鋰電池液冷散熱技術(shù)研究

摘要：雖然近些年我國電池行業(yè)的發(fā)展速度越來越快，但是，散熱管理方面的問題也日益凸顯。為了有效應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，液冷技術(shù)借助自身良好的熱傳導(dǎo)性能、均勻的散熱效果、相對較低的能耗水平成為電池?zé)峁芾眍I(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一。重點闡述了不同的液冷散熱技術(shù)類型，并對不同類型的散熱技術(shù)進行對比，最后深入研究了液冷散熱技術(shù)在解決電池散熱難題方面的最新進展，旨在為電池?zé)峁芾眍I(lǐng)域的研究與實踐提供有價值的參考與啟示。

關(guān)鍵詞：鋰電池""""液冷技術(shù)"""散熱技術(shù)"""循環(huán)利用

Research"on"Liquid"Cooling"and"Heat"Dissipation"Technology"for"Lithium"Battery

QIN"Zilong1""XU"Yuan2

1.32703"unit"of"People's"Liberation"Army"ofnbsp;China，Yangquan，"Shanxi"Province，"045233"China;2.College"of"Physics"and"Electronic"Information"Engineering，"Qinghai"Normal"University，"Xining，"Qinghai"Province，"810008"China

Abstract："Although"the"development"speed"of"China's"battery"industry"has"been"increasing"in"recent"years，"problems"in"heat"dissipation"management"have"also"become"increasingly"prominent."In"order"to"effectively"address"this"challenge，"liquid"cooling"technology，"with"its"excellent"thermal"conductivity，"uniform"heat"dissipation"effect，"and"relatively"low"energy"consumption"level，"has"become"onenbsp;of"the"key"technologies"in"the"field"of"battery"thermal"management."Therefore，"different"types"of"liquid"cooling"heat"dissipation"technologies"were"emphasized"and"compared."Finally，"the"latest"progress"of"liquid"cooling"heat"dissipation"technology"in"solving"battery"heat"dissipation"problems"is"deeply"studied，"aiming"to"provide"valuable"references"and"inspirations"for"research"and"practice"in"the"field"of"battery"thermal"management.

Key"Words："Lithium"battery;"Liquid"cooling"technology;"Heat"dissipation"technology;"Recycling"utilization

科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展促使電芯實現(xiàn)了向大型電池模塊的集成化轉(zhuǎn)變，尤其是針對新能源汽車、儲能電站等新能源領(lǐng)域，這種轉(zhuǎn)變更加顯著。然而，電池在充電和放電過程中會向外釋放大量的熱能，如果這些熱能不能及時有效排除，則很容易導(dǎo)致電池溫度持續(xù)上升，進而出發(fā)熱失控現(xiàn)象，對電池的使用安全造成一定的風(fēng)險。此外，電池持續(xù)處于高溫狀態(tài)中也會導(dǎo)致電池內(nèi)部的老化速度加快，從而縮減電池的使用壽命。目前，常見的電池散熱技術(shù)包括相變冷卻、熱管冷卻、風(fēng)冷、液冷等多種技術(shù)。相變冷卻與熱管冷卻技術(shù)目前尚停留于科研實驗室的探索階段，風(fēng)冷技術(shù)也出現(xiàn)了換熱效率低、溫度分布不均、冷卻效率低下、噪聲污染等問題[1-2]，這些問題共同制約了風(fēng)冷技術(shù)的推廣和發(fā)展。在這樣的背景下，液冷技術(shù)因為具備良好的散熱效能成為全球工程技術(shù)領(lǐng)域的研究焦點。

1"鋰電池液冷散熱技術(shù)的類型對比分析

1.1"鋰電池液冷散熱技術(shù)的類型

依據(jù)冷卻介質(zhì)與電池接觸方式的差異，液冷技術(shù)的冷卻方法可被明確劃分為間接式冷卻與直接式冷卻兩大類。

1.1.1"間接式冷卻技術(shù)

間接液冷是一種冷卻方式，應(yīng)用該技術(shù)時，冷卻液并沒有直接與電池的表面接觸，而是通過流經(jīng)設(shè)計好的管道系統(tǒng)（例如冷板）進行熱量交換，實現(xiàn)對電池的間接冷卻。冷板式液冷技術(shù)便是此類方法的典型應(yīng)用。

冷板式液冷技術(shù)的運作機制如圖1展示，該技術(shù)的核心主要是將電池組件緊密貼合于板式換熱器之上，兩者之間嵌入一層高效的導(dǎo)熱硅膠材料作為熱傳導(dǎo)媒介。電池在這種配置下運營時產(chǎn)生的熱量首先通過導(dǎo)熱硅膠層高效傳遞至冷板表面，冷板內(nèi)部循環(huán)流動的冷卻液吸收這些熱量并帶離系統(tǒng)。通過這個過程既能將熱量轉(zhuǎn)移，也能避免液與電池的直接接觸。與傳統(tǒng)的風(fēng)冷散熱技術(shù)相比，冷板式液冷技術(shù)展現(xiàn)出了多方面的優(yōu)勢。

1.1.2"直接式冷卻技術(shù)

直接冷卻是通過冷卻液與電池的直接接觸來實現(xiàn)熱量的移除，其中最常見的是浸沒式液冷技術(shù)。此項技術(shù)是將電池單元完全置于一種具備絕緣特性的冷卻液之中，該冷卻液通過不斷的循環(huán)流動，能夠高效地將電池產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)移，從而實現(xiàn)熱量的有效散發(fā)。

單相浸沒式液冷技術(shù)的工作原理如下。冷卻液在低溫狀態(tài)下直接吸收電池的熱量，溫度隨之上升；隨后，升溫后的冷卻液流入換熱器進行再冷卻處理，再由循環(huán)泵驅(qū)動，返回至電池組繼續(xù)執(zhí)行冷卻任務(wù)，形成一個連續(xù)的循環(huán)降溫系統(tǒng)。為了確保電池的有效散熱，外部冷卻裝置會不斷向換熱器供給冷媒。另外，單相浸沒式液冷技術(shù)對冷卻液設(shè)定了高沸點的特殊要求，通過嚴格管控最大限度地減少冷卻液的蒸發(fā)與損耗，進而免去頻繁增補冷卻液的繁瑣步驟。

相變浸沒式液冷系統(tǒng)的工作原理如下。電池單元產(chǎn)生的熱量首先被冷卻液吸收，一旦冷卻液溫度達到預(yù)設(shè)的臨界點，便會發(fā)生沸騰相變，轉(zhuǎn)化為氣態(tài)形式，并繼而導(dǎo)向冷凝管道中。在冷凝管道內(nèi)部，氣態(tài)冷卻液經(jīng)歷冷凝過程回歸液態(tài)，隨后經(jīng)由泵的動力被輸送回干燥塔進行循環(huán)利用。在干燥塔裝置內(nèi)，液態(tài)冷卻液與周圍空氣進行熱量傳遞，之后再次進入冷卻循環(huán)系統(tǒng)中，持續(xù)不斷地為電池單元提供必要的冷卻效果。在這里需強調(diào)一點，相變浸沒式液冷技術(shù)往往選用沸點相對較低的冷卻液，因此，該技術(shù)能夠展現(xiàn)出更高的能源利用效率、更出色的功率密度輸出表現(xiàn)、更佳的設(shè)備運行穩(wěn)定性、更顯著的空間利用優(yōu)勢。然而，該技術(shù)也面臨著一項挑戰(zhàn)，在相變過程中會伴隨產(chǎn)生壓力波動，增加了精確調(diào)控冷卻液蒸發(fā)損失的復(fù)雜性。

2"鋰電池液冷散熱技術(shù)的研究現(xiàn)狀成果分析

與傳統(tǒng)的風(fēng)冷散熱方式相比，液冷技術(shù)在散熱效率、低噪聲水平、較低的能耗、廣泛的適用性方面展現(xiàn)出較高的優(yōu)勢，已經(jīng)在電池散熱領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。然而，因為這種技術(shù)的應(yīng)用成本較高，且這種技術(shù)的設(shè)計流程比較復(fù)雜，所以，國內(nèi)外學(xué)術(shù)界的很多學(xué)者已經(jīng)開始對液冷技術(shù)進行研究，希望能夠克服該技術(shù)在應(yīng)用過程中的挑戰(zhàn)。

陳雅等人[3]創(chuàng)新性的提出了一種二次流蛇形液冷板設(shè)計，構(gòu)建了相應(yīng)的模擬分析模型。最終的研究成果揭示，通過在傳統(tǒng)蛇形冷卻通道中引入二次流結(jié)構(gòu)，能夠顯著改善原本存在的高壓力損失和高能耗問題。特別地，在通道配置為7條、寬度設(shè)定為4mm、轉(zhuǎn)角角度為75度、通道間距保持8mm的條件下，系統(tǒng)的壓力下降幅度最為顯著，進而實現(xiàn)了泵功的大幅節(jié)約。DU"X"P等人[4]針對電池模組液冷系統(tǒng)的熱效率實驗，探索了不同冷卻策略的實際效果，他們的實驗數(shù)據(jù)表明，應(yīng)用一種簡潔的磁滯調(diào)節(jié)冷卻方法，能夠大幅度削減能源消耗。具體而言，當(dāng)電池以1"C和1.5"C的放電速率進行工作時，通過采用先進的熱管理方案，能夠?qū)崿F(xiàn)能耗的顯著降低，并確保電池模塊的工作溫度維持在一個理想的范圍內(nèi)，這對提升電池性能和延長使用壽命至關(guān)重要。LIU"J"H等人[5]針對這一問題精心研發(fā)了一種模型級別的變壓器油浸式電池?zé)峁芾斫鉀Q方案，該方案利用循環(huán)變壓器油作為冷卻介質(zhì)，通過其良好的熱傳導(dǎo)性能，有效降低電池在工作過程中的溫度。實驗研究表明，在2"C的高放電速率下，將電池置于靜態(tài)變壓器油中，其最高溫度能夠控制在37.35"℃左右，遠低于自然環(huán)境下暴露的電池溫度。

為了更深入地理解油浸式冷卻系統(tǒng)的熱消散特性，研究者還進一步分析了絕緣油在不同體積流速下的冷卻效能。實驗結(jié)果顯示，隨著絕緣油流速的增加，其冷卻效果也呈現(xiàn)出顯著增強的趨勢。然而，當(dāng)流速超過一定閾值（如15"ml/mis）時，雖然能夠進一步提升冷卻效率，但泵送所需功率的大幅增加卻會導(dǎo)致能耗的上升，因此，在確定最優(yōu)流速時"需要進行綜合考慮。最終，研究者們確定15"ml/mis為該系統(tǒng)下的最優(yōu)流速?；谏鲜霭l(fā)現(xiàn)，可以得出結(jié)論：對于體積較大的單體電池而言，采用浸沒式液體冷卻方式在熱傳遞方面具有更為突出的優(yōu)勢。

在電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的研究中，多種創(chuàng)新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，旨在優(yōu)化電池的溫度分布，提高散熱效率，從而確保電池組的穩(wěn)定運行和延長使用壽命。張建府[6]提出了一種先進的液體冷卻電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)（Battery"Thermal"Management"System，BTMS）。該系統(tǒng)巧妙地結(jié)合了直微通道扁管和梯度接觸面角的設(shè)計：直微通道扁管具有高效的熱傳導(dǎo)性能，能夠快速地將電池產(chǎn)生的熱量傳遞至冷卻液中；梯度接觸面角的設(shè)計則能夠逐步擴大熱交換面積，使電池組在熱交換過程中能夠更均勻地分布溫度，避免了局部過熱的情況。WANG"H"T等人[7]也針對電池組的散熱難題開發(fā)了一種結(jié)構(gòu)緊湊且散熱性能卓越的液體冷卻BTMS。該系統(tǒng)選用了高絕緣性能的10號變壓器油作為冷卻液，能夠有效地隔絕電池組與外部環(huán)境之間的電氣聯(lián)系，確保系統(tǒng)的安全運行。此外，該系統(tǒng)還具備主動與無源兩種運行模式，能夠根據(jù)電池組的實際需求進行靈活調(diào)節(jié)。實驗結(jié)果顯示，在全浸沒狀態(tài)下，該系統(tǒng)的冷卻效能顯著提升，電池模塊的最高溫度大幅降低，同時最大溫差也得到了有效控制。

3"結(jié)語

液冷技術(shù)已在新能源汽車、儲能電站等多個關(guān)鍵領(lǐng)域嶄露頭角，成為提升系統(tǒng)效能與安全性的重要技術(shù)之一。隨著電池技術(shù)的飛速進步和電動汽車市場的日益擴大，液冷技術(shù)的重要性愈發(fā)凸顯。在這一背景下，越來越多的研究學(xué)者正投身于液冷技術(shù)的深入研究中，以期不斷挖掘其潛力，解決電池散熱領(lǐng)域的諸多難題。他們的努力不僅推動了液冷技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新，也為新能源汽車產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展注入了強勁的動力。展望未來，液冷技術(shù)的發(fā)展將呈現(xiàn)出更加智能化、高效化和精細化的趨勢。例如：液冷系統(tǒng)可以與電池管理系統(tǒng)實現(xiàn)集成化處理，通過實施監(jiān)測電視的狀態(tài)調(diào)節(jié)冷卻方法。隨著新型冷卻介質(zhì)和先進熱交換技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，液冷系統(tǒng)的散熱效率也會顯著提升，進一步降低能耗和成本。總之，液冷技術(shù)作為電池散熱領(lǐng)域的重要力量，未來發(fā)展前景廣闊。相信在科研人員的共同努力下，液冷技術(shù)將不斷取得新的突破，為新能源汽車和儲能電站等領(lǐng)域提供更加安全、可靠的散熱解決方案。

參考文獻

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