鋰離子電池組冷卻技術研究進展

薛龍

摘要：電池組熱管理系統(tǒng)是保障鋰離子電池組高效、安全運轉(zhuǎn)的關鍵，伴隨鋰離子電池在電動汽車以及其他電力領域的應用不斷擴展，鋰離子電池組的散熱問題逐漸凸顯，因此文章針對影響鋰離子電池組性能的關鍵方面——散熱冷卻技術進行系統(tǒng)化分析，介紹了傳統(tǒng)冷卻技術結(jié)構(gòu)研究與改進以及最新冷卻技術等。

關鍵詞：鋰離子電池組；冷卻；技術；溫度

1 傳統(tǒng)冷卻技術結(jié)構(gòu)研究與改進

電動汽車電池系統(tǒng)常用的散熱方式包括主動式及被動式冷卻，依據(jù)電池組散熱方式受外界干擾程度而分，其中，主動式冷卻基本不受外界環(huán)境條件影響，可依據(jù)實際散熱需求進行有效的散熱；被動式冷卻則受環(huán)境條件影響較大，目前常采用的散熱方式包括空氣冷卻、液體冷卻和相變材料冷卻等三大類。

傳統(tǒng)冷卻技術中，風冷式散熱技術最為普遍，但在惡劣環(huán)境下，其散熱效能難以滿足實際需求，而液體冷卻技術以其較高的熱傳導率、較優(yōu)的對流換熱系數(shù)逐漸得到廣泛關注。目前液體冷卻結(jié)構(gòu)日益多樣化，包括直接接觸與間接接觸兩種方式，直接接觸冷卻方式對于冷卻液體的絕緣性要求較高，如礦物油等，通過冷卻液與電池模組的直接接觸可實現(xiàn)均勻性散熱，但冷卻液的黏度一般較大；間接接觸冷卻方式可采用導熱性能較好的介質(zhì)如乙二醇等，通過冷板與電池模組隔開，冷板起到熱量傳輸作用，換熱效率相對提升，但同時散熱結(jié)構(gòu)也更加復雜。圖1為電池與冷卻管間接接觸液冷結(jié)構(gòu)圖，鋰離子電池間插有金屬導熱材料。

2 新型冷卻技術

在研究傳統(tǒng)冷卻技術的基礎之上，目前技術人員正在大力開展對新型冷卻技術的研究，以不斷提升電池組系統(tǒng)散熱性能以及效率，促進電動汽車行業(yè)的發(fā)展。新型冷卻技術主要包括以下幾方面。

2.1 熱管冷卻技術

熱管冷卻技術利用低沸點相變介質(zhì)，將熱管置于電池組表面，在電池組充放電過程中產(chǎn)生的熱量將由熱管中相變介質(zhì)吸收后，立即氣化至熱管另一端，冷凝后形成液體，再返回至熱端，循環(huán)帶走熱管熱端熱量，從而降低電池組熱量。熱管中需做抽真空處理，可降低相變介質(zhì)沸點，更易實現(xiàn)熱端蒸發(fā)與冷鍛冷凝，因此，該方法具有高效、熱阻低的優(yōu)勢。

目前熱管在應用中存在不同的形式，如將L型熱管熱端及冷端分別置于鋰離子電池及翅片基體中，一方面，可吸收電池組余熱，另一方面冷凝端翅片具有較大的換熱面積，可提升冷凝換熱效果；設計專用于圓柱形鋰離子電池的波紋式散熱片，利用L型熱管帶走電池模塊熱量。

2.2 PCM冷卻技術

PCM冷卻技術采用的介質(zhì)為石蠟、脂肪酸、水合鹽等固態(tài)PCM介質(zhì)，將其填充于電池周圍，利用固液相變過程吸收大量熱量，且保持自身溫度不變，可達到降溫的目的，有利于保證電池組安全高效運行。目前對于PCM冷卻技術的研究也較多。對有/無PCM（石蠟）冷卻條件下的電池組模塊進行放電溫度曲線分析表明：PCM冷卻中電池模塊降溫幅度可維持較低范圍，能夠確保電池組溫度的一致性，然而PCM介質(zhì)的熱導率較低，在吸熱過程結(jié)束后的潛熱恢復過程中降溫緩慢，需開展提升PCM熱導率的研究。

研究表明，在PCM中增加高導熱材料，可增加PCM導熱系數(shù)，泡沫銅PCM冷卻效果較優(yōu)，可改善PCM冷卻效果，實現(xiàn)對電池組溫度的有效控制，避免溫度過高影響電池模組安全穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。

2.3 基于PCM的耦合冷卻技術

考慮到傳統(tǒng)冷卻技術與新型冷卻技術具有各自的優(yōu)勢與特點，可考慮利用耦合技術將傳統(tǒng)冷卻技術與新興冷卻技術的優(yōu)勢進行有效的結(jié)合，基于PCM的耦合冷卻技術被提出。

基于PCM的耦合冷卻技術利用PCM介

質(zhì)或熱管吸收電池組熱端熱量，然后通過傳統(tǒng)冷卻技術實現(xiàn)吸熱量的耗散，耦合冷卻技術可采用風冷/水冷與PCM技術結(jié)合的形式，以提升熱量耗散速度。

下圖2所示為PCM與風冷耦合結(jié)構(gòu)圖，電池組熱量通過PCM介質(zhì)吸收，然后通過強制通風翅片形式實現(xiàn)熱量的快速耗散，實現(xiàn)更優(yōu)的冷卻性能。

3 實驗結(jié)論

鋰離子電池組冷卻技術是保障鋰離子電池成組后性能發(fā)揮與安全工作的關鍵技術。傳統(tǒng)冷卻技術逐漸面臨各種問題，因此技術人員正在對各類新型冷卻技術進行研究。將PCM或熱管與風冷或液冷等主動冷卻方式耦合使用，可發(fā)揮PCM、熱管冷卻的優(yōu)勢，并有效降低電池組溫差，大幅簡化了系統(tǒng)流道，增強了系統(tǒng)可靠性。

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