趙 滿，宋 強(qiáng)，胡棋威

應(yīng)用研究

鋰離子動(dòng)力電池冷卻技術(shù)分析及啟示

趙 滿1，宋 強(qiáng)1，胡棋威2

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

溫度是影響鋰離子動(dòng)力電池工作性能的主要因素之一，高效合理地設(shè)計(jì)電池的冷卻系統(tǒng)對(duì)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(wěn)定地運(yùn)行。本文研究總結(jié)目前主流鋰離子電池組采用的風(fēng)冷、液冷技術(shù)及電池關(guān)鍵參數(shù)。對(duì)比可知，早期風(fēng)冷技術(shù)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低成為車、船用鋰離子電池主要冷卻方案，但現(xiàn)在應(yīng)用環(huán)境對(duì)電池的要求越來(lái)越高，液冷技術(shù)正逐漸取代風(fēng)冷技術(shù)成為各大企業(yè)的優(yōu)先選擇，未來(lái)隨著液冷技術(shù)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(yīng)成果亦可推廣應(yīng)用于新能源船舶。

鋰離子電池 風(fēng)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(zhǎng)、比能量高、對(duì)環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)[1, 2]，已成為了電動(dòng)汽車、船舶電力推進(jìn)以及便攜式設(shè)備的重要核心[3]。但在其充放電過(guò)程中，由于材料內(nèi)阻電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生大量熱量，導(dǎo)致電池溫度升高，會(huì)進(jìn)一步加快熱量生成，從而導(dǎo)致電池?zé)崾Э?。電池?zé)崾Э貢?huì)出現(xiàn)電解液分解，電池表現(xiàn)會(huì)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(guò)高的溫度會(huì)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(shí)，結(jié)構(gòu)緊湊，電池產(chǎn)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(shí)的穩(wěn)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(shù)是保障鋰離子電池成組后性能發(fā)揮與安全的關(guān)鍵技術(shù)。常見的鋰離子電池組冷卻技術(shù)以風(fēng)冷、液冷為主。

1 風(fēng)冷技術(shù)

風(fēng)冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，所以廣泛地應(yīng)用于電池的熱管理系統(tǒng)[6-7]。目前國(guó)內(nèi)汽車廠商廣泛采用風(fēng)冷式散熱，風(fēng)冷是以低溫空氣為介質(zhì)，利用空氣和電池模組間的熱對(duì)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(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、研發(fā)成本較低，廣泛應(yīng)用于市場(chǎng)上的新能源車型。風(fēng)冷按照通風(fēng)方式可分為串行式風(fēng)冷散熱和并行式風(fēng)冷散熱[8]。圖1展示了冷卻風(fēng)并列通過(guò)每只電池（即并行冷卻，圖1a）與冷卻風(fēng)依次吹過(guò)每只電池（即串行冷卻，如圖1c）的效果。當(dāng)應(yīng)用并行冷卻時(shí)，冷卻風(fēng)能更均勻的冷卻每一只單體，串行冷卻下，首先接觸冷卻風(fēng)的電池溫度較低，而最后接觸冷卻風(fēng)的電池溫度較高。從仿真結(jié)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(chǎng)

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

大部分電動(dòng)車廠家電池組風(fēng)冷方案均采用并行冷卻方案。但由于氣固對(duì)流換熱系數(shù)低，風(fēng)冷技術(shù)冷卻效率難以大幅提高，受制約較嚴(yán)重。日產(chǎn)Leaf電池系統(tǒng)采用風(fēng)冷技術(shù)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(fēng)冷方案除了讓冷卻風(fēng)平行的通過(guò)每只單體，還將車廂中的空調(diào)冷氣抽進(jìn)電池包，用于電池包風(fēng)冷，通過(guò)增加介質(zhì)-電池溫差，以增強(qiáng)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(dǎo)熱槽、金屬針板及金屬褶皺板，組成三明治結(jié)構(gòu)，均可以增加電池與空氣的換熱面積，從而強(qiáng)化鋰離子電池組風(fēng)冷效果。Enerl的Think City車型在每?jī)善⒙?lián)電池頭部間均有中空鋁制導(dǎo)熱槽來(lái)增強(qiáng)冷卻效果。目前風(fēng)冷技術(shù)是鋰離子電池組冷卻的主要方式之一，下文簡(jiǎn)述主流鋰離子電池組的技術(shù)特點(diǎn)及相關(guān)參數(shù)。

1.1 寧德時(shí)代

寧德時(shí)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(guò)鈑金結(jié)構(gòu)件鉚接固定形成4串電池模塊，模塊體積能量密度高達(dá)244 Wh/L，模塊重量成組效率高達(dá)86.8%，模塊體積成組效率高達(dá)70.8%，其某型電池模塊和電池包技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 寧德時(shí)代某電池模塊和某電池包技術(shù)參數(shù)

電芯通過(guò)扎帶捆扎形成36串電池包，電池通過(guò)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(dá)91.6%。該電池包主要應(yīng)用于儲(chǔ)能電站及電動(dòng)大巴，冷卻方式主要為空調(diào)風(fēng)冷?？梢姡瑸榱颂峁╇姵匕芰棵芏?，滿足政策要求，一定程度上犧牲了電池包安全性，對(duì)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(guò)3并3串形成電池模塊。電池模塊主體結(jié)構(gòu)為鋁合金型材端板和鋁合金側(cè)板，通過(guò)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(dá)86.8%。6個(gè)電池模塊通過(guò)串聯(lián)形成一個(gè)電池包，儲(chǔ)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(shù)如表2所示，該電池包主要應(yīng)用于混合動(dòng)力商用車、純電動(dòng)商用車、插電式和增程式電動(dòng)汽車，冷卻方式主要為自然風(fēng)冷。

表2 中航鋰電某電池模塊和電池包參數(shù)

2 液冷技術(shù)分析

與空氣冷卻技術(shù)相比，液體冷卻系統(tǒng)更加復(fù)雜，可以通過(guò)在電池之間插入微通道冷板或?qū)㈦姵亟](méi)在電介質(zhì)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(jí)冷卻，將冷卻流道設(shè)計(jì)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)崃俊Ａ硪环N為模塊級(jí)冷卻，通過(guò)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(guò)冷卻介質(zhì)對(duì)流冷卻導(dǎo)熱材料，間接帶走電池?zé)崃繋ё?。電芯?jí)冷卻效率較高，且在非事故狀態(tài)下，對(duì)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(jí)冷卻安全性更高，但效率相對(duì)于電芯級(jí)冷卻較低。

液冷技術(shù)系統(tǒng)較為復(fù)雜，且對(duì)循環(huán)液驅(qū)動(dòng)功率、機(jī)械強(qiáng)度、耐振動(dòng)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。下文簡(jiǎn)述幾種采用液冷技術(shù)的鋰離子電池組技術(shù)特點(diǎn)及相關(guān)參數(shù)。

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(dòng)力汽車?yán)鋮s系統(tǒng)在僅1.2 mm厚的散熱片內(nèi)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(jié)構(gòu)（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(jié)構(gòu)（圖2a）。密布的微小流道是Volt電池組冷卻系統(tǒng)冷卻能力和溫度場(chǎng)均一性較為優(yōu)秀，Volt的電池組內(nèi)的溫度差可控制在2℃以內(nèi)。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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)時(shí)，每?jī)芍щ姵貙?duì)應(yīng)一片冷板和1片膨脹（隔熱）材料，以實(shí)現(xiàn)電芯熱量從冷板疏散，電芯與電芯之間的熱量通過(guò)冷板或膨脹（隔熱）材料隔離。這樣，既可以實(shí)現(xiàn)高效冷卻，又能減緩熱失控傳播。

然而，這種復(fù)雜、脆弱的設(shè)計(jì)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(cè)試中，碰撞后，一根橫向加強(qiáng)筋刺穿了電池包通道部分，損壞了電芯、冷卻系統(tǒng)，并破壞了電池包的氣密性，冷卻液泄露導(dǎo)致電池內(nèi)短路，電池開始燃燒，進(jìn)一步損傷冷卻系統(tǒng)。由于熱量無(wú)法及時(shí)疏導(dǎo)，絕緣失效產(chǎn)生電弧，電弧會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致電池發(fā)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(guò)高比能的電芯和大量成組安全設(shè)計(jì)來(lái)保證電池系統(tǒng)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(dá)696.8 Wh/L。電芯通過(guò)75并6串組成電池模塊。模塊體積能量密度高達(dá)315.3 Wh/L。電池模塊通過(guò)16串組成電池包，電池包體積能量密度高達(dá)182.5 Wh/L（只考慮主體高度，凈體積）。其某型電池模塊參數(shù)如表3所示。

特斯拉model S電池包采用水冷設(shè)計(jì)。其冷卻系統(tǒng)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(dǎo)熱材料。這樣，不僅圓柱電池與散熱管道間實(shí)現(xiàn)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(qiáng)了電池組在異常熱源下的可靠性。整個(gè)電池包通過(guò)多個(gè)隔熱墻分割成多個(gè)區(qū)域，起到隔離各區(qū)域間熱失控傳播的作用。特斯拉model S通過(guò)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(lái)為電池包安全設(shè)計(jì)提供空間。

表3 特斯拉Pack參數(shù)

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(dá)732.9 Wh/L。電芯通過(guò)46并24串組成電池模塊。模塊體積能量密度高達(dá)531.6 Wh/L。電池模塊通過(guò)4串組成電池包，電池包體積能量密度高達(dá)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(shè)計(jì)的安全措施，來(lái)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(duì)電池?zé)崃康氖鑼?dǎo)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(duì)獨(dú)立冷卻，電芯間增加隔熱材料，增加電芯獨(dú)立性，在電池散熱和熱失控阻斷之間取得了平衡。同時(shí)，存在同樣的風(fēng)險(xiǎn)：

1）分布式處理空間有限的情況，電芯間散熱、隔熱裝置太復(fù)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(nèi)部，冷卻液導(dǎo)電，泄露后存在短路風(fēng)險(xiǎn)；

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(nèi)冷卻接口多為橡膠（volt）或涂膠密封，接口距離電芯很近，沒(méi)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(jù)統(tǒng)計(jì)（歐陽(yáng)明高，2018全球未來(lái)出行大會(huì)）近年來(lái)，國(guó)內(nèi)電動(dòng)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?zé)崾Э貢r(shí)容易燃燒爆炸。因而非常難控制熱失控傳播。

5）結(jié)構(gòu)特征決定，圓柱電池?zé)崾Э貢r(shí)，電芯泄壓閥更容易噴射出更多高溫物質(zhì)在電芯熱失控以后，噴發(fā)物對(duì)模組周圍帶來(lái)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(guó)LG電池三元材料94Ah方形鋁殼電芯，通過(guò)12串組成電池模塊。電池模塊通過(guò)8串組成電池包，其某型電池包參數(shù)如表4所示。寶馬i3電池模塊間間距大于10 mm，遠(yuǎn)大于國(guó)內(nèi)大部分集成廠家電池模塊間的間距，據(jù)推測(cè)，可能是安全間距，用于阻斷電池模塊間熱失控連鎖反應(yīng)。電池包在箱體底部布置了8根冷板，冷板內(nèi)通制冷劑，直接冷卻電池模塊底部。制冷劑液冷的優(yōu)勢(shì)在于可以省掉外循環(huán)水系統(tǒng)。

表4 寶馬i3Pack參數(shù)

2.4 通用Chevrolet Bolt：大冷板

通用Chevrolet Bolt采取Pack級(jí)大冷板，直接對(duì)模塊底部進(jìn)行冷卻。榮威某電池Pack采用模組級(jí)冷板，直接冷卻電池模組底部。電芯熱量通過(guò)導(dǎo)熱鋁板傳導(dǎo)至底部冷板。鋁板-冷板界面通過(guò)導(dǎo)熱硅脂墊進(jìn)行改善。冷板與下箱體之間一般設(shè)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(duì)電池影響。

3 啟示

鋰離子電池組冷卻技術(shù)能保證電池組在安全溫度范圍內(nèi)運(yùn)行，是保障鋰離子電池成組后性能發(fā)揮與安全工作的關(guān)鍵[10]。目前，鋰離子電池組風(fēng)冷與液冷技術(shù)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(lǐng)域?qū)铀傩阅芤筝^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(fēng)冷結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于維護(hù)且成本較低，在早期的新能源汽車中應(yīng)用廣泛，但由于氣體傳熱固有劣勢(shì)，導(dǎo)致冷卻效果和溫差的控制難以滿足鋰離子電池大規(guī)模成組要求，電池組總能量不高，逐漸不能滿足新能源汽車?yán)m(xù)航里程的市場(chǎng)需求，目前更多應(yīng)用于電動(dòng)巴士、電動(dòng)物流車中。相較而言，液冷冷卻系統(tǒng)較為復(fù)雜，對(duì)使用環(huán)境要求更高，但冷卻效果優(yōu)異，液體介質(zhì)的換熱系數(shù)高、熱容量大、冷卻速度快，對(duì)降低最高溫度、提升電池組溫度場(chǎng)一致性的效果顯著，且熱管理系統(tǒng)的體積相較風(fēng)冷技術(shù)更小，目前已逐漸成為中高端新能源汽車?yán)鋮s方案的主流選擇，隨著液冷技術(shù)的不斷發(fā)展，將成為新能源汽車首選冷卻方案。

表5 電動(dòng)車電池冷卻技術(shù)對(duì)比

相比于電動(dòng)汽車，新能源船舶對(duì)電池的額定能量要求更高，對(duì)加速性能需求不大，且有更大的電池艙空間，液冷技術(shù)相比風(fēng)冷經(jīng)濟(jì)性更差，因此目前新能源船舶多采用風(fēng)冷或強(qiáng)制風(fēng)冷技術(shù)進(jìn)行電池冷卻。隨著新能源船舶的不斷發(fā)展，對(duì)電能需求的進(jìn)一步增加，液冷技術(shù)因其更高的冷卻效率會(huì)逐步取代風(fēng)冷，未來(lái)液冷技術(shù)成本降低后，將會(huì)成為新能源船舶的主流冷卻方案。

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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(dòng)力工程。E-mail:zhaoman95@yeah.net