摘 要：【目的】對鋰離子電池液體冷卻劑的研究進行回顧和總結，為電池熱管理系統(tǒng)（Battery Thermal Management System，BTMS）的發(fā)展提供參考?！痉椒ā繌乃?乙二醇、油、納米流體、液態(tài)金屬和沸騰液體等5方面綜述了液冷冷卻劑的最新研究進展，比較了不同液體（如水和油）及不同添加劑（如納米顆粒）的性能和應用?！窘Y果】通過合理選擇冷卻劑材料種類，優(yōu)化液體冷卻劑配方，能有效提高電池冷卻系統(tǒng)的冷卻性能和效率，增強對電池熱管理系統(tǒng)的溫度控制能力。【結論】液體冷卻劑的發(fā)展對促進鋰離子電池模塊工作效率，推動電動汽車的發(fā)展等具有重要意義。該研究為液體冷卻電池熱管理系統(tǒng)的設計和優(yōu)化提供了有益參考。

關鍵詞：電池熱管理；液體冷卻；冷卻劑；鋰離子電池；燃料電池

中圖分類號：U473.7+1" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1003-5168（2025）05-0084-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.05.016

Advances in Coolant Research for Thermal Management of

Liquid-cooled Batteries

ZHANG Jing SU Yuqian SUN Mu MA Dong XUE Yanjun

（Jiangsu Provincial Quality Supervision and Inspection Institute， Nanjing 210007， China）

Abstract：[Purposes] The research on liquid coolants for lithium-ion batteries is reviewed and summarized， and reasonable suggestions are made for the development of Battery thermal management system （BTMS）. [Methods] The latest research progress of liquid cooling coolants is reviewed from five aspects， including water/glycol， oil， nanofluids， liquid metals， and boiling fluids， and the performance and applications of different fluids （e.g.， water and oil） and different additives （e.g.， nanoparticles） are compared. In addition， from the safety point of view， liquid cooling can effectively control thermal runaway.[Findings] By reasonably selecting the type of coolant material and optimizing the liquid coolant formulation， the cooling performance and efficiency of the battery cooling system can be effectively improved， and the temperature control capability of the battery thermal management system can be enhanced.[Conclusions] The development of liquid coolants is important to promote the efficiency of lithium-ion battery modules， promote the development of electric vehicles， and improve the living environment of the earth. This study provides a useful reference for the design and optimization of thermal management systems for liquid-cooled batteries.

Keywords： battery thermal management; liquid cooling; coolants; Li-ion battery; fuel cell

0 引言

傳統(tǒng)汽車主要使用不可再生的碳氫燃料作為動力源，其產生的廢氣助長溫室效應。電動汽車作為一種替代交通工具，將車輛的動力總成從化石燃料轉向電力。電動汽車發(fā)展的關鍵任務是找到合適的儲能系統(tǒng)。作為電動汽車的主要動力來源，電池的性能特征決定了電動汽車的行駛里程、安全性和生命周期。

鋰離子電池（Lithium Ion Battery， LIB）具有能量密度高、功率密度高、污染少、無記憶效應、自放電率低、循環(huán)壽命長等特點，已廣泛應用于電動汽車的儲能系統(tǒng)［1］。研究表明，鋰離子電池的性能與工作溫度密切相關［2］。一般來說，鋰離子電池的最佳工作溫度范圍為15～35 ℃［3］，電池之間的最大溫差應控制在5 ℃以內［4］。因此，一個合理有效的電池熱管理系統(tǒng)（Battery Thermal Management System，BTMS）是必要的，以確保電池模塊能夠安全工作并表現(xiàn)出良好的充放電性能。

目前流行的BTMS可分為風冷、液冷、相變材料（Phase change material，PCM）、熱管和復合冷卻。與其他冷卻方式相比，液體冷卻因導熱性高、冷卻效果好、能夠滿足高散熱要求、電池溫度分布更均勻等特點，已在電動汽車的BTMS中商業(yè)化使用。例如，特斯拉Model S電動汽車使用間接液體冷卻，冷卻劑是水和乙二醇的混合物［5］。雪佛蘭Volt和寶馬i8也使用液體冷卻系統(tǒng)進行電池熱管理，以避免電池溫度過高［6］。

近年來，許多學者對液體冷卻系統(tǒng)進行了研究和回顧。液體冷卻主要側重于總結整個液體冷卻的進展和成果，但很少對冷卻劑進行單獨的分析和整合。冷卻劑作為液冷的核心，其商業(yè)應用正在不斷增長。因此，有必要對鋰離子電池液體冷卻劑的研究進行回顧和總結，并對液體冷卻劑存在的問題提出合理建議。本研究綜述了近年來學者對液體冷卻劑的研究成果，分析了不同冷卻劑的優(yōu)缺點，并對其進行了比較。此外，還總結了液冷系統(tǒng)中存在的問題，展望了鋰離子電池液體冷卻劑未來的研究方向。

1 液體冷卻的原理

液體冷卻的基本原理是將電池在運行過程中產生的熱量傳遞和散發(fā)到液體冷卻液中，再消散到環(huán)境中［7］。液體冷卻根據冷卻液是否與電池接觸可分為間接冷卻和直接冷卻（又稱為浸沒式冷卻）。直接液體冷卻極大改善了電池與冷卻液之間的接觸面積，從而獲得了極高的傳熱率。間接液體冷卻通常在電池表面放置冷卻板、離散管或夾套［8］，避免冷卻液和電池之間的直接接觸［9］。直接液體冷卻雖然是未來電池熱管理系統(tǒng)的更優(yōu)方式，但其在電動汽車中尚未普及［10］。為結合直接冷卻和間接冷卻方式的優(yōu)越性，近年來還出現(xiàn)了一種新的電池熱管理系統(tǒng)概念：混合電池熱管理系統(tǒng)。PCM冷卻作為一種被動熱管理方法，可以集成到電池熱管理系統(tǒng)中。PCM和液體冷卻的集成在鋰離子電池混合熱管理中逐漸興起。

2 不同冷卻劑的分析與應用

液體冷卻電池熱管理系統(tǒng)的優(yōu)化方法主要分為3類：冷卻液、系統(tǒng)結構和基于液體冷卻的混合系統(tǒng)的改進。冷卻劑和電池之間的傳熱能力取決于冷卻劑的導熱性、黏度、密度和流速。液體冷卻系統(tǒng)中最常用的冷卻劑是水和油。近年來，隨著納米流體、液態(tài)金屬和沸騰液體的發(fā)展，其在電池組冷卻系統(tǒng)中的應用引起廣泛關注。

2.1 水/乙二醇

為了不增加泵送功率，提高冷卻效果，需要一種導熱系數高、黏度低的冷卻液。水作為生活中最容易獲得的液體，已被廣泛用于間接液體冷卻系統(tǒng)。作為液冷系統(tǒng)的工作冷卻劑，水在加工過程冷卻、電子產品冷卻、傳統(tǒng)內燃機冷卻等冷卻系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。在電池冷卻系統(tǒng)領域，水也得到了廣泛應用。

研究發(fā)現(xiàn)，使用水作為冷卻劑可以確保電池溫度的一致性并增強電池熱管理系統(tǒng)的冷卻性能。Wang等［11］使用空氣、水和硅油作為冷卻劑來研究電池熱管理系統(tǒng)的性能。根據仿真結果，使用水作為冷卻劑，相較于空氣或硅油，不僅可以消耗更少的功率，而且可以將溫度保持在合理的范圍內。此外，水比空氣具有更高的導熱系數和比熱容，比油具有更低的黏度，這保證了傳熱能力，有助于減少額外的能源消耗。

為避免電池短路，電池冷卻系統(tǒng)以水為冷卻劑時，通常采用間接傳熱輔助將水與電池分離，如冷卻板［12］（如圖1所示）、夾套和管。這些輔助設備的出現(xiàn)，使得電池包設計的復雜性不斷增加。電池包設計時主要考慮冷卻劑質量流量，進出口速度和壓降等參數。

Rao等［13］采用二維單相傳熱模型研究水冷卻系統(tǒng)，結果表明：當產熱速率小于3.75×105 W·m-3時，7.18 × 10?3 m?s-1的冷卻劑質量流量可提供3.75 W·（m·K）-1的導熱系數，并將最高溫度控制在49.59 ℃以下。Panchal等［14］以水為冷卻劑，選用一套市售的電池模塊冷卻板從電池組中散熱。在電池主表面安裝10個熱電偶（如圖2所示），測量不同條件下的表面溫度。上述研究都證明了水是一種很好的冷卻介質，可以降低最高溫度并保證足夠小的溫度均勻性。

2.2 油

油比空氣和水具有更高的導熱性和電絕緣性。在浸沒式冷卻系統(tǒng)中，通常使用介電性和不可燃性的油作為冷卻劑。浸沒式冷卻可以將電池的熱量直接高效地傳遞到油中，保證電池之間的溫差小。常用的單相油有硅油和礦物油。與傳統(tǒng)冷卻劑相比，油具有介電強度高、導熱系數高、耐火性好、耐腐蝕性低、不易燃燒等特性。Pesaran［15］指出，在相同流速下，礦物油的傳熱效率遠高于空氣，因為它的邊界層更薄，導熱系數更高。不過，由于礦物油的黏度較高，在相同流量下，油冷卻系統(tǒng)會消耗更多的泵功率。

Chen等［16］對比了風冷、水冷、油冷等多種冷卻方式（如圖3所示），認為礦物油冷卻是一種比風冷更有效的冷卻方式。Nelson和Li［17］對硅油的研究也得出了類似的結論。

為了平衡冷卻效果和能耗，Liu等［18］設計了一種基于礦物油浸泡的電池熱管理系統(tǒng)，研究了不同流速下散熱性能的改善。在2 C放電速率下，浸泡在礦物油中的電池表現(xiàn)出更好的溫度分布，即使在冷卻介質不流動的情況下，電池的最大和最小溫差分別為37.35 ℃和2.64 ℃。然而，油冷卻系統(tǒng)有其自身的缺點。由于整個電池組浸泡在油中，整個電池組的質量遠高于風冷系統(tǒng)。此外，油冷卻系統(tǒng)有漏液的危險。因此，在選擇油冷卻系統(tǒng)時，應該權衡各方面的利弊。

酯類作為另一種可用于浸沒式冷卻系統(tǒng)的冷卻劑，可分為天然酯類和合成酯類。酯類比礦物油具有更大的閃點和燃點，比油具有更高的安全性，但同時也具有更高的黏度，目前正在研究和評估使用酯類作為變壓器油。

在電池熱管理系統(tǒng)領域，Mamp;I推出了一種名為MIVOLT的酯基浸入式冷卻介質流體，其具有高燃點和生物易降解性，包括兩種專門用于冷卻電動汽車電池的產品（DF7用于低黏度，DFK用于高黏度）。Qubeissi等［19］提出了一種基于生物柴油的浸入式冷卻系統(tǒng)，與兩種傳統(tǒng)冷卻劑（空氣和3M Novec）相比，使用了4種生物柴油（棕櫚油、卡蘭加油、麻風樹油和麻花油）。仿真結果表明，在電池熱管理系統(tǒng)中使用生物柴油是可行的，它可以將電池組溫度保持在合理的范圍內，棕櫚油和Novec的冷卻效果基本相同。綜上所述，酯已被用于變壓器，但對電池熱管理系統(tǒng)的研究仍然缺乏。如果能夠發(fā)現(xiàn)低黏度和不易氧化的酯作為浸沒式冷卻的冷卻介質，酯類將是電池熱管理系統(tǒng)的良好候選冷卻劑。

2.3 納米流體

與水相比，硅油具有更高的黏度，能夠增加電池能耗。油和水較低的導熱系數導致直接接觸的液體冷卻系統(tǒng)受到限制。因此，在流體中加入具有更高導熱系數的懸浮金屬顆粒，可以顯著提高液冷電池熱管理系統(tǒng)的導熱效率。這種在傳統(tǒng)液體中加入納米顆粒的新型液體被定義為納米流體。通常，納米顆粒添加劑包括Al、Cu、Ni、Ag、Al2O3、CuO、Fe3O4、TiO2等金屬或金屬氧化物。

影響納米流體導熱性能的因素很多，最重要的因素之一是納米顆粒的濃度或固體體積分數。Sidney等［20］通過添加不同濃度的石墨烯納米片（GnP）評估了水的熱導率。研究表明，添加 0.5 vol% 的 GnP 可將水的導熱性提高多達 24%。

納米顆粒的大小是影響納米流體導熱性的另一個重要因素。研究表明，粒徑越小的納米顆粒能更好地增強納米流體的導熱性。Gorji和Ranjbar［21］研究了基于納米流體的太陽能集熱器的能效。研究指出，用能效率隨納米顆粒體積分數的增加呈漸近趨勢，納米流體流速的增加對用能效率有不利影響。這些結果可為納米流體為基礎的電池熱管理系統(tǒng)提供參考。

Mondal等［22］在電池熱管理系統(tǒng)上分析了6種不同的冷卻劑（分別包括基于純水和水/乙二醇混合物的1%和4% Al2O3納米流體）。不同冷卻介質下電池模塊溫度分布如圖4所示。結果表明，純水納米流體對電池組最高溫度和溫度偏差的控制效果較好，這是由于純水的導熱系數高于乙二醇。

綜上，納米顆粒的加入有利于提高冷卻液的導熱性和電池組的溫度均勻性，但可能存在顆粒沉積和堵塞的問題。同時，隨著納米顆粒的加入和流體流速的增加，可能導致系統(tǒng)中更大的壓降和能耗。

2.4 液態(tài)金屬

對液態(tài)金屬的研究最早起源于對汞的研究。近年來，鎵液態(tài)金屬合金越來越受到人們的關注。鎵合金熔點低，沸點高，可用于室溫下的液體冷卻［23］。此外，鎵合金的低黏度和高導熱系數（通常是水的幾倍）使其非常適用于液體冷卻。

液態(tài)金屬在電池熱管理系統(tǒng)中用作另一種具有高導熱性的冷卻劑。Yang等［24］提出使用液態(tài)金屬代替水作為電池熱管理系統(tǒng)的冷卻劑。研究發(fā)現(xiàn)，液態(tài)金屬冷卻系統(tǒng)具有更好的冷卻性能，可以將電池組溫度控制在更低、更均勻的范圍內，同時消耗更少的功率。此外，液態(tài)金屬可應用于極端條件，例如快速充放電過程和高溫環(huán)境，但此方面研究尚缺少實例。

與傳統(tǒng)的機械泵驅動的液體冷卻系統(tǒng)不同，液態(tài)金屬冷卻系統(tǒng)通常使用電磁泵驅動液體，因為液態(tài)金屬具有導電性，可以通過電磁力驅動。與機械泵相比，電磁泵噪聲更小，易損性更低。除了電磁力驅動外，研究人員還研究了其他驅動模式。Zhu等［25］在熱點上放置液態(tài)金屬液滴，在液滴表面施加適當幅度和頻率的方波信號，誘導馬蘭戈尼流，使氫氧化鈉溶液通過冷卻通道循環(huán)。因此，由于液態(tài)金屬液滴的高導熱性，熱量被有效地輸送到液體流中。

2.5 沸騰液體

基于沸騰傳熱的電池熱管理系統(tǒng)因其能夠有效控制電池組溫度，并保持電池溫度均勻而備受關注。沸水氯氟烴、全氟碳化合物、氫氟醚等沸水能有效冷卻高溫熱源，實現(xiàn)不同部位間溫度均勻。

氫氟醚是一種高電阻、不易燃的環(huán)保型液體。美國明尼蘇達州圣保羅市3M公司的Novec 7000通常用于電池的沸騰冷卻，它不易燃，沸點為34 ℃，正處于在鋰離子電池的最佳工作溫度范圍內。Hirano等［26］驗證了使用氫氟醚作為冷卻劑直接冷卻的可能性。試驗中，分別在10 C和20 C條件下進行5次充放電循環(huán)。在自然冷卻的情況下，電池組的最高溫度分別達到80 ℃和90 ℃。而搭載Novec 7000的電池組經過兩個試驗循環(huán)后，溫度可以保持在35 ℃以下。此外，對沸點為49 ℃的Novec 649進行了同樣的試驗，發(fā)現(xiàn)它也可以將電池的溫度控制在50 ℃左右。這表明可以通過選擇不同沸點的冷卻劑來控制電池組的溫度。然而，一旦液體蒸發(fā)成氣態(tài)，就需要一個額外的冷凝系統(tǒng)來收集沸騰的液體進行回收，這增加了電池熱管理系統(tǒng)的復雜性。Wu等［27］提出了一種沸騰冷卻電池熱管理系統(tǒng)，其中Novec 7000用作與20 Ah LiFePO直接接觸的冷卻劑。當冷卻液不流動時，電池的表面溫度仍能保持在36 ℃以內，電池的溫度均勻性也明顯增強。

沸騰過程通常受到多種因素的影響，如流體和加熱器的組合、表面粗糙度和系統(tǒng)壓力。Gils等［28］試驗結果表明，沸騰過程受沸騰室壓力的影響。降低沸騰室的壓力可以立即提高沸騰過程的強度。這意味著可以通過改變沸騰室的壓力來主動、快速地控制沸騰過程，從而控制電池的冷卻性能。

3 結論與展望

本研究總結了最新動力鋰離子電池液冷系統(tǒng)冷卻劑的發(fā)展現(xiàn)狀，對不同冷卻液進行了性能比較和應用分析，結論如下。

①間接液體冷卻中常用的冷卻劑是水或水/乙二醇混合物，在電動汽車領域已實現(xiàn)商業(yè)化。然而，水的冷卻效果是有限的，通過添加納米粒子可以提高電池冷卻系統(tǒng)的冷卻性能和效率。液態(tài)金屬具有黏度低、導熱性好等優(yōu)點，可以代替水滿足一些極端條件下的散熱要求。

②酯類已應用于變壓器，但在電池熱管理方面還沒有深入研究。因此，可以探索酯類作為直接液體冷卻劑的可行性，以及可替代變壓器油的酯類。

③鎵合金液態(tài)金屬具有黏度低、導熱系數高的優(yōu)點，可采用電磁泵驅動，但價格較高?？刹捎靡簯B(tài)金屬與水的混合物，既解決了價格問題，又達到了良好的冷卻性能。

④Novec 7000熔點為34 ℃，處于鋰離子電池的最佳工作溫度范圍內?？梢酝ㄟ^改變系統(tǒng)壓力來控制沸騰過程，這對實現(xiàn)電池的冷卻性能具有重要意義。

⑤直接液冷中電池與冷卻劑的接觸時間較長，需要考慮兩者之間的材料兼容性。總之，盡管液體冷卻劑仍存在一些研究空白和挑戰(zhàn)，但液體冷卻仍然是一種前景廣闊的電池熱管理系統(tǒng)。

參考文獻：

［1］OUYANG D，WENG J，CHEN M，et al. Impact of high-temperature environment on the optimal cycle rate of lithium-ion battery ［J］. Journal of Energy Storage， 2020， 28： 101242.

［2］AN Z， JIA L， DING Y， et al. A review on lithium-ion power battery thermal management technologies and thermal safety ［J］. Journal of Thermal Science， 2017， 26（5）： 391-412.

［3］CHEN D， JIANG J， KIM G H， et al. Comparison of different cooling methods for lithium ion battery cells ［J］. Applied Thermal Engineering， 2016， 94： 846-54.

［4］SURESH PATIL M， SEO J H， LEE M Y. A novel dielectric fluid immersion cooling technology for Li-ion battery thermal management ［J］. Energy Conversion and Management， 2021， 229： 113715.

［5］WU W， WANG S， WU W， et al. A critical review of battery thermal performance and liquid based battery thermal management ［J］. Energy Conversion and Management， 2019， 182： 262-81.

［6］BASU S， HARIHARAN K S， KOLAKE S M， et al. Coupled electrochemical thermal modelling of a novel Li-ion battery pack thermal management system ［J］. Applied Energy， 2016， 181： 1-13.

［7］SUN Q-Z， KIM C-H. Effect of the Size and Location of Liquid Cooling System on the Performance of Square-Shaped Li-Ion Battery Modules of an Electric Vehicle ［J］. Fluids， 2022， 7（7）： 219.

［8］SHENG L， ZHANG H， SU L， et al. Effect analysis on thermal profile management of a cylindrical lithium-ion battery utilizing a cellular liquid cooling jacket ［J］. Energy， 2021， 220： 119725.

［9］THAKUR A K， PRABAKARAN R， ELKADEEM M R， et al. A state of art review and future viewpoint on advance cooling techniques for Lithium–ion battery system of electric vehicles ［J］. Journal of Energy Storage， 2020， 32： 101771.

［10］LIU J，LI H，LI W，et al. Thermal characteristics of power battery pack with liquid-based thermal management ［J］. Applied Thermal Engineering，2020，164：114421.

［11］WANG C，ZHANG G，LI X，et al. Experimental examination of large capacity liFePO4 battery pack at high temperature and rapid discharge using novel liquid cooling strategy ［J］. International Journal of Energy Research， 2018， 42（3）：1172-82.

［12］DE VITA A， MAHESHWARI A， DESTRO M， et al. Transient thermal analysis of a lithium-ion battery pack comparing different cooling solutions for automotive applications ［J］. Applied Energy，2017，206：101-112.

［13］RAO Z， ZHANG Y， WANG S. Energy saving of power battery by liquid single-phase convective heat transfer ［J］. Energy Education Science And Technology Part A-Energy Science And Research，2012，30.

［14］PANCHAL S， DINCER I， AGELIN-CHAAB M， et al. Thermal modeling and validation of temperature distributions in a prismatic lithium-ion battery at different discharge rates and varying boundary conditions ［J］. Applied Thermal Engineering，2016，96：190-199.

［15］PESARAN A A. Battery Thermal Management in EVs and HEVs ： Issues and Solutions， F， 2001 ［C］.

［16］CHEN D， JIANG J， KIM G-H， et al. Comparison of different cooling methods for lithium ion battery cells ［J］. Applied Thermal Engineering， 2016， 94： 846-54.

［17］KARIMI G， LI X. Thermal management of lithium-ion batteries for electric vehicles ［J］. International Journal of Energy Research， 2013， 37（1）： 13-24.

［18］LIU J， FAN Y， XIE Q. Feasibility study of a novel oil-immersed battery cooling system： Experiments and theoretical analysis ［J］. Applied Thermal Engineering， 2022.

［19］QUBEISSI AL" M， MAHMOUD A， AL-DAMOOK M， et al. Comparative Analysis of Battery Thermal Management System Using Biodiesel Fuels ［J］. Energies， 2023， 16（1）： 565.

［20］ SIDNEY S， DHASAN M L， C. S， HARISH S. Experimental Investigation of Freezing and Melting Characteristics of Graphene-Based Phase Change Nanocomposite for Cold Thermal Energy Storage Applications ［J］. Applied Sciences， 2019， 9（6）： 1099.

［21］ GORJI T B， RANJBAR A A. Thermal and exergy optimization of a nanofluid-based direct absorption solar collector ［J］. Renewable Energy， 2017， 106： 274-87.

［22］MONDAL B， LOPEZ C F， MUKHERJEE P P. Exploring the efficacy of nanofluids for lithium-ion battery thermal management ［J］. International Journal of Heat and Mass Transfer，2017，112：779-94.

［23］LUBARSKY B， KAUFMAN S J. Review of experimental investigations of liquid-metal heat transfer［J］.Journal of Thermal Science，1954，22（5）：484-490.

［24］YANG X H，TAN S C，LIU J.Thermal management of Li-ion battery with liquid metal ［J］. Energy Conversion and Management，2016，117：577-85.

［25］ZHU J Y，TANG S Y，KHOSHMANESH K， GHORBANI K. An Integrated Liquid Cooling System Based on Galinstan Liquid Metal Droplets ［J］. ACS Applied Materials amp; Interfaces， 2016， 8（3）： 2173-80.

［26］ HIRANO H， TAJIMA T， HASEGAWA T， et al. Boiling Liquid Battery Cooling for Electric Vehicle［C］//2014 IEEE Transportation Electrification Conference and Expo， Asia-Pacific （ITEC Asia-Pacific）.IEEE， 2014.

［27］WU N， YE X， YAO J， et al. Efficient thermal management of the large-format pouch lithium-ion cell via the boiling-cooling system operated with intermittent flow ［J］. International Journal of Heat and Mass Transfer， 2021， 170： 121018.

［28］GILS VAN R W， DANILOV D， NOTTEN P H L， et al. Battery thermal management by boiling heat-transfer ［J］. Energy Conversion and Management，2014，79：9-17.