鋰離子動力電池冷卻技術分析及啟示

趙 滿，宋 強，胡棋威

應用研究

鋰離子動力電池冷卻技術分析及啟示

趙 滿1，宋 強1，胡棋威2

（1. 海軍研究院，北京 100161；2. 武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

溫度是影響鋰離子動力電池工作性能的主要因素之一，高效合理地設計電池的冷卻系統對電池的正常工作有重要作用，從而能保障鋰離子電池組在各種工況安全穩定地運行。本文研究總結目前主流鋰離子電池組采用的風冷、液冷技術及電池關鍵參數。對比可知，早期風冷技術因其結構簡單、成本低成為車、船用鋰離子電池主要冷卻方案，但現在應用環境對電池的要求越來越高，液冷技術正逐漸取代風冷技術成為各大企業的優先選擇，未來隨著液冷技術的成本不斷降低，有望成為新能源汽車的首選冷卻方案，相應成果亦可推廣應用于新能源船舶。

鋰離子電池 風冷 液冷

0 引言

鋰電池已成為目前最主要的二次電池，因其具有使用壽命長、比能量高、對環境友好等優點[1, 2]，已成為了電動汽車、船舶電力推進以及便攜式設備的重要核心[3]。但在其充放電過程中，由于材料內阻電化學反應產生大量熱量，導致電池溫度升高，會進一步加快熱量生成，從而導致電池熱失控。電池熱失控會出現電解液分解，電池表現會出脹氣、變形、泄露、燃燒、爆炸等后果，也是鋰電池安全性不能保障的最主要原因。另外，過高的溫度會加速鋰離子電池的老化，影響電池的使用壽命[4]。但大量鋰離子電池成組使用時，結構緊湊，電池產熱大，更容易積累大量熱量，鋰離子電池作為新能源汽車的重要組成部分，其工作時的穩定性和安全性直接影響到新能源汽車的使用性能[5]。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。常見的鋰離子電池組冷卻技術以風冷、液冷為主。

1 風冷技術

風冷系統結構簡單，重量輕，所以廣泛地應用于電池的熱管理系統[6-7]。目前國內汽車廠商廣泛采用風冷式散熱，風冷是以低溫空氣為介質，利用空氣和電池模組間的熱對流，降低電池溫度的一種散熱方式。該散熱方式雖然散熱效率較液冷散熱差，但結構相對簡單、維護方便、研發成本較低，廣泛應用于市場上的新能源車型。風冷按照通風方式可分為串行式風冷散熱和并行式風冷散熱[8]。圖1展示了冷卻風并列通過每只電池（即并行冷卻，圖1a）與冷卻風依次吹過每只電池（即串行冷卻，如圖1c）的效果。當應用并行冷卻時，冷卻風能更均勻的冷卻每一只單體，串行冷卻下，首先接觸冷卻風的電池溫度較低，而最后接觸冷卻風的電池溫度較高。從仿真結果圖1b和d可以看出，并行冷卻下電池的最高溫度比串行冷卻下低9℃，模塊最大溫差小7℃。

圖1 并行冷卻與串行冷卻示意圖與仿真溫度場

a并行冷卻示意圖；b并行冷卻仿真溫度場；c串行冷卻示意圖；d串行冷卻仿真溫度場

大部分電動車廠家電池組風冷方案均采用并行冷卻方案。但由于氣固對流換熱系數低，風冷技術冷卻效率難以大幅提高，受制約較嚴重。日產Leaf電池系統采用風冷技術作為其冷卻方案，其功率密度低于200 W/L；早期豐田普銳斯采用的并行風冷方案除了讓冷卻風平行的通過每只單體，還將車廂中的空調冷氣抽進電池包，用于電池包風冷，通過增加介質-電池溫差，以增強電池與空氣的換熱功率。在方形鋰離子電池之間安置泡沫狀鋁板、金屬導熱槽、金屬針板及金屬褶皺板，組成三明治結構，均可以增加電池與空氣的換熱面積，從而強化鋰離子電池組風冷效果。Enerl的Think City車型在每兩片并聯電池頭部間均有中空鋁制導熱槽來增強冷卻效果。目前風冷技術是鋰離子電池組冷卻的主要方式之一，下文簡述主流鋰離子電池組的技術特點及相關參數。

1.1 寧德時代

寧德時代電池模塊和電池包采用輕量化成組路線，271 Ah鋁殼磷酸鐵鋰電芯通過鈑金結構件鉚接固定形成4串電池模塊，模塊體積能量密度高達244 Wh/L，模塊重量成組效率高達86.8%，模塊體積成組效率高達70.8%，其某型電池模塊和電池包技術參數如表1所示。

表1 寧德時代某電池模塊和某電池包技術參數

電芯通過扎帶捆扎形成36串電池包，電池通過鋁合金下箱體和高分子材料上蓋封裝，電池包重量成組效率高達91.6%。該電池包主要應用于儲能電站及電動大巴，冷卻方式主要為空調風冷。可見，為了提供電池包能量密度，滿足政策要求，一定程度上犧牲了電池包安全性，對電池包安全性的保障主要依靠電芯及外部滅火裝置。

1.2 中航鋰電

中航鋰電120 Ah鋁殼磷酸鐵鋰電芯通過3并3串形成電池模塊。電池模塊主體結構為鋁合金型材端板和鋁合金側板，通過激光焊固定。電池模塊體積能量密度為205.7 Wh/L，模塊重量成組效率高達86.8%。6個電池模塊通過串聯形成一個電池包，儲能20.7 kWh，電池包體積能量密度為134.4 Wh/L。其某型電池模塊和電池包參數如表2所示，該電池包主要應用于混合動力商用車、純電動商用車、插電式和增程式電動汽車，冷卻方式主要為自然風冷。

表2 中航鋰電某電池模塊和電池包參數

2 液冷技術分析

與空氣冷卻技術相比，液體冷卻系統更加復雜，可以通過在電池之間插入微通道冷板或將電池浸沒在電介質流體中，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兩種，一種為電芯級冷卻，將冷卻流道設計成薄板狀或扁帶狀，直接分布在在電池之間間隙，液冷結構與電池緊密接觸，流體直接帶走電池熱量。另一種為模塊級冷卻，通過在電池單體之間安裝導熱材料將電池單體熱量導向電池模塊表面，主體冷卻結構則安裝在電池模塊表面，通過冷卻介質對流冷卻導熱材料，間接帶走電池熱量帶走。電芯級冷卻效率較高，且在非事故狀態下，對相鄰電芯之間的熱交換具有一定隔離性，但在事故狀態下這種復雜且脆弱的冷卻結構容易失效。模塊級冷卻安全性更高，但效率相對于電芯級冷卻較低。

液冷技術系統較為復雜，且對循環液驅動功率、機械強度、耐振動性及使用壽命都有一定的需求，但優異的冷卻效果使其成為目前許多新能源汽車的優選方案。下文簡述幾種采用液冷技術的鋰離子電池組技術特點及相關參數。

2.1 通用Volt 微流道液冷板

如圖3-7所示，通用Volt插電式混合動力汽車冷卻系統在僅1.2 mm厚的散熱片內密布大量微小U型冷卻液（50%水與50%乙二醇）流道，組成“冷板”結構（圖2b），再將“冷板”插入方形電池之間，與電池表面緊密貼合，組成三明治結構（圖2a）。密布的微小流道是Volt電池組冷卻系統冷卻能力和溫度場均一性較為優秀，Volt的電池組內的溫度差可控制在2℃以內。除此之外，為了保證冷板與電池在電池組全壽命的緊密接觸，三明治結構中還存在多層膨脹材料，以避免電池膨脹收縮后，與冷板接觸不良。

圖2 通用Volt電池模組冷卻結構

設計時，每兩支電池對應一片冷板和1片膨脹（隔熱）材料，以實現電芯熱量從冷板疏散，電芯與電芯之間的熱量通過冷板或膨脹（隔熱）材料隔離。這樣，既可以實現高效冷卻，又能減緩熱失控傳播。

然而，這種復雜、脆弱的設計在事故模式很難可靠的完成其使命。在2011年5月12日開展的一輛Volt碰撞測試中，碰撞后，一根橫向加強筋刺穿了電池包通道部分，損壞了電芯、冷卻系統，并破壞了電池包的氣密性，冷卻液泄露導致電池內短路，電池開始燃燒，進一步損傷冷卻系統。由于熱量無法及時疏導，絕緣失效產生電弧，電弧會進一步導致電池發熱，增加額外熱量，加速熱失控傳播，最終造成整車燃燒。

2.2 特斯拉蛇形管液冷

特斯拉的成組思路是通過高比能的電芯和大量成組安全設計來保證電池系統在一定程度的濫用下的安全性。特斯拉model S采用的電芯為松下NCA材料3.2 Ah 18650圓柱電芯，電芯體積能量密度高達696.8 Wh/L。電芯通過75并6串組成電池模塊。模塊體積能量密度高達315.3 Wh/L。電池模塊通過16串組成電池包，電池包體積能量密度高達182.5 Wh/L（只考慮主體高度，凈體積）。其某型電池模塊參數如表3所示。

特斯拉model S電池包采用水冷設計。其冷卻系統將灌注水、乙二醇的蛇形鋁管貼合在兩列圓柱電池之間，并包覆絕緣導熱材料。這樣，不僅圓柱電池與散熱管道間實現了緊密的面接觸，保證了冷卻液與電池間良好換熱，還提高了電池包的整體熱容，增強了電池組在異常熱源下的可靠性。整個電池包通過多個隔熱墻分割成多個區域，起到隔離各區域間熱失控傳播的作用。特斯拉model S通過犧牲電池模塊體積成組效率（45.3%）和電池包體積成組效率（26.2%）來為電池包安全設計提供空間。

表3 特斯拉Pack參數

特斯拉Model 3采用的電芯為松下4.8Ah，21700圓柱電芯，電芯體積能量密度高達732.9 Wh/L。電芯通過46并24串組成電池模塊。模塊體積能量密度高達531.6 Wh/L。電池模塊通過4串組成電池包，電池包體積能量密度高達233.5 Wh/L。同樣的，model 3電池包采用了大量如水冷、電池間灌注隔熱膠、模塊間隔熱墻、電池包泄壓設計的安全措施，來保證電池包的安全性，體積成組效率僅為31.9%。

特斯拉Model S、Model 3和通用Volt對電池熱量的疏導和電芯間熱量的隔離采取的都是分布式的處理辦法：電芯相對獨立冷卻，電芯間增加隔熱材料，增加電芯獨立性，在電池散熱和熱失控阻斷之間取得了平衡。同時，存在同樣的風險：

1）分布式處理空間有限的情況，電芯間散熱、隔熱裝置太復雜、太脆弱，容易在事故中失效；

2）冷卻接口多，冷卻接口在電池包內部，冷卻液導電，泄露后存在短路風險；

3）選擇的電芯均為高比能三元體系。熱失控最高溫度太高。電池包內冷卻接口多為橡膠（volt）或涂膠密封，接口距離電芯很近，沒有隔離，冷卻接口在熱失控溫度下極易失效。絕緣在火焰和高溫下迅速失效。

4）據統計（歐陽明高，2018全球未來出行大會）近年來，國內電動汽車起火，一半以上是三元電池。起火電池以圓柱電池為主，高比能三元圓柱電池熱失控時容易燃燒爆炸。因而非常難控制熱失控傳播。

5）結構特征決定，圓柱電池熱失控時，電芯泄壓閥更容易噴射出更多高溫物質在電芯熱失控以后，噴發物對模組周圍帶來的絕緣下降引起的短路造成的二次加熱。

2.3 寶馬i3制冷劑直冷

寶馬i3采用韓國LG電池三元材料94Ah方形鋁殼電芯，通過12串組成電池模塊。電池模塊通過8串組成電池包，其某型電池包參數如表4所示。寶馬i3電池模塊間間距大于10 mm，遠大于國內大部分集成廠家電池模塊間的間距，據推測，可能是安全間距，用于阻斷電池模塊間熱失控連鎖反應。電池包在箱體底部布置了8根冷板，冷板內通制冷劑，直接冷卻電池模塊底部。制冷劑液冷的優勢在于可以省掉外循環水系統。

表4 寶馬i3Pack參數

2.4 通用Chevrolet Bolt：大冷板

通用Chevrolet Bolt采取Pack級大冷板，直接對模塊底部進行冷卻。榮威某電池Pack采用模組級冷板，直接冷卻電池模組底部。電芯熱量通過導熱鋁板傳導至底部冷板。鋁板-冷板界面通過導熱硅脂墊進行改善。冷板與下箱體之間一般設置彈性、隔熱材料，一方面改善冷板壓緊力，另一方面隔離外界對電池影響。

3 啟示

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[10]。目前，鋰離子電池組風冷與液冷技術已十分成熟，在車用鋰離子電池組上已廣泛使用。表5可以看出，車用領域對加速性能要求較高，因此電池包單位體積功率密度較大，在400～700 W/L左右，電池最大放電倍率大，約3C左右。

風冷結構簡單，便于維護且成本較低，在早期的新能源汽車中應用廣泛，但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，電池組總能量不高，逐漸不能滿足新能源汽車續航里程的市場需求，目前更多應用于電動巴士、電動物流車中。相較而言，液冷冷卻系統較為復雜，對使用環境要求更高，但冷卻效果優異，液體介質的換熱系數高、熱容量大、冷卻速度快，對降低最高溫度、提升電池組溫度場一致性的效果顯著，且熱管理系統的體積相較風冷技術更小，目前已逐漸成為中高端新能源汽車冷卻方案的主流選擇，隨著液冷技術的不斷發展，將成為新能源汽車首選冷卻方案。

表5 電動車電池冷卻技術對比

相比于電動汽車，新能源船舶對電池的額定能量要求更高，對加速性能需求不大，且有更大的電池艙空間，液冷技術相比風冷經濟性更差，因此目前新能源船舶多采用風冷或強制風冷技術進行電池冷卻。隨著新能源船舶的不斷發展，對電能需求的進一步增加，液冷技術因其更高的冷卻效率會逐步取代風冷，未來液冷技術成本降低后，將會成為新能源船舶的主流冷卻方案。

[1] 鄧繼躍. 全球新能源電池發展格局與趨勢[J]. 中國機械, 2016(4): 79-85.

[2] 戴永年, 楊斌, 姚耀春, 等. 鋰離子電池的發展狀況[J]. 電池, 2005, 35(3): 193-195.

[3] 鄧永清, 滕永霞. 鋰電在電動汽車中的應用[J]. 科技創新與應用, 2016(24): 135.

[4] 高明, 張寧, 王世學, 等. 翅片式鋰電池熱管理系統散熱性能的實驗研究[J]. 化工進展, 2016, 35(4): 1068-1073.

[5] 閔德平. 電池組結構設計及其熱管理液流傳熱強化研究[D]. 長春: 吉林大學, 2016.

[6] Yang N X, Zhang X W, Li G J, et al. Assessment of the forced air-cooling performance for cylindrical lithium-ion battery packs: a comparative analysis between aligned and staggered cell arrangements[J]. Appl Therm Eng, 2015, 80: 55-65.

[7] Chen D F, Jiang J C, Kim G H, et al. Comparison of different cooling methods for lithium ion battery cells[J]. Appl Therm Eng, 2016, 94: 846-854.

[8] 饒中浩, 張國慶. 電池熱管理[M]. 北京: 科學出版社, 2015.

[9] Saw L H, Ye Y H, Tay A A O, et al. Computational fluid dynamic and thermal analysis of Lithium-ion battery pack with air cooling[J]. Appl Energy, 2016, 177: 783-792.

[10] 胡棋威, 彭元亭, 李文斌. 鋰離子電池成組安全技術研究進展[J]. 船電技術, 2015, 35(5): 35-39.

Analysis and enlightenment of lithium ion power battery cooling technology

Zhao Man1, Song Qiang1, Hu Qiwei2

(1. Naval Research Institute, Beijing 100161, China; 2.Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM912

A

1003-4862（2023）02-0042-05

2021-09-14

趙滿（1995-），女，工程師。研究方向：動力工程。E-mail:zhaoman95@yeah.net