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动力锂离子电池的5种冷却技术
动力锂离子电池具有高能量密度、长循环寿命、低自放电率和无记忆效应等优点,广泛应用于电动汽车、电动工具和航空航天等领域。2021年电动汽车销量预计超过340万辆,动力锂电池在汽车行业已得到大规模应用。


动力锂电池的能量密度高达200~400 Wh/kg,大多应用于交通运输领域,属于人员活动区域。温度是安全运行的关键因素,采用有效的热管理系统是防止锂电池过热的关键。

动力锂电池热失效的原因和机理

动力锂电池的热失控问题通常是由电因素、热因素和机械因素3种因素单独或耦合诱发的。图1为锂电池在热失控过程中的连锁反应机理。
       图片 图1  锂电池在热失控过程中的连锁反应机理

在滥用条件下,锂电池温度异常升高时,材料发生分解等一系列连锁反应,锂电池会因内部短路即刻释放电能,进而热失控,引起电解质燃烧。研究发现,锂电池单体热失控释放的总能量中,有42%来自电能转化,其他大多源于内部材料的分解等反应释放的热量。因此,锂电池的容量越大,热失控过程中释放的能量就越多,更易造成较大的危害。

锂电池热管理系统关系到人员及车辆安全,还有电池寿命等,非常重要。

动力锂电池热管理的五种冷却方法

动力电池热管理系统包括主动式和被动式,主动式热管理包括空气冷却、液体冷却、制冷剂式冷却;被动式热管理包括自然冷却、热管冷却和相变材料。

保证锂电池处于适宜的温度范围,进行热管理是非常重要的。锂电池热管理技术主要包括空气冷却、液体冷却、热管冷却、相变冷却和复合冷却等5种技术。

目前,有关空气冷却和液体冷却的研究较多,已实现规模化应用;而热管冷却和相变冷却还处于研究阶段;复合冷却技术可以综合两种及以上热管理技术的优点,显示出更优良的冷却效果。

一、空气冷却

空气冷却也称为风冷系统,利用空气作为热量交换载体, 起到控制分配动力电池系统内部温度的作用。根据散热通风方式,空气冷却又分为串行通风和并行通风,如图 2 所示。
       图片
图2  空气冷却示意图

然而,空气冷却技术存在导热系数低、消耗额外功、对电池组温均性控制效果差等缺点。由于动力锂电池向高能量密度发展的趋势,空气冷却逐渐难以满足热管理技术要求。

二、液体冷却

液体冷却又称液冷系统,利用冷却液作为热量交换载体, 起到控制分配动力电池系统内部温度的作用。该系统通常利用水泵和管道完成冷却液在电池系统内的流动,分为直接接触式和间接接触式。

直接接触冷却是将电池组直接浸在冷却液体中;非直接接触冷却是在电池模块间排布管路或在电池组内布置夹套,液体在内部流动而吸收并带走热量。 图片图3 液体冷却板示意图

在冷却板的研究方面,有人设计了楔形通道冷板,并为电池组设计分支结构。在液体流量研究方面,有人研究了冷却液质量流量的影响,当冷却液以1 g/s 质量流量流动时,冷却效果最好。

在制冷剂和管路设计方面,将两相制冷剂用于液冷热管理系统,与传统液冷系统比较,可将电池组最高温度控制在 45 ℃以下,在老化过程中,将电池容量提升 16.1%。另外,基于半螺旋导管的液冷系统,将电池组最高温度控制在 30.9 ℃,温差为 4.3 ℃。基于液体冷却电池热管理技术的各研究参数见表 2。
      图片         
液体冷却具有冷却效率高、导热系数大、可提高电池组的温度一致性等优点。冷却管在控制电池温均性上,较冷却板更好,这是由于冷却管设置在电池模块间,这使得电池与冷却管接触的区域不局限于底部,进而使得电池各位置都能得到有效冷却,减小温差。

由于液体泄漏可能导致电池短路,因此对液体冷却的密封性要求很高,这是液体冷却存在的安全问题。同时,液体冷却会增加整个锂电池系统的自重,不利于动力锂电池的轻量化趋势。

三、热管冷却

热管冷却是利用相变实现热传导的热管理系统。热管由蒸发段、绝热段和冷凝段组成。密封空管内的介质在蒸发阶段会吸收电池产生的热量,再通过冷凝段把热量传递给外部环境, 达到使电池组迅速降温的效果。热管的种类有:重力热管、脉动热管、烧结热管等。
       图片         
在热管结构的研究方面,有人提出一种基于环路热管与藕状多孔铜芯的电池热管理系统,将凝汽器冷却液温度保持在28℃,当产热量为 20 W 时,电池表面温度在50℃以下。

在新型热管的研究方面,有人使用微型热管阵列设计热管理系统,在2 C的充放电倍率下,电池组温度降到40℃以下,电池表面间温差低于5℃。基于热管冷却电池热管理技术的各研究参数见表3。
       图片         
与空气冷却和液体冷却方式相比,热管冷却效率较高,但在温度均匀性上表现效果一般,这是由于目前使用的热管结构复杂,不能有效地使电池每个部位都能得到散热。复杂的热管结构不能与电池良好匹配,还会增加整个电池系统的体积。此外,热管冷却还存在制造成本高、安装较复杂、长期使用后传热性能下降的缺点。

因此,目前热管冷却还不适合大规模应用于动力锂电池热管理系统,应向小型化、简单化发展,提高热管冷却系统的普适性是今后的发展目标。

四、相变材料冷却

相变材料是一种能够在一定温度范围内改变自身物理状态的材料。相变材料分为有机相变材料、无机相变材料和复合相变材料。相变冷却是利用相变材料的相变潜热吸收热量的被动式冷却方式,石蜡是一种研究较多的相变材料。 
图片图5 相变材料冷却示意图

有研究首次将相变材料应用于锂电池热管理系统,相变冷却的电池温度比自然冷却低 8℃。石蜡/膨胀石墨组成的电池热管理系统,电池组最高温度远低于强制对流达到的温度。另外,石蜡RT44HC/膨胀石墨复合材料可明显降低电池间温差,提高温均性。膨胀石墨/泡沫铜二元骨架材料可将最高温度控制在48.0℃,温差为3.9℃。

此外,还有将其他材料与相变材料复合,如将相变材料放入翅片结构,电池温度降低了 9.28%。还有研究将相变材料与微小通道耦合。基于相变材料冷却电池热管理技术的各研究参数见表4。       图片         
相变冷却具有散热速度快、控温均匀性高、低温保温等优点,还可根据相变材料种类、将相变材料与其他材料复合等手段提高理化性能。采用相变材料冷却可以减少电池系统占用的空间,且不会额外消耗电池的能量。

与其他3种热管理方式相比,相变材料冷却的综合性能最优,但也存在导热系数低、易泄漏等缺点。如果将相变冷却与其他热管理方式相结合,及时将相变材料吸收的热量散失到外界环境中,则可持续发挥相变材料的冷却作用。

五、复合冷却

除了上述的单一锂电池热管理技术,还可以将多种热管理技术复合,取长补短,可有效克服单一热管理技术的缺点,发挥各自的优点,达到更好的热管理效果。目前,大多将主动式和被动式热管理技术复合使用。

在相变材料复合空气冷却的研究方面,将相变材料和强制空气对流复合的热管理系统,在3C充放电倍率下,与单一被动式热管理相比,电池组最大温度下降16℃,最大温差下降了1.2℃。

在相变材料复合热管冷却的研究方面,有人设计热管复合相变材料的热管理系统,在5 C 的放电倍率下,电池组最高温度控制在50℃以下。
       图片         
因此,将相变材料与空气冷却、液体冷却或热管冷却等热管理方式相结合,可以发挥相变材料的高相变潜热,同时弥补相变材料导热系数低的问题,但复合的方式使得热管理系统的质量增加、结构变复杂。因此,需要根据电池组的规格和运行环境,并结合经济效益来制定相应的热管理策略。

总结与展望

高能量密度和长循环寿命是动力锂电池的发展趋势,合适的工作温度是确保锂电池性能和寿命的关键因素,因此,有效的电池热管理具有重要意义。

目前,空气冷却和液体冷却是动力锂电池主要的热管理方式,而热管冷却和相变冷却是新型热管理方式。随着锂电池容量和充放电速率的增加,单一的热管理技术已难以满足使用要求,多种热管理技术耦合可以相互补充,是未来热管理技术发展的趋势。

在相变冷却热管理技术的研究上,除了考虑相变材料的储热、导热等性能外,还应考虑相变材料在锂电池热管理失效后的火安全性问题,加强对相变材料燃烧性能、阻燃技术等的关注和研究。



热管理系统不管采用哪种冷却方法,都需要材料作为载体,其中一些冷却方式需要管路作为冷却介质的储存和运输通道,严苛的工作条件对管路的设计和选材也带来了新的挑战。目前,管路的材料正出现由金属和橡胶向尼龙和TPV转变的趋势。

参考阅读:新能源汽车冷却管路材质趋势:尼龙和TPV将淘汰金属和橡胶


参考资料:动力锂离子电池热管理技术研究进展,贺元骅等


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