三循環(huán)溫度已經(jīng)達(dá)到60℃，而耦合風(fēng)冷后，則可以長期將模塊溫度控制在45℃以下。耦合后，PCM能控制模塊最高溫度及溫差，而風(fēng)冷則在充電過程將恢復(fù)PCM潛熱，降低PCM溫度，從而以較簡單的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)高效與高可靠性。

圖7 PCM風(fēng)冷耦合冷卻模塊結(jié)構(gòu)圖（電池間開設(shè)風(fēng)道）

如圖7，文獻(xiàn)[11]不僅耦合使用膨脹石墨改性的PCM和風(fēng)冷冷卻方形鋰離子電池模塊，并將冷卻風(fēng)道設(shè)置在兩兩電池之間，以增強(qiáng)PCM與冷卻風(fēng)的換熱。仿真結(jié)果證明，在這種耦合冷卻下，即使在室溫接近55℃時，模塊溫度也能控制在60℃以下。

如圖8 a，Hallaj在文獻(xiàn)[12]中通過金屬翅片增強(qiáng)冷卻風(fēng)與PCM的換熱，從而更好的冷卻填充PCM的圓柱鋰離子電池模塊。如圖8b文獻(xiàn)[13]則將PCM、散熱翅片、方形鋰離子電池組成三明治結(jié)構(gòu)，大大增加了翅片與PCM間的換熱面積，加速了PCM熱量的散失。

圖9 增加PCM層后通用水冷模塊結(jié)構(gòu)圖

Javani[14]等進(jìn)一步的將液冷與PCM（十八烷）耦合使用，冷卻電池組，發(fā)現(xiàn)耦合后的冷卻效果比單獨(dú)液冷更好。如圖9，通用汽車專利[15]將原有水冷板-電池三明治結(jié)構(gòu)鋰離子電池模塊基礎(chǔ)上，增加多層膠囊化PCM層，實現(xiàn)PCM-水冷耦合冷卻。通用工程師認(rèn)為，增加的PCM層能起到熱容作用，從而降低電池組充放電循環(huán)中電池峰值溫度與高溫時間，并起到絕緣隔離作用。

3.2基于熱管的耦合冷卻

熱管雖然能快速的將熱量從電池導(dǎo)致熱管冷凝端，但熱量從熱管冷端向環(huán)境散發(fā)時速度較慢?；跓峁艿鸟詈侠鋮s一般將風(fēng)/液冷應(yīng)用在熱管冷凝端，從而加速冷端的散熱，及時帶走熱管吸收的熱量。

如圖10，文獻(xiàn)[16]研究了風(fēng)冷冷卻熱管冷凝端的電池組耦合冷卻系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)增加熱管數(shù)量和加裝散熱翅片均能降低電池組溫度，創(chuàng)造渦流結(jié)構(gòu)能減小電池間溫差。在這種耦合冷卻下，電池組電池8C放電仍保持正常溫度。

上述結(jié)構(gòu)熱管與電池模塊外表面小面積接觸，換熱面積有限。如圖11，胡小峰[17]則將大量熱管貫穿模塊，布置于電池之間，增大了冷卻面積，并耦合風(fēng)冷對鋰離子動力電池模塊進(jìn)行冷卻。冷卻風(fēng)不僅流經(jīng)在熱管冷凝端上的散熱片，還能直接通過電池模塊內(nèi)部布置的通道。因而電池-熱管-冷卻風(fēng)之間的換熱都大幅增強(qiáng)了。仿真結(jié)果表明，耦合冷卻下，電池組溫度基本控制在36℃附近，并基本無溫度梯度。

圖10 風(fēng)冷對熱管冷凝端冷卻示意圖

圖11 熱管風(fēng)冷耦合仿真圖：a 仿真三維模型；b 溫度場

圖12 熱管風(fēng)冷耦合冷卻結(jié)構(gòu)（松下索尼專利）

而文獻(xiàn)[18]的熱管-風(fēng)冷耦合結(jié)構(gòu)中（圖12），熱管則安裝于風(fēng)冷流道尾部高溫區(qū)域，起到調(diào)節(jié)風(fēng)冷電池組溫差的作用。

除風(fēng)冷以外，熱管還可以與水冷、PCM冷卻等其它冷卻方式耦合。如圖13a，文獻(xiàn)[19]將熱管插入模塊兩兩電池之間，將電池?zé)崃繉?dǎo)向外側(cè)液冷管道，從而大大簡化了水冷流道復(fù)雜度。如圖13b，文獻(xiàn)[20]將PCM冷卻、熱管冷卻、風(fēng)冷三種冷卻方式取長補(bǔ)短，有機(jī)的結(jié)合在一起。首先，PCM直接填充于鋰離子電池與模塊外壁之間，直接吸收電池?zé)崃?。接著，熱管蒸發(fā)端（熱端）直接插入模塊底部PCM內(nèi)，迅速吸收PCM熱量。最后，施加于外部翅片和模塊中心風(fēng)冷流道的冷卻風(fēng)將分別冷卻熱管冷凝端、PCM，以及電池。

圖13 a熱管液冷耦合冷卻結(jié)構(gòu)圖與b PCM熱管風(fēng)冷耦合冷卻結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)語

鋰離子電池組冷卻技術(shù)能保證電池組在安全溫度范圍內(nèi)運(yùn)行，是保障鋰離子電池成組后性能發(fā)揮與安全工作的關(guān)鍵技術(shù)。目前，風(fēng)冷與水冷應(yīng)用已十分成熟，但風(fēng)冷由于氣體傳熱固有劣勢，導(dǎo)致冷卻效果和溫差的控制難以滿足鋰離子電池大規(guī)模成組要求。而水冷技術(shù)冷卻效果優(yōu)異，但系統(tǒng)較為復(fù)雜，且對循環(huán)液驅(qū)動功率有較大需求。新型冷卻技術(shù)如PCM和熱管冷卻，雖然系統(tǒng)簡潔，但只能滿足工況溫和，模塊規(guī)模較小情況下的冷卻需求。而將PCM或熱管與風(fēng)冷或、液冷等主動冷卻方式耦合使用，一方面能發(fā)揮PCM、熱管冷卻的長處，大幅降低電池組溫差，另一方面能避開PCM、熱管冷卻的短處，即使在惡劣工況下，也能通過主動冷卻帶走PCM、熱管冷凝端的熱量。并且，對于風(fēng)冷或液冷系統(tǒng)而言，PCM、熱管的加入大幅簡化系統(tǒng)流道，不僅減低了冷卻系統(tǒng)所需能源，還增加了系統(tǒng)可靠性。因而耦合冷卻是解決鋰離子電池大規(guī)模成組后冷卻問題的一條重要技術(shù)路線，但相關(guān)研究工作還處在探索階段，進(jìn)一步研究工作需大量開展。

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Review on Cooling Technique for Li-ion Battery Pack

Hu Qiwei,Li Wenbin,Wang Zhaocong
(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion,Wuhan 430064,China)

Abstract：Lithium-ion batteries are well-suited for electric vehicles and marine electric propulsion.However,lithium-ion batteries have critical thermal issues when they are used in these fields.Lithium-ion battery cooling technique is the key technique to protect the lithium-ion battery pack from being overheated and enhance the performance and safety.The current lithium-ion battery cooling techniques include 4 parts,such as air cooling,liquid cooling,new cooling technique and combination cooling.The research progresses and the structural improvements of each cooling technique are reviewed.

Keywords:Li-ion battery; battery pack; cooling technique

作者簡介：胡棋威（1989-），男，碩士，助理工程師。研究方向：動力電池技術(shù)。

收稿日期：2015-11-10

中圖分類號：TM911.14

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-4862（2016）02-0053-06