鋰離子電池冷板式散熱技術(shù)研究綜述

程正林

（重慶交通大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院，重慶 400074）

0 引言

新能源汽車的續(xù)航問題和安全問題與車載動力電池有著直接關(guān)系[1]。其中，鋰離子電池因其高能量密度和長壽命的優(yōu)勢，成為了電動汽車的主要動力源。鋰離子電池的健康狀態(tài)直接決定了車輛的續(xù)駛里程，而溫度是影響電池性能的主要因素，其最佳工作溫度范圍為20～40 ℃[2]。鋰離子電池在工作中會產(chǎn)生大量熱量，如果電池中的熱量積累過多，溫度過高，將會嚴(yán)重影響其性能和壽命，甚至在溫度超過80 ℃時導(dǎo)致爆炸。此外，電池的能量利用率和電池壽命也受電池內(nèi)部不均勻溫度分布影響[3]。研究表明，電池內(nèi)部的溫差超過5 ℃會導(dǎo)致10%的功率下降和25%的容量衰退[4]。因此，設(shè)計高效可靠的電池冷卻系統(tǒng)保證鋰離子電池在最佳溫度范圍內(nèi)工作以及減少電池內(nèi)部的溫度不均勻性至關(guān)重要[5]。

綜上所述，為了使新能源汽車始終保持在安全穩(wěn)定的工作條件下運行，利用高效的液體冷卻將電池溫度控制在適宜工作溫度范圍內(nèi)非常有必要，目前冷板式液冷因冷卻效率高，安全性強(qiáng)，使用壽命長等優(yōu)勢，逐漸成為了液體冷卻的主流。因此，本文基于文獻(xiàn)挖掘，總結(jié)了冷板式液冷技術(shù)的發(fā)展歷程，分析了不同冷板結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)的優(yōu)劣勢，旨在為鋰離子電池?zé)峁芾硌芯刻峁﹨⒖挤较颉?/p>

1 冷板式散熱設(shè)計分析

電池的冷卻方式主要可分為空氣冷卻、液體冷卻、制冷劑直接冷卻、相變材料冷卻及熱管冷卻，鋰離子電池?zé)峁芾淼姆诸惾鐖D1所示。前3種冷卻方式為主動冷卻系統(tǒng)，后2 種冷卻方式為被動冷卻系統(tǒng)[6,7]。與被動冷卻系統(tǒng)相比，主動冷卻系統(tǒng)的冷卻能力更強(qiáng)，但結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜[8]。

圖1 電池冷卻技術(shù)分類

與空氣冷卻技術(shù)相比，液體冷卻擁有更高的換熱系數(shù)，可以在電池之間插入微通道冷板，從而提供更高的冷卻能力[9]。目前鋰離子電池液冷的方案主要分為2種，一種為電芯級冷卻，將冷卻流道設(shè)計成薄板狀或扁帶狀，直接分布在在電池之間間隙，液冷結(jié)構(gòu)與電池緊密接觸，流體直接帶走電池?zé)崃浚涣硪环N為模塊級冷卻，通過在電池單體之間安裝導(dǎo)熱材料將電池單體熱量導(dǎo)向電池模塊表面，主體冷卻結(jié)構(gòu)則安裝在電池模塊表面，通過冷卻介質(zhì)對流冷卻導(dǎo)熱材料，間接帶走電池?zé)崃俊ｋ娦炯壚鋮s效率較高，且在非事故狀態(tài)下，對相鄰電芯之間的熱交換具有一定隔離性，但在事故狀態(tài)下這種復(fù)雜且脆弱的冷卻結(jié)構(gòu)容易失效。模塊級冷卻安全性更高，但效率相對于電芯級冷卻較低。液冷技術(shù)系統(tǒng)較為復(fù)雜，且對循環(huán)液驅(qū)動功率、機(jī)械強(qiáng)度、耐振動性及使用壽命都有一定的需求，但優(yōu)異的冷卻效果使其成為目前許多新能源汽車的優(yōu)選方案。

1.1 微通道設(shè)計方法

1981 年，微通道冷板散熱被首次提出，最常見的就是結(jié)構(gòu)簡單易于加工的平行直流道或蛇形流道，如圖2所示。

圖2 平行直流道結(jié)構(gòu)

Huo 等[10]設(shè)計了一種帶直微通道的矩形冷卻板，考慮了環(huán)境溫度、流動方向和進(jìn)氣質(zhì)量流量對電池溫度分布的影響。結(jié)果表明，隨著質(zhì)量流量的增加，冷卻性能逐漸提高，但提高趨勢逐漸變小。Qian 等[11]采用了一種基于微通道冷板的液體冷卻方法，考慮冷卻劑分布不均勻的情況下，進(jìn)一步研究了小通道冷板的冷卻性能。結(jié)果表明，小通道冷板熱管理系統(tǒng)在電池5 C放電時具有良好的冷卻效率。

隨著電動汽車的大力發(fā)展，對電池?zé)峁芾淼囊笤絹碓骄珳?zhǔn)。不僅需要降低溫度，對溫度均勻性等也有嚴(yán)格的要求，普通直流道和蛇形流道早已無法滿足需求。在平行流道和蛇形流道的基礎(chǔ)上，衍生了很多改進(jìn)結(jié)構(gòu)。通過研究發(fā)現(xiàn)，改變冷卻通道結(jié)構(gòu)可以改善冷卻系統(tǒng)的散熱性能。Zhao等[12]采用蛇形通道，通過增加圓柱形電池與冷板的接觸面積，在5 C 的放電倍率下，電池模塊的溫差在0.7°C以下。Sheng等[13]設(shè)計了一種新型的雙蛇形通道冷卻板，比較并分析了進(jìn)、出口布置，通孔數(shù)量和通孔直徑對冷卻能力的影響。優(yōu)化結(jié)果表明，雙蛇形通道散熱板能有效控制電池溫度，具有較好的散熱效果。Li 等[14]提出了一種硅冷板與直銅管和蛇形銅管相結(jié)合的冷卻矩形電池的方法。除了研究冷卻液流量和方向的影響外，還考慮了電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)（Battery Thermal Management System,BTMS）的能源消耗，結(jié)果最大溫差為1.78°C，最高溫度為41.92°C。

隨后，一些研究人員開發(fā)了先進(jìn)的優(yōu)化算法來優(yōu)化冷卻通道。以減小流動阻力，提高換熱能力。Jarrett等[15]以降低壓降、平均溫度和溫差為目標(biāo)，對蛇形流道冷卻板進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化，首次為微通道冷卻板的優(yōu)化設(shè)計提供了一種數(shù)值方法。此外，Tan等[16]提出了一種基于界面增強(qiáng)廣義有限元方法的優(yōu)化方法，考慮了多目標(biāo)函數(shù)對嵌入在電池冷卻板中的二維微通道網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，研究了不同約束條件對最優(yōu)設(shè)計的影響。Li等[17]進(jìn)一步采用多目標(biāo)優(yōu)化方法設(shè)計了一種高效的微通道冷卻板，研究表明，該冷板能夠在冷卻性能和功耗之間實現(xiàn)良好的權(quán)衡，功耗較其他冷板大幅度降低。

然而，車用鋰離子電池在充放電過程中會產(chǎn)生巨大的熱量，微通道散熱設(shè)計多數(shù)來源于經(jīng)驗設(shè)計，缺乏設(shè)計理論，并且微通道冷板性能與流道形狀密不可分，極大的制約了設(shè)計的靈活度，無法高效及時將熱量散發(fā)出去，對冷板性能的提升是有限的。

1.2 分形設(shè)計方法

隨著汽車行業(yè)的快速發(fā)展，電動汽車的快充技術(shù)越來越重要，因此對電池的散熱要求也越來越高，促使新的散熱設(shè)計方法不斷涌現(xiàn)。近些年，分形流道已經(jīng)在實際工程中應(yīng)用，進(jìn)一步提高了電池的冷卻性能，分形通道結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 分形通道結(jié)構(gòu)

分形流道結(jié)構(gòu)參數(shù)對流道性能有顯著影響。Bejan等[18]首次研究了樹形分形通道的散熱性能，發(fā)現(xiàn)樹形分形冷板有很低的壓降，同時也可以提供較好的溫度均勻性。Yu 等[19]研究了分形樹狀流道在不同長寬比下水力特性和熱工特性，并與直形微通道進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)以較高的泵功率為代價，分形樹形微通道的換熱系數(shù)遠(yuǎn)高于直線微通道。徐國強(qiáng)等[20]研究了分叉角度、分形級數(shù)對電池性能的影響。發(fā)現(xiàn)分叉角度為60°，分形流道級數(shù)為3時，電池溫度均勻性更好，冷板綜合性能最佳。

為進(jìn)一步增強(qiáng)分形流道性能，隨后對多層分形流道及具有肋片或者孔洞的分形冷板進(jìn)行研究。Xu等[21]發(fā)現(xiàn)在一定的流動條件下，多層微通道的單位熱阻、壓降和努塞爾數(shù)由層數(shù)決定，并且隨著分形流道層數(shù)增加，換熱器熱阻持續(xù)降低。結(jié)果表明，分形多層微通道結(jié)構(gòu)對換熱性能和流體流動性能有顯著影響。Yan等[22]提出了一種新穎的Y形分形網(wǎng)絡(luò)截斷雙層散熱器，對其進(jìn)行了仿真研究。結(jié)果表明與分形雙層流道相比，用較低的泵功率可以將入口附近的溫度均勻性提高24%～30%。Fan等[23]提出了一種新型雙層分形樹枝狀通道冷板，該冷板有傳熱層通道和收集層通道。以壓降、表面標(biāo)準(zhǔn)差和最高溫度為目標(biāo)，采用NSGA-II 算法進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化。優(yōu)化后，冷板的綜合散熱性能大幅度提升。Xie 等[24]受傳熱器中常用擋板的啟發(fā)，引入具有不同數(shù)量和模式的分流器到液冷板的流道中，研究了內(nèi)部結(jié)構(gòu)與溫度控制性能之間的關(guān)系。結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)增加分流器數(shù)量可以有效降低溫度和溫差。此外，盡管能量消耗相對較高，但具有20～30 個分流器的雙面模式展示了電池模塊最佳的冷卻效果。

1.3 仿生設(shè)計方法

仿生學(xué)作為一種跨學(xué)科的新興領(lǐng)域，被越來越多地應(yīng)用于工程技術(shù)中。仿生冷板作為一種仿生技術(shù)的典型代表，在熱管理領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。目前研究人員已經(jīng)設(shè)計出了許多不同形狀和尺寸的仿生冷板，例如仿生蓮葉、仿生鯊魚皮、仿生蜘蛛網(wǎng)等，如圖4所示。它具有較高的散熱效率，可以大大提高電子設(shè)備的性能和壽命。其次，具有較小的流體阻力和噪聲，可以使散熱系統(tǒng)更加穩(wěn)定和安靜。

圖4 仿生蜘蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)

Li 等[25]基于鯊魚皮仿生學(xué)理論，提出了4 種新型通道結(jié)構(gòu)，對熱工性能和熵產(chǎn)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)不同幾何形狀的通道將主流推向側(cè)壁，分流通道的順序收縮和擴(kuò)張區(qū)域加強(qiáng)了流體交換，傳熱性能顯著增強(qiáng)。Liang等[26]根據(jù)墨魚的運動，運用仿生學(xué)設(shè)計了一種新型的中心錐形波浪形膠帶插入物，通過數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)最佳Nusselt 數(shù)可以提高5.23～8.99 倍，最佳性能評價標(biāo)準(zhǔn)可以提高到2.62。Wu 等[27]對河網(wǎng)、昆蟲翅脈、蜂巢、蜘蛛網(wǎng)和平行渠道網(wǎng)等結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值分析，發(fā)現(xiàn)蛛網(wǎng)狀微通道散熱器具有最好的綜合散熱性能。Sheng等[28]開發(fā)了一種蜂窩狀液體冷卻通道系統(tǒng)，通過數(shù)值計算和實驗相結(jié)合的方法，研究了仿生蜂窩狀液體冷卻結(jié)構(gòu)對圓柱形電池冷卻的影響。結(jié)果表明，蜂窩冷卻系統(tǒng)可以很好地控制圓柱形電池組的最高放電溫度。Dong 等[29]中提出了一種適用于圓柱形鋰離子電池的雙螺旋液體冷卻結(jié)構(gòu)。通過數(shù)值模擬，研究了冷卻液質(zhì)量流量、螺旋槽間距和流動直徑對冷卻性能的影響。Wang 等[30]研究了一種內(nèi)部有仿生蜘蛛網(wǎng)通道的冷板，分析了槽數(shù)、液冷板的寬度和角度對電池溫度的影響，結(jié)果表明，通道寬度對冷板冷卻性能的影響最大，通道角度的影響最小。為了獲得低壓降和高換熱系數(shù)，Liu等[31]提出了一種帶有仿生葉脈分支通道的液體冷板，與初始葉脈通道和傳統(tǒng)的平行直通道相比，該結(jié)構(gòu)的最高溫度分別降低0.23 ℃和1.12 ℃，相應(yīng)的最大溫差分別降低0.28 ℃和1.64 ℃，平均壓降分別降低65.56%和8.77%。

目前，仿生冷板的研究重點主要集中在結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇和性能優(yōu)化方面。研究人員通過改變仿生冷板的形狀、尺寸和表面結(jié)構(gòu)等因素，進(jìn)一步提高了其散熱效率。此外，一些新型材料的引入也為仿生冷板的發(fā)展提供了更廣闊的空間。

1.4 拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計方法

在液冷板的設(shè)計中，拓?fù)鋬?yōu)化方法可以通過在設(shè)計過程中自動優(yōu)化結(jié)構(gòu)內(nèi)部的材料分布，以實現(xiàn)最佳散熱性能。在流體動力學(xué)和傳熱學(xué)中，拓?fù)鋬?yōu)化方法已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。例如，在船舶、航空航天、汽車和機(jī)械等領(lǐng)域，拓?fù)鋬?yōu)化方法可以用于優(yōu)化流體動力學(xué)和熱傳導(dǎo)的性能[32]。在散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計中，拓?fù)鋬?yōu)化方法可以用于優(yōu)化熱流分布，改善熱傳導(dǎo)性能，從而提高散熱效率，拓?fù)鋬?yōu)化通道結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 拓?fù)鋬?yōu)化通道結(jié)構(gòu)

Joo 等[33]使用拓?fù)鋬?yōu)化方法對自然對流中的散熱器進(jìn)行了熱學(xué)優(yōu)化。考慮翅片的局部形狀和熱邊界層的發(fā)展對熱傳遞系數(shù)的影響，提出了一種形狀相關(guān)的對流模型，試驗結(jié)果表明，通過拓?fù)鋬?yōu)化，熱阻降低了13%、質(zhì)量減輕了48%，可以提供熱性能更好、質(zhì)量更輕的散熱器設(shè)計方案。Zhang等[34]采用拓?fù)鋬?yōu)化方法對二維納米流體冷卻微通道散熱器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以實現(xiàn)最大化傳熱。通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，溫度相關(guān)性對優(yōu)化結(jié)果有顯著影響，壓力差或熱發(fā)生系數(shù)的增加會產(chǎn)生更多分支流道。

隨后部分研究開展了多目標(biāo)的電池冷板拓?fù)鋬?yōu)化，Li 等[35]通過多目標(biāo)優(yōu)化問題來權(quán)衡流體功率耗散最小化和熱交換最大。然后在單一均勻和多個非均勻熱源條件下生成具有清晰拓?fù)湫畔⒌男滦屠鋮s通道。結(jié)果表明，優(yōu)化后的冷卻通道相比傳統(tǒng)的平行通道可以實現(xiàn)更低的熱阻和更高的努塞爾數(shù)，這意味著在最小化泵送功率的情況下，優(yōu)化后的通道可以散發(fā)更多的熱能。Chen 等[36]采用拓?fù)鋬?yōu)化方法設(shè)計了多目標(biāo)的冷板，并與傳統(tǒng)的矩形通道冷板和蛇形通道冷板進(jìn)行比較，拓?fù)淅浒迮c以上兩種冷板相比，最高溫度降低了0.27%和1.08%，溫差降低了19.50%和41.88%，同時，流阻較低、傳熱系數(shù)高。Guo 等[37]通過雙目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)得到了不同類型的冷板通道模型，研究了冷板類型、通道深度和質(zhì)量流量對鋰離子電池的影響，并評估了其冷卻性能。與直通道相比，拓?fù)鋬?yōu)化通道的冷卻性能提高了61.82%。

目前部分學(xué)者也開始對拓?fù)鋬?yōu)化方法進(jìn)行改進(jìn)，Zhou等[38]提出了一種基于拓?fù)鋬?yōu)化的輪廓提取方法，旨在針對高雷諾數(shù)下設(shè)計熱流體拓?fù)鋬?yōu)化時計算成本較高、數(shù)值穩(wěn)定性較差的問題，結(jié)果表明，該方法生成的散熱器由于消除了高雷諾數(shù)下停滯區(qū)域的影響，與壁面的流體交互更好，速度分布更加均勻。Picelli等[39]基于二元結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法和幾何修剪程序提出了一種新方法，該方法自動生成顯式流體邊界，解決了目前偽密度方法調(diào)整材料插值參數(shù)的問題。

總之，相比于其他冷板結(jié)構(gòu)設(shè)計，拓?fù)鋬?yōu)化方法是一種非常有前途的工程設(shè)計方法，可以更加全面地考慮材料的分布和空間結(jié)構(gòu)，為液冷板等散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供更加全面和優(yōu)秀的設(shè)計方案。

2 不同設(shè)計方法對比分析

綜上所述，不同的設(shè)計方法具有各自的優(yōu)缺點，如表1所示。

表1 4種散熱設(shè)計方法對比

從表1 中可以看出，利用微通道方法設(shè)計的冷板結(jié)構(gòu)較簡單，易于加工制造，缺點就是根據(jù)經(jīng)驗設(shè)計，缺乏設(shè)計理論，其冷板性能與流道形狀密不可分。此外，平行微通道冷板進(jìn)出口較多，也容易造成冷卻劑的泄露風(fēng)險。隨著對產(chǎn)品性能的要求越來越高，簡單的平行微流道已經(jīng)不能滿足散熱要求。隨后，發(fā)現(xiàn)分形方法設(shè)計的分形微通道可以較高的泵功率為代價，使換熱系數(shù)遠(yuǎn)高于直線微通道，電池溫度均勻性更好，冷板溫差較小，不足之處就是泵功率較高，能耗較大。為了追求更低的功耗，仿生設(shè)計被用于高能元件的散熱中，通過仿生設(shè)計方法制造的冷板結(jié)構(gòu)具有較高的散熱效率，較小的流體阻力和噪聲，可以使散熱系統(tǒng)更加穩(wěn)定和安靜，可以大幅提高電子設(shè)備的性能和壽命。但是，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計局限使其發(fā)展空間受到了限制。隨著新能源汽車不斷向高能量密度和高集成度的方向發(fā)展，較為傳統(tǒng)的冷板設(shè)計方法逐漸被淘汰，拓?fù)鋬?yōu)化方法被廣泛應(yīng)用于流體傳熱的結(jié)構(gòu)設(shè)計中。其設(shè)計靈活度高，可以根據(jù)需求明確設(shè)計目標(biāo)，更加合理考慮材料的分布。此外，拓?fù)鋬?yōu)化冷板可以實現(xiàn)壓降與換熱效率之間的權(quán)衡，綜合散熱性能更好。

3 結(jié)束語

本文綜述了不同的冷板散熱設(shè)計方法，并對比分析目前鋰離子電池冷板設(shè)計方法的差異，對未來熱管理系統(tǒng)的發(fā)展作出了展望，主要結(jié)論闡述如下。

目前，電池系統(tǒng)主流的冷卻方式仍是液體冷卻，其具備相對成熟的技術(shù)，但受到密封性差和冷卻介質(zhì)的限制。因此，需要探索更高傳熱效率的冷卻介質(zhì)，以推動液冷系統(tǒng)的創(chuàng)新。此外，隨著鋰離子電池不斷向高能量密度和高放電倍率的方向發(fā)展，比如以液冷-相變材料、風(fēng)冷-相變材料等混合冷卻也將是未來熱管理系統(tǒng)的發(fā)展趨勢之一。

基于變密度的拓?fù)鋬?yōu)化方法設(shè)計冷板結(jié)構(gòu)，較于傳統(tǒng)流道結(jié)構(gòu)設(shè)計更容易確定設(shè)計目標(biāo)，明確初始設(shè)計方案，并且有清晰的數(shù)學(xué)優(yōu)化方向，因此可以大幅縮短設(shè)計周期，設(shè)計結(jié)果更為優(yōu)化。另一方面，隨著智能制造技術(shù)的快速發(fā)展，可以用較低的成本快速制造出復(fù)雜結(jié)構(gòu)，能夠讓拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計結(jié)果更快的轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，將是未來電池冷板設(shè)計的最佳方案之一。