鋰離子電池組冷卻技術研究進展

胡棋威，李文斌，王兆聰

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢430064）

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鋰離子電池組冷卻技術研究進展

胡棋威，李文斌，王兆聰

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢430064）

摘 要：鋰離子電池在電動汽車、船舶電力推進等領域前景十分廣闊。然而鋰離子電池大規模成組使用時，熱問題凸顯，制約了鋰離子電池在上述領域的廣泛應用。鋰離子電池組冷卻技術能保證電池組在安全溫度范圍內運行，是保障鋰離子電池成組后性能發揮與安全工作的關鍵技術。該文將當前鋰離子電池組冷卻技術分為風冷、水冷、新型冷卻技術和耦合冷卻，并分別概述了每種冷卻技術的研究進展與結構改進。

關鍵詞：鋰離子電池 電池組 冷卻技術

0 引言

電動汽車、船舶電力推進等領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，且結構緊湊，因而電池產熱大，熱量易積累，電池組容易局部過熱或溫度不均勻，進而容易導致電池性能衰減、一致性變差，甚至“熱失控”。冷卻技術，不僅能保證電池組在較低的溫度范圍內工作，大大延緩電池性能衰減，并避免電池發生“熱失控”；而且還能通過減小電池組溫度梯度，來延緩組內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是保障鋰離子電池成組后性能發揮與安全的關鍵技術。鋰離子電池組傳統冷卻技術以風冷、液冷為主。而當前冷卻技術的發展集中在三個方向：傳統冷卻方式的結構研究與改進，發展新型冷卻技術，將新型冷卻與傳統冷卻方式耦合應用。

1 傳統冷卻技術結構研究與改進

風冷是鋰離子電池組最簡易，最常見的冷卻技術之一。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日益苛刻的要求。液體導熱系數、熱容，與固體間的對流換熱系數均大幅高于氣體，因而液冷冷卻效率比風冷高的多，并逐漸取代風冷，成為最常見的鋰離子動力電池冷卻技術。

如圖1，文獻[1,2]將鋁板或其它導熱材料插在方形鋰離子電池之間，組成“三明治”結構，再將電池間導熱材料與埋有蜿蜒液冷流道的“冷板”緊密固定，從而將電池熱量通過鋁板間接地傳遞給冷卻液。其中文獻[1]的水冷系統將電池模塊溫度控制在35℃以下。這種水冷結構冷卻管道長度小，復雜度低，冷卻系統耗能小。

而目前工業化做法，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嵌U型液冷流道的金屬片，冷卻液吸收電池熱量后匯入主流道，與外部換熱后再次循環。這種冷卻管道與電池緊密接觸的方案使冷卻液與電池換熱能力大大增強。如圖2b，與比亞迪類似，欣旺達專利[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主管道。電池間冷卻管道的細化分散化可以增強液冷下電池溫度場的均一性，但流體的壓損會更大。

通用Volt汽車冷卻系統將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構（圖3a）。流道的細微化使Volt電池組冷卻系統冷卻能力和溫度場均一性進一步提高，Volt的電池組內的溫度差可控制在2℃以內。

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。其冷卻系統將灌注水、乙二醇的扁帶

2 新型冷卻技術

目前鋰離子電池組工程應用的冷卻系統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介質相變過程潛熱來轉移電池模塊熱量。熱管一般被抽成真空，以降低內部介質沸點，便于介質熱端蒸發與冷端冷凝，從而傳輸熱量，具有熱阻極低，形狀可變等特點。

如圖4a，文獻[5]將L型熱管熱端插入方形鋰離子電池之間，吸收電池熱量，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行散熱。如圖4c，文獻[6]針對圓柱鋰離子電池設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出電池模塊。比亞迪公司專利（圖4d）則通過環繞于電池模塊周身的熱管，將電池熱量導至底部散熱片散出。

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構，而PCM冷卻則將石蠟、脂肪酸、水合鹽等固態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，從而實現溫度較均一的冷卻，并避免電池組局部溫度過高而引發熱失控。

文獻[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從68℃降至45℃，最大溫差從10℃降至4℃。PCM冷卻的優勢在于維持電池組溫度的均一性，降低電池溫升，但是PCM通常熱導率極低，因而在PCM吸收電池放電期間熱量后，恢復潛熱期間，熱量從PCM向外界散失緩慢，導致潛熱恢復期電池組降溫緩慢，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、大倍率充放電下熱量來不及散出，導致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率的提升上。

文獻[8,9]通過在PCM中增加高導熱材料，如泡沫金屬或膨脹石墨（圖5），以增加PCM導熱系數，改善PCM冷卻效果，發現自然風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熱導率改性：a膨脹石墨增強；b泡沫銅增強；

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

3 耦合冷卻技術

耦合冷卻技術一般結合新型冷卻與傳統冷卻方式優點，先將PCM或熱管與電池直接接觸換熱，再通過傳統冷卻技術將PCM/熱管吸收的熱量帶走。

3.1基于PCM的耦合冷卻

PCM與風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、大倍率充放電下熱量來不及散出，導致PCM完全融化，失去冷卻能力。

如圖6，文獻[10]將填充PCM（石蠟/膨脹石墨）的圓柱電池模塊放置于風洞內模擬PCM風冷耦合效果。只有PCM冷卻下的模塊在第三循環溫度已經達到60℃，而耦合風冷后，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，而風冷則在充電過程將恢復PCM潛熱，降低PCM溫度，從而以較簡單的結構實現高效與高可靠性。

圖7 PCM風冷耦合冷卻模塊結構圖（電池間開設風道）

如圖7，文獻[11]不僅耦合使用膨脹石墨改性的PCM和風冷冷卻方形鋰離子電池模塊，并將冷卻風道設置在兩兩電池之間，以增強PCM與冷卻風的換熱。仿真結果證明，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[12]中通過金屬翅片增強冷卻風與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[13]則將PCM、散熱翅片、方形鋰離子電池組成三明治結構，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構圖

Javani[14]等進一步的將液冷與PCM（十八烷）耦合使用，冷卻電池組，發現耦合后的冷卻效果比單獨液冷更好。如圖9，通用汽車專利[15]將原有水冷板-電池三明治結構鋰離子電池模塊基礎上，增加多層膠囊化PCM層，實現PCM-水冷耦合冷卻。通用工程師認為，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致熱管冷凝端，但熱量從熱管冷端向環境散發時速度較慢。基于熱管的耦合冷卻一般將風/液冷應用在熱管冷凝端，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[16]研究了風冷冷卻熱管冷凝端的電池組耦合冷卻系統，發現增加熱管數量和加裝散熱翅片均能降低電池組溫度，創造渦流結構能減小電池間溫差。在這種耦合冷卻下，電池組電池8C放電仍保持正常溫度。

上述結構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，并耦合風冷對鋰離子動力電池模塊進行冷卻。冷卻風不僅流經在熱管冷凝端上的散熱片，還能直接通過電池模塊內部布置的通道。因而電池-熱管-冷卻風之間的換熱都大幅增強了。仿真結果表明，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 風冷對熱管冷凝端冷卻示意圖

圖11 熱管風冷耦合仿真圖：a 仿真三維模型；b 溫度場

圖12 熱管風冷耦合冷卻結構（松下索尼專利）

而文獻[18]的熱管-風冷耦合結構中（圖12），熱管則安裝于風冷流道尾部高溫區域，起到調節風冷電池組溫差的作用。

除風冷以外，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[19]將熱管插入模塊兩兩電池之間，將電池熱量導向外側液冷管道，從而大大簡化了水冷流道復雜度。如圖13b，文獻[20]將PCM冷卻、熱管冷卻、風冷三種冷卻方式取長補短，有機的結合在一起。首先，PCM直接填充于鋰離子電池與模塊外壁之間，直接吸收電池熱量。接著，熱管蒸發端（熱端）直接插入模塊底部PCM內，迅速吸收PCM熱量。最后，施加于外部翅片和模塊中心風冷流道的冷卻風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構圖與b PCM熱管風冷耦合冷卻結構圖

4 結語

鋰離子電池組冷卻技術能保證電池組在安全溫度范圍內運行，是保障鋰離子電池成組后性能發揮與安全工作的關鍵技術。目前，風冷與水冷應用已十分成熟，但風冷由于氣體傳熱固有劣勢，導致冷卻效果和溫差的控制難以滿足鋰離子電池大規模成組要求。而水冷技術冷卻效果優異，但系統較為復雜，且對循環液驅動功率有較大需求。新型冷卻技術如PCM和熱管冷卻，雖然系統簡潔，但只能滿足工況溫和，模塊規模較小情況下的冷卻需求。而將PCM或熱管與風冷或、液冷等主動冷卻方式耦合使用，一方面能發揮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，對于風冷或液冷系統而言，PCM、熱管的加入大幅簡化系統流道，不僅減低了冷卻系統所需能源，還增加了系統可靠性。因而耦合冷卻是解決鋰離子電池大規模成組后冷卻問題的一條重要技術路線，但相關研究工作還處在探索階段，進一步研究工作需大量開展。

參考文獻：

[1]Nieto N,Luis Díaz,Gastelurrutia J,et al.Novel thermal management system design methodology for power lithium-ion battery[J].Journal of Power Sources,2014,272:291-302.

[2]Smith J,Hinterberger M,Hable P,et al.Simulative method for determining the optimal operating conditions for a cooling plate for lithium-ion battery cell modules[J].Journal of Power Sources,2014,267(4):784-792.

[3]李肇豐.散熱件及電池模塊:中國,201410169099.8 [P].2015-07-15.

[4]汪雙鳳.一種用于鋰電池散熱的微通道冷卻均溫系統:中國,201210209217.4 [P].2015-03-11.

[5]唐國志.一種電動汽車動力電池溫控模塊:中國,201210395092.9 [P].2012-10-17.

[6]韓寧.一種動力電池板式熱管冷卻系統:中國,201520045091.0 [P].2015-7-1.

[7]Kizilel R,Lateef A,Sabbah R,et al.Passive Control Of Temperature Excursion And Uniformity In High-Energy Li-Ion Battery Packs At High Current And Ambient Temperature[J].Journal of Power Sources,2008,183(1):370-375.

[8]Li W Q,Qu Z G,He Y L,et al.Experimental study of a passive thermal management system for high-powered lithium ion batteries using porous metal foam saturated with phase change materials[J].Journal of Power Sources,2014,255:9-15.

[9]Qu Z G,Li W Q,Tao W Q.Numerical model of the passive thermal management system for high-power lithium ion battery by using porous metal foam saturated with phase change material[J].International Journal of Hydrogen Energy,2014,39:3904-3913.

[10]Ling Z,Wang F,Fang X,et al.A hybrid thermal management system for lithium ion batteries combining phase change materials with forced-air cooling[J].Applied Energy,2015,148:403-409.

[11]Fathabadi H.High thermal performance lithium-ion battery pack including hybrid active–passive thermal management system for using in hybrid/electric vehicles[J].Energy,2014,70(3):529-538.

[12]Hallaj S A,Selman J R.Battery system thermal management:U.S.Patent 8,273,474[P].2012-9-25

[13]Kwak J W,Song K H,Lee H S,et al.Heat control pouch for battery cell module and battery cell module having the same:U.S.Patent 8,518,574[P].2013-8-27.

[14]Javani N,Dincer I,Naterer G F,et al.Energy analysis and optimization of a thermal management system with phase change material for hybrid electric vehicles.Applied Thermal Engineering,2014,64(1):471-482.

[15]Wang X J.Battery thermal interfaces with microcaptured phase change materials for enhance heat exchange properties:U.S.Patent 8,927,131[P].2015-1-6.

[16]Ye Y,Saw L H,Shi Y,et al.Numerical analyses on optimizing a heat pipe thermal management system for lithium-ion batteries during fast charging[J].Applied Thermal Engineering,2015,86:281-291.

[17]胡小峰.電動汽車鋰離子電池組無機超導熱管散熱性能研究.湖南大學,2012.

[18]Kimoto S.Cooling Device for battery pack:U.S.Patent 7,297,438[P].2007-11-20.

[19]曾毅.一種電池散熱裝置及電池組:中國,201120232938.8[P].2012-05-09.

[20]饒中浩.一種基于空氣、熱管和相變材料耦合冷卻的動力電池模塊:中國,201410519706.9[P].2015-03-04.

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。

收稿日期：2015-11-10

中圖分類號：TM911.14

文獻標識碼：A

文章編號：1003-4862（2016）02-0053-06