基于浸沒(méi)式液冷的鋰電池?zé)峁芾硌芯窟M(jìn)展*

江 毅 李超恩 溫小棟 于 航 劉東京

(1.寧波工程學(xué)院,寧波;2.同濟(jì)大學(xué),上海;3.江蘇大學(xué),鎮(zhèn)江)

0 引言

隨著人們環(huán)保意識(shí)的不斷提高和能源危機(jī)的日益加深,新能源電動(dòng)汽車已成為國(guó)內(nèi)外關(guān)注的熱點(diǎn)[1]。作為電動(dòng)汽車的主要發(fā)展方向,鋰電池憑借其高能量密度、長(zhǎng)壽命、低自放電等優(yōu)勢(shì)備受青睞。然而,隨著電池能量密度的增加和更高功率充電技術(shù)的發(fā)展,動(dòng)力鋰離子電池?zé)崾Э仫L(fēng)險(xiǎn)逐漸增大[2]。研究表明,在極端溫度下(包括高溫和低溫),鋰離子電池容易出現(xiàn)熱失控現(xiàn)象,并且在充放電過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量熱量并堆積,這些堆積會(huì)影響到其使用壽命并可能導(dǎo)致爆炸或火災(zāi)事故。因此,電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)(battery thermal management system,BTMS)作為防止鋰離子電池過(guò)熱的關(guān)鍵技術(shù),在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界備受重視[3-4]。

目前,針對(duì)鋰電池?zé)崾Э貑?wèn)題已經(jīng)開發(fā)出了多種冷卻系統(tǒng)[5-6],主要包括空氣冷卻、液體冷卻、熱管冷卻、相變冷卻及其組合冷卻系統(tǒng)[7]。其中,空氣冷卻可分為自然對(duì)流換熱和強(qiáng)制對(duì)流換熱[8]。但由于其換熱效率低且熱傳導(dǎo)弛豫時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn),在高放電倍率下難以滿足大規(guī)模電池組的散熱需求。而具有高導(dǎo)熱性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、低維護(hù)成本和壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)的熱管冷卻在電池?zé)峁芾碇袀涫荜P(guān)注。然而,熱管冷卻在快速溫度波動(dòng)和惡劣環(huán)境條件下存在局限性,并且缺乏簡(jiǎn)單通用的傳熱模型來(lái)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)模塊和電池組的散熱性能,因此尚未商業(yè)化應(yīng)用[9]。近年來(lái),相變冷卻也得到了廣泛研究,但由于相變材料成本較高且導(dǎo)熱系數(shù)較低,并需要與其他散熱方案相結(jié)合使用,使其難以落地應(yīng)用[10-11]。隨著電池能量密度的逐漸提高與散熱需求增加,液體冷卻技術(shù)越來(lái)越受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的重視[12-13]。根據(jù)冷卻液是否直接接觸到電池,可將其分為直接液冷或間接液冷。直接液冷又稱為浸沒(méi)式液冷,是目前最有效的散熱技術(shù)之一,具有高效散熱、節(jié)能降耗、節(jié)約空間和穩(wěn)定低噪等優(yōu)點(diǎn)。該冷卻系統(tǒng)把電池浸泡在非導(dǎo)電的電介質(zhì)中,使其得到均勻的熱量傳導(dǎo),從而保證了電池組溫度的均勻性。由于換熱介質(zhì)與電池直接接觸,降低了接觸熱阻[14],進(jìn)一步提高了換熱效率。此外,這種冷卻方法還可以降低系統(tǒng)的復(fù)雜性[15]。4種不同冷卻方式及其優(yōu)缺點(diǎn)如圖1所示[16]。隨著技術(shù)發(fā)展出現(xiàn)了許多組合系統(tǒng)[17]。

目前,雖然已有大量關(guān)于浸沒(méi)式液冷用于數(shù)據(jù)中心的報(bào)道,但對(duì)其在電池?zé)峁芾矸矫嫒狈C述。本文分析和介紹了基于浸沒(méi)式液冷技術(shù)的電池?zé)峁芾?包括冷卻液種類、排布方式、流速、壓力等因素對(duì)電池散熱效率的影響,并探討了該技術(shù)所面臨的前景和挑戰(zhàn)。

1 浸沒(méi)式電池液冷技術(shù)

根據(jù)不同的換熱機(jī)理,浸沒(méi)式液冷系統(tǒng)可分為單相和兩相浸沒(méi)式液冷系統(tǒng)。其工作原理如圖2所示。

圖1 幾種電池冷卻技術(shù)[16]

圖2 單相與兩相浸沒(méi)式液冷原理圖

在單相浸沒(méi)式液冷系統(tǒng)中,通過(guò)外部散熱器循環(huán)散熱的冷卻液始終保持液態(tài)。為了滿足單相浸沒(méi)式液冷的要求,需要選擇具有高沸點(diǎn)、低黏度、高導(dǎo)熱系數(shù)、不易揮發(fā)和兼容性好的冷卻液,并避免頻繁補(bǔ)充[18]。

在兩相浸沒(méi)式液冷過(guò)程中,隨著電池表面溫度升高,冷卻液發(fā)生相變并依靠液體沸騰快速帶走熱量。沸騰換熱性能隨著溫度的上升而快速提高,并吸收大量潛熱以實(shí)現(xiàn)快速傳遞熱量。當(dāng)冷卻液蒸發(fā)后遇到冷凝器表面時(shí)會(huì)凝結(jié)成為液體重新回到腔體內(nèi)。由于冷卻液發(fā)生相變,對(duì)容器的密封性有一定的要求[19]。

1.1 單相浸沒(méi)式液冷技術(shù)

單相浸沒(méi)式液冷可應(yīng)用的工質(zhì)包括氫氟醚、硅油和烴類等。與兩相浸沒(méi)式液冷相比,由于工質(zhì)不發(fā)生相變,因此其冷卻系統(tǒng)更為簡(jiǎn)單。理想的冷卻工質(zhì)應(yīng)具備良好的絕緣性、高比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)、良好的阻燃性能、低成本,以及適宜的工作溫度、較長(zhǎng)的壽命、無(wú)腐蝕性、低密度和低黏度等特點(diǎn)。

氫氟醚是電子浸沒(méi)式液冷中最為常見(jiàn)的工作介質(zhì)[18,20],近年來(lái)也被廣泛應(yīng)用于電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)。其中3M公司開發(fā)的Novec系列產(chǎn)品應(yīng)用較為廣泛。由于其較好的兼容性,沸點(diǎn)較高的Novec介質(zhì)可用于單相浸沒(méi)式液冷。

近年來(lái),碳?xì)浠衔镌陔姵亟](méi)式液冷系統(tǒng)中的應(yīng)用備受關(guān)注,包括礦物油、多烯烴(PAO)和其他合成碳?xì)浠衔镉汀Ｆ渲?礦物油由于低成本、低毒性及工作范圍廣的特點(diǎn),常被應(yīng)用于單相浸沒(méi)式液冷系統(tǒng)中[12]。Liu等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了動(dòng)態(tài)充放電循環(huán)的電池在靜態(tài)和流動(dòng)的礦物油冷卻下的熱響應(yīng),如圖3a所示。實(shí)驗(yàn)研究表明,提高礦物油的流速可有效降低電池表面溫度,然而由于冷卻能力有限,隨著流速進(jìn)一步提高,降溫效果逐漸減弱。理論分析表明,礦物油在傳熱過(guò)程中存在著混合對(duì)流現(xiàn)象：在低雷諾數(shù)情況下,自然對(duì)流起主導(dǎo)作用;隨著雷諾數(shù)增大,強(qiáng)制對(duì)流效應(yīng)與自然對(duì)流效應(yīng)相當(dāng)甚至超過(guò)前者;在4C(C為最大容量)放電倍率條件下,自然對(duì)流始終主導(dǎo)傳熱過(guò)程[21]。Satyanarayana等人對(duì)比了自然空氣冷卻、強(qiáng)制空氣冷卻、礦物油冷卻和導(dǎo)熱油冷卻4種不同的冷卻方式,實(shí)驗(yàn)裝置如圖3b所示。研究結(jié)果表明,在3C放電倍率下,配備強(qiáng)制空氣冷卻、導(dǎo)熱油冷卻和礦物油冷卻的電池模塊的最高溫度分別降低了43.83%、49.17%和51.54%。在強(qiáng)制對(duì)流冷卻下電池組的最高放電倍率為1.5C;而在浸沒(méi)式冷卻條件下,電池組的最高放電倍率可達(dá)2C[22]。Wang等人將單相浸沒(méi)式液冷與水冷系統(tǒng)相結(jié)合,即將電池浸沒(méi)在礦物油中,由礦物油吸收電池產(chǎn)生的熱量,并通過(guò)冷卻系統(tǒng)帶走礦物油中的熱量(如圖3c所示)。研究結(jié)果表明,與自然對(duì)流冷卻和單相浸沒(méi)式液冷相比,耦合系統(tǒng)使得電池能夠在最佳工作溫度下分別延長(zhǎng)150.3%和45.7%的工作時(shí)間[23]。

圖3 單相液冷實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

此外,增大電池間隔、介質(zhì)流速及采用具有高導(dǎo)熱系數(shù)和低運(yùn)動(dòng)黏度的工作介質(zhì)可以提高系統(tǒng)的冷卻性能。Wang等人設(shè)計(jì)了一種用于鋰離子軟包電池的浸沒(méi)式液冷系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用高絕緣性的10號(hào)變壓器油作為冷卻液,在主動(dòng)和被動(dòng)模式下均可運(yùn)行。與Novec系列氟化液FC-72和HFE-7100相比,10號(hào)變壓器油具有更高的比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,在2C放電倍率和25 ℃環(huán)境溫度下,浸沒(méi)式液冷方案展現(xiàn)出最佳的熱管理性能。與自然空氣冷卻相比,電池的最高溫度從58.3 ℃降至39.4 ℃,降幅達(dá)32.4%[24]。Liu等人探究了10號(hào)變壓器油用于電池冷卻的可行性。研究表明,在2C放電倍率下,浸泡在靜止變壓器油液中的電池的最高溫度為37.4 ℃,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于自然空氣冷卻。當(dāng)流量為15 mL/min(雷諾數(shù)為0.59)時(shí),整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到最佳效能[25]。

殼熱流體(應(yīng)用于殼管式換熱器中的換熱介質(zhì))與許多常見(jiàn)的材料兼容,如橡膠、塑料和金屬,這些都是電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)中代表性的材料。然而,殼熱流體具有可燃性,如殼熱流體E5 TM 410的閃火點(diǎn)溫度為190 ℃。需要注意的是,增大流體的黏度會(huì)提高閃火點(diǎn)溫度。但高黏度不利于浸沒(méi)式液冷系統(tǒng)中換熱介質(zhì)的擾動(dòng)和對(duì)流。Han等人采用E5 TM 410作為冷卻介質(zhì)對(duì)18650電池進(jìn)行冷卻。在4C放電倍率下,電池組的最高溫度達(dá)到了60.2 ℃,需通過(guò)增加翅片和擋板來(lái)進(jìn)一步提升電池組的熱均勻性[26]。

酯基介電冷卻劑作為礦物油的替代品,因其良好的降解性和低成本而廣泛應(yīng)用于電力設(shè)備中[27]。酯基介電冷卻劑可分為天然酯類和人造酯類。與天然酯類相比,人造酯具有良好的抗氧化性,可以延長(zhǎng)維護(hù)周期。但是合成酯存在閃火點(diǎn)溫度較低、易揮發(fā)等問(wèn)題。Mehta等人從環(huán)保、消防安全、熱性能、介電性能等方面對(duì)新型天然酯與現(xiàn)有礦物油技術(shù)進(jìn)行了評(píng)價(jià)和論述。結(jié)果表明,天然酯可用于變壓器。雖然已證明用于高壓電子器件的熱管理時(shí),酯類介電冷卻劑具有與礦物油相似的特征,但它們?cè)陔姵責(zé)峁芾眍I(lǐng)域的應(yīng)用仍處于空白[28]。

硅油是另一種冷卻液,其黏度取決于硅氧烷單體鏈的長(zhǎng)度,在高溫和低溫下具有較好的耐溫性能。Sun等人對(duì)太陽(yáng)能電池進(jìn)行了直接液體冷卻實(shí)驗(yàn),以解決線性聚光光伏系統(tǒng)中的散熱問(wèn)題。研究結(jié)果表明,在硅油進(jìn)口溫度為15 ℃,雷諾數(shù)從13 602到2 720變化時(shí),可以將電池溫度控制在20～31 ℃范圍內(nèi)。該方法可直接應(yīng)用于鋰電池的冷卻[29]。Matsuoka等人比較了單相浸沒(méi)式冷卻劑(包括硅油50 cSt和20 cSt、大豆油、全氟化合物Novec 3283和Novec 43)在數(shù)據(jù)中心服務(wù)器冷卻方面的應(yīng)用效果。研究發(fā)現(xiàn),在單相浸沒(méi)式液冷中,對(duì)流換熱起著重要作用。因此,較小黏度的冷卻液會(huì)獲得更好的降溫效果[30]。

超純水作為非導(dǎo)電介質(zhì)亦可作為換熱介質(zhì)。Celen采用超純水作為換熱介質(zhì)對(duì)軟包鋰電池進(jìn)行冷卻。研究結(jié)果表明,在4C的放電倍率下,空氣和超純水冷卻方式下電池組的最高溫度分別為45 ℃和33 ℃。通過(guò)超純水浸沒(méi)式液冷技術(shù),電池組的平均和最高表面溫度可以分別降低28%和25%[31]。Luo等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)和模擬研究了超純水浸沒(méi)式電池?zé)峁芾硐到y(tǒng),并設(shè)計(jì)了一種特殊的密封結(jié)構(gòu)以防止水和電池電極接觸。研究發(fā)現(xiàn),在3C的放電倍率下,較小的水流量(200 mL/min)也能確保電池組的最高溫度低于50 ℃。然而,良好的冷卻能力將增大電池組的溫差。當(dāng)水流量小于1 000 mL/min時(shí),很難將電池組的溫差降低到5 ℃以下。由于超純水沒(méi)法長(zhǎng)時(shí)間保持高電阻率狀態(tài),因此該技術(shù)需要進(jìn)一步研究[32]。

1.2 兩相浸沒(méi)式液冷技術(shù)

低沸點(diǎn)的Novec介質(zhì)常用于兩相浸沒(méi)式液冷[33]。Van Gils等人對(duì)Novec 7000工質(zhì)在18650電池?zé)嵴{(diào)節(jié)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究,包括熱均勻性和降溫效果。兩相浸沒(méi)式液冷系統(tǒng)本質(zhì)上是基于內(nèi)部沸騰原理,其冷卻效率取決于工質(zhì)在沸騰過(guò)程中所處的狀態(tài)[34]。圖4展示了氟化液池內(nèi)的沸騰曲線,應(yīng)盡可能使沸騰發(fā)生在充分發(fā)展階段,此時(shí)系統(tǒng)具有較高的沸騰效率。

圖4 池內(nèi)沸騰曲線

Giammichele等人采用Novec 7000工質(zhì)直接冷卻18650電池,測(cè)試了3種不同放電倍率下的電池?zé)犴憫?yīng)[35]。Hirano等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了Novec 7000工質(zhì)對(duì)軟包鋰電池的冷卻效果,并在10組電池之間加入泡沫金屬增強(qiáng)換熱,同時(shí)和空氣冷卻作了比較?？諝饫鋮s工況下,10C放電倍率時(shí)電池溫度達(dá)到80 ℃,20C放電倍率下電池溫度可達(dá)到90 ℃。在沸騰換熱作用下,電池溫度始終保持在35 ℃以下[36]。Wu等人提出了一種基于Novec 7000工質(zhì)的沸騰冷卻系統(tǒng)來(lái)管理20 A·h大型軟包鋰離子電池的溫度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在靜態(tài)模式下,該系統(tǒng)具有優(yōu)異的降溫和改善整個(gè)模塊內(nèi)部溫度均勻性的能力,在4C放電倍率下也是如此。通過(guò)采用間歇流動(dòng)模式,可將溫度峰值和最大溫差分別控制在36 ℃和2 ℃以下[37]。Wang等人設(shè)計(jì)了基于HFE-7000換熱介質(zhì)的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)(60節(jié)18650電池),換熱介質(zhì)的強(qiáng)制對(duì)流在控制整個(gè)電池模塊溫度方面起到了主導(dǎo)作用。當(dāng)換熱介質(zhì)的入口速度為0.3 m/s時(shí),電池溫度在5C放電倍率下可保持在35.1 ℃以下。而電池與電池之間主要是兩相沸騰和局部擾動(dòng)起主導(dǎo)作用,電池與電池之間的溫差不超過(guò)3.71 ℃[38]?？梢钥闯?在兩相浸沒(méi)式液冷系統(tǒng)中,同時(shí)存在單相浸沒(méi)式液冷的傳熱行為,使得其具備對(duì)流和沸騰耦合換熱特性。

Li等人提出了基于沸點(diǎn)為33.4 ℃的SF33的浸沒(méi)式液冷系統(tǒng),并將其與強(qiáng)制空氣冷卻(FAC)系統(tǒng)在不同放電倍率和動(dòng)態(tài)負(fù)載條件下進(jìn)行了比較。結(jié)果發(fā)現(xiàn),即使在7C放電倍率下,浸沒(méi)式液冷系統(tǒng)也能夠把電池溫度控制在34.5 ℃以下[39]。Goodarzi等人采用R141b制冷劑作為換熱工質(zhì)實(shí)現(xiàn)兩相浸沒(méi)式電池冷卻。研究結(jié)果表明,增加制冷劑的填充量、降低電池倉(cāng)的壓力可降低電池組的最高溫度,減小電池之間的溫差和電池內(nèi)部的溫差;而室外溫度升高會(huì)導(dǎo)致電池組的最高溫度升高。相變過(guò)程中的高潛熱吸收使電池組的最高溫度下降[40]。近些年,隨著國(guó)產(chǎn)冷卻劑的發(fā)展,其在電池冷卻中也得到廣泛應(yīng)用。Li等人提出了基于ENASOLV FS 49(沸點(diǎn)為49 ℃)的新型電池?zé)峁芾硐到y(tǒng),如圖5所示,測(cè)試了電池組在快速充電條件下的溫度響應(yīng),并與空氣冷卻方式進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果顯示,浸沒(méi)式液冷系統(tǒng)具有良好的散熱效果,在2C和3C充電倍率下電池組的峰值溫度分別降低7.7 ℃和19.6 ℃,且相應(yīng)消耗能量分別僅為空氣冷卻方式的14.41%和40.37%[41-42]。

圖5 兩相浸沒(méi)式液冷實(shí)驗(yàn)臺(tái)[41]

為進(jìn)一步提升冷卻液的性能,有研究者將多種冷卻劑混合使用。Wang等人采用R1233ZD(E)/乙醇混合冷卻工質(zhì)進(jìn)行浸沒(méi)式液冷實(shí)驗(yàn)研究,并分析了不同放電倍率、不同R1233ZD(E)填充率和不同入口速度下,壁面沸騰和強(qiáng)制對(duì)流耦合作用對(duì)電池?fù)Q熱的影響。研究結(jié)果表明,當(dāng)?shù)头悬c(diǎn)的R1233ZD(E)混入到乙醇中時(shí),壁面沸騰換熱得到有效加強(qiáng),使得電池模塊的溫度均勻性提高了57.0%。此外,R1233ZD(E)的體積分?jǐn)?shù)影響沸騰換熱效率;而液相強(qiáng)制對(duì)流換熱則在降低電池模塊溫度方面起主導(dǎo)作用,并隨著制冷劑入口流速的增大強(qiáng)制對(duì)流換熱作用增強(qiáng)[43]。表1總結(jié)了鋰電池浸沒(méi)式液冷系統(tǒng)部分常用冷卻液的物性參數(shù)。無(wú)論是單相還是兩相浸沒(méi)式液冷系統(tǒng),在關(guān)注熱物性參數(shù)之余還應(yīng)考慮環(huán)保評(píng)價(jià)參數(shù),如臭氧消耗潛能值(ODP)和全球變暖潛能值(GWP)。

1.3 模擬研究

近些年,許多研究者嘗試通過(guò)數(shù)值模擬(如Fluent、COMSOL軟件等)對(duì)浸沒(méi)式液冷系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化與性能研究[46-47]。Jithin等人利用數(shù)值模擬比較了去離子水、礦物油和工程流體(AmpCool AC-100)在浸沒(méi)式電池?zé)峁芾碇械慕禍匦Ч?。結(jié)果表明,所有冷卻工質(zhì)均能有效控制鋰電池的溫度,具有良好的均勻性。高比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)及低黏度的冷卻介質(zhì)有助于獲得更好的降溫效果[48]。

Al-Zareer等人采用COMSOL軟件模擬計(jì)算了圓柱形電池的間距對(duì)池內(nèi)沸騰換熱的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)減小電池間距會(huì)導(dǎo)致電池的最高溫度升高,但會(huì)提高電池表面溫度的均勻性。因此,在設(shè)計(jì)浸沒(méi)式液冷系統(tǒng)時(shí)應(yīng)考慮電池的間距和排列方式[49]。Al-Zareer等人采用COMSOL軟件模擬計(jì)算了方形電池和圓柱形電池在池內(nèi)沸騰中的散熱效果。研究結(jié)果表明,浸沒(méi)式液冷更適用于圓柱形電池,當(dāng)冷卻液填充量為30%時(shí),電池的最高溫度可降低18.6 ℃;而方形電池則更適合使用冷板換熱方法,使冷卻液在金屬板內(nèi)流動(dòng)[50]。

表1 鋰電池浸沒(méi)式液冷系統(tǒng)中常用冷卻液的主要物性參數(shù)

Dubey等人采用Fluent模擬研究了浸沒(méi)式液冷與冷板液冷技術(shù)的冷卻性能。研究發(fā)現(xiàn)：在低放電倍率下,2種技術(shù)的換熱性能相近;而在高放電倍率下,浸沒(méi)式液冷具有更好的換熱效果。此外,提高換熱介質(zhì)的流速可以改善電池溫度的均勻度[51]。Amalesh等人采用Fluent數(shù)值模擬研究了液體冷卻、空氣冷卻、相變材料(PCM)冷卻、混合冷卻(結(jié)合液冷和PCM冷卻)在10 A·h電池組快速充放電過(guò)程中的熱響應(yīng)。研究結(jié)果表明,8C放電倍率下,采用液冷劑STO-50的浸沒(méi)式系統(tǒng)具有最優(yōu)的散熱效果,能夠始終將電池溫度控制在40 ℃以下[52]。Tan等人提出了一種采用氫氟醚(HFE-6120)作為冷卻液的新型冷卻系統(tǒng),并通過(guò)Fluent模擬對(duì)其關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了數(shù)值分析。結(jié)果表明,使用HFE-6120冷卻劑的直接液冷系統(tǒng)可以將最大溫差和溫度標(biāo)準(zhǔn)差分別減小18.1%和25.0%[45]。

目前,越來(lái)越多的研究者采用模擬軟件對(duì)浸沒(méi)式液冷的熱設(shè)計(jì)方案進(jìn)行研究,以期獲得最佳換熱效果。Han等人利用Fluent模擬了不同形狀(圓形、矩形和三角形)的散熱片對(duì)浸沒(méi)式液冷電池?fù)Q熱效率的影響。結(jié)果顯示,在各種散熱片結(jié)構(gòu)下均可實(shí)現(xiàn)電池組的對(duì)稱溫度分布和較好溫度均勻性。與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)相比,圓形、矩形和三角形散熱片結(jié)構(gòu)使電池組最高溫度分別降低了2.41%、2.57%和4.45%,其中三角形散熱片結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出最佳散熱效果[53]。Patil等人模擬研究了在浸沒(méi)式液冷條件下添加擾流板對(duì)換熱效果的影響。研究結(jié)果表明,在3C放電倍率下,與空氣冷卻相比,浸沒(méi)式液冷能夠?qū)㈦姵亟M的最高溫度降低46.8%,而添加擾流板后可進(jìn)一步降低9.3%[54]。Zha等人通過(guò)模擬研究了完全浸沒(méi)式液冷和噴淋液冷2種方式的冷卻效果。結(jié)果表明,在560 mL/min冷卻劑流量下,噴淋液冷的冷卻溫度比完全浸沒(méi)式液冷降低3.9 ℃[55]。

盡管已有不少研究者基于商業(yè)軟件對(duì)浸沒(méi)式液冷系統(tǒng)的性能進(jìn)行了研究,但在模擬過(guò)程中往往采用簡(jiǎn)化的電池模型,較少考慮電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)與產(chǎn)熱之間的耦合影響,從而降低了模擬的精確度。此外,在模擬兩相浸沒(méi)式液冷時(shí),即池內(nèi)沸騰換熱時(shí),使用商業(yè)軟件通常難以準(zhǔn)確描述如此復(fù)雜的換熱過(guò)程,進(jìn)一步影響了模擬結(jié)果的精度。

1.4 系統(tǒng)評(píng)價(jià)方法

作為電池?zé)峁芾砑夹g(shù)的一個(gè)主要類別,國(guó)內(nèi)外對(duì)浸沒(méi)式液冷技術(shù)已有不少研究。然而,對(duì)于各種類型的浸沒(méi)式液冷技術(shù)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)還處于探索階段。Xu等人綜述了鋰離子電池液冷系統(tǒng)的系統(tǒng)性評(píng)估和比較方法,提出了多目標(biāo)優(yōu)化方法的通用框架用于設(shè)計(jì)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)(BTMS),并對(duì)各種類型的液冷BTMS進(jìn)行了統(tǒng)一和全面的評(píng)估。最后,重建和數(shù)值模擬了幾個(gè)典型的基于液冷的BTMS,并通過(guò)5個(gè)指標(biāo)(溫度均勻度、最高溫度、壓降、配件質(zhì)量占總系統(tǒng)質(zhì)量之比、成本水平)進(jìn)行了綜合評(píng)估[56]。

熱管理系統(tǒng)對(duì)電池的性能、安全和壽命的影響不容忽視。Koster等人對(duì)2個(gè)相同的18650電池組采用空氣冷卻和浸沒(méi)式液冷系統(tǒng)進(jìn)行了耐久性實(shí)驗(yàn)。研究表明,在浸沒(méi)式液冷系統(tǒng)中,電池組各單元之間的最大溫差為1.5 ℃,而空氣冷卻系統(tǒng)中的溫差可以達(dá)到15 ℃。浸沒(méi)式液冷的均勻化電池溫度分布使得電池在600次循環(huán)后,電池容量的衰減比空氣冷卻減少3.3%[57]。

冷卻液的兼容性是另一個(gè)不可忽視的評(píng)價(jià)因素。Li等人對(duì)5種碳氟化合物基冷卻液(HFO-1336、BTP、C6F-ketone、HFE-7100和F7A)與電池的兼容性進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明,無(wú)論是在冷卻效果還是在電池健康狀態(tài)方面,直接液體冷卻方法均優(yōu)于自然空氣冷卻方法。對(duì)于低沸點(diǎn)冷卻劑,液體/蒸汽兩相冷卻比高沸點(diǎn)冷卻劑的單相冷卻具有更強(qiáng)的熱控制能力。通過(guò)熱失控抑制實(shí)驗(yàn)可以得出結(jié)論：基于氟碳化合物的直接液體冷卻技術(shù)能夠有效地抑制或避免電池發(fā)生熱失控現(xiàn)象。除了碳氟化合物BTP冷卻液,所有其他類型的冷卻液都與電池具有良好兼容性[58]。

在BTMS設(shè)計(jì)中,考慮到多維特性,對(duì)于各種類型的基于液冷的BTMS采用多樣化的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)至關(guān)重要。因此,實(shí)現(xiàn)全面挖掘整個(gè)系統(tǒng)性能所需的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)是必不可少的。然而,在當(dāng)前研究中,多目標(biāo)優(yōu)化過(guò)程和統(tǒng)一評(píng)估體系仍需要進(jìn)一步完善和總結(jié)。

2 行業(yè)趨勢(shì)

近些年,浸沒(méi)式液冷技術(shù)在電動(dòng)汽車和儲(chǔ)能工業(yè)界得到了不少應(yīng)用。Ricardo公司展示了一種浸沒(méi)式電池?zé)峁芾砟K,實(shí)現(xiàn)了高達(dá)3.9C的充電倍率。研究發(fā)現(xiàn),該方法可以保證電池溫度控制在30 ℃左右。與間接冷卻的冷板相比,浸沒(méi)式液冷在模塊層面可降低8%的成本,在車輛層面可降低6.5%的成本。這主要?dú)w功于幾個(gè)因素,其中最重要的是通過(guò)減小銅母線厚度節(jié)省了成本[59]。浸沒(méi)式液冷電池已經(jīng)開始應(yīng)用于高端豪華跑車中。邁凱倫公司首次在Speedtail跑車上采用了浸沒(méi)式液冷電池技術(shù)。Speedtail總輸出功率可達(dá)775 kW,而電池組的功率密度僅為5.2 kW/kg[60]。奧迪和奔馳分別于2019年和2021年推出了適用于自家超級(jí)跑車的高性能(兩相浸沒(méi)式液冷)電池組[61-62]。特斯拉申請(qǐng)了一個(gè)名為“電池冷卻劑外套”的專利,描述了一個(gè)具有集成框架結(jié)構(gòu)的電池模塊,以容納被冷卻液浸泡的電池單元[63]。國(guó)內(nèi)方面,安徽新寧能源科技有限公司在其一個(gè)關(guān)于電池模塊的專利中采用了浸沒(méi)式液冷來(lái)提高電池的散熱效率和安全性[64]。2023年3月6日,全球首個(gè)浸沒(méi)式液冷儲(chǔ)能站——南方電網(wǎng)梅州寶湖儲(chǔ)能站正式投入運(yùn)營(yíng)[65]。浸沒(méi)式液冷技術(shù)大多集中于工業(yè)界的會(huì)議演講和網(wǎng)絡(luò)討論上,各組織都在該領(lǐng)域擁有知識(shí)產(chǎn)權(quán),然而尚未將其發(fā)表于科學(xué)文獻(xiàn)中。

3 結(jié)論與展望

隨著電動(dòng)汽車和儲(chǔ)能行業(yè)的快速發(fā)展,解決儲(chǔ)能電池的安全問(wèn)題已成為當(dāng)務(wù)之急。本文綜述了浸沒(méi)式液冷電池?zé)峁芾砑夹g(shù),包括單相和兩相浸沒(méi)式液冷的相關(guān)研究及行業(yè)趨勢(shì),得出以下結(jié)論：

1) 適合作浸沒(méi)式液冷的冷卻劑包括氫氟醚、碳?xì)浠衔?、酯和硅油等。較低的黏度和密度及較高的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容有助于提高液冷效率。3M公司的Novec系列氟化液在電池?zé)峁芾碇械玫搅藦V泛的應(yīng)用,碳?xì)浠衔锘鋮s劑也具有良好的應(yīng)用場(chǎng)景。然而,仍需重視冷卻液對(duì)電池及相關(guān)電子元件的腐蝕性,并進(jìn)行長(zhǎng)期觀察監(jiān)測(cè)。

2) 相較于單相浸沒(méi)式液冷系統(tǒng),兩相浸沒(méi)式液冷系統(tǒng)具備更優(yōu)異的換熱效率。兩相浸沒(méi)式液冷的散熱性能隨溫度非線性變化,在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)避免使沸騰處于過(guò)熱狀態(tài)。此外,在考慮換熱過(guò)程時(shí)還需將電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)與外界溫度變化耦合起來(lái)進(jìn)行深入研究,以獲取更準(zhǔn)確的模擬結(jié)果。

3) 目前尚缺乏綜合考慮電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)多維特性評(píng)價(jià)指標(biāo)方面的探討?，F(xiàn)有指標(biāo)主要集中在對(duì)熱響應(yīng)狀態(tài)的評(píng)估上,并未充分考慮到冷卻液對(duì)電池壽命的影響及其與電子元件之間的兼容性。

盡管電子設(shè)備的液冷技術(shù)研究已有幾十年歷史,但其在電池?zé)峁芾眍I(lǐng)域的應(yīng)用時(shí)間并不長(zhǎng),并未得到廣泛商業(yè)化應(yīng)用。因此,電池浸沒(méi)式液冷技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展需要持續(xù)探索實(shí)踐,同時(shí)也面臨著多種問(wèn)題和挑戰(zhàn)。以下可能是未來(lái)電池?zé)峁芾硪豪溲芯康陌l(fā)展方向：

1) 目前已有的換熱介質(zhì)生產(chǎn)技術(shù)均掌握在歐美國(guó)家,例如3M公司的Novec系列。自主開發(fā)高效冷卻液是我國(guó)解決浸沒(méi)式液冷技術(shù)研究中的重點(diǎn),是重要的“卡脖子”關(guān)鍵技術(shù)。

2) 開發(fā)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、壓力可調(diào)的兩相浸沒(méi)式液冷系統(tǒng),通過(guò)監(jiān)測(cè)電池狀態(tài),實(shí)時(shí)調(diào)整電池包內(nèi)的壓力來(lái)調(diào)節(jié)換熱效率;同時(shí)應(yīng)考慮電池安全性,當(dāng)電池受到破壞時(shí),冷卻液能夠起到防止熱失控的效果。

3) 研究浸沒(méi)式液冷對(duì)不同鋰電池壽命的影響,了解低溫性能;研究浸沒(méi)式冷卻系統(tǒng)的長(zhǎng)期材料兼容性和穩(wěn)定性、安全性和冷卻液材料的可持續(xù)性。