江 毅 李超恩 溫小棟 于 航 劉東京

(1.寧波工程學(xué)院,寧波;2.同濟(jì)大學(xué),上海;3.江蘇大學(xué),鎮(zhèn)江)

0 引言

隨著人們環(huán)保意識(shí)的不斷提高和能源危機(jī)的日益加深,新能源電動(dòng)汽車已成為國內(nèi)外關(guān)注的熱點(diǎn)[1]。作為電動(dòng)汽車的主要發(fā)展方向,鋰電池憑借其高能量密度、長壽命、低自放電等優(yōu)勢(shì)備受青睞。然而,隨著電池能量密度的增加和更高功率充電技術(shù)的發(fā)展,動(dòng)力鋰離子電池?zé)崾Э仫L(fēng)險(xiǎn)逐漸增大[2]。研究表明,在極端溫度下(包括高溫和低溫),鋰離子電池容易出現(xiàn)熱失控現(xiàn)象,并且在充放電過程中會(huì)產(chǎn)生大量熱量并堆積,這些堆積會(huì)影響到其使用壽命并可能導(dǎo)致爆炸或火災(zāi)事故。因此,電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)(battery thermal management system,BTMS)作為防止鋰離子電池過熱的關(guān)鍵技術(shù),在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界備受重視[3-4]。

目前,針對(duì)鋰電池?zé)崾Э貑栴}已經(jīng)開發(fā)出了多種冷卻系統(tǒng)[5-6],主要包括空氣冷卻、液體冷卻、熱管冷卻、相變冷卻及其組合冷卻系統(tǒng)[7]。其中,空氣冷卻可分為自然對(duì)流換熱和強(qiáng)制對(duì)流換熱[8]。但由于其換熱效率低且熱傳導(dǎo)弛豫時(shí)間長等缺點(diǎn),在高放電倍率下難以滿足大規(guī)模電池組的散熱需求。而具有高導(dǎo)熱性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、低維護(hù)成本和壽命長等特點(diǎn)的熱管冷卻在電池?zé)峁芾碇袀涫荜P(guān)注。然而,熱管冷卻在快速溫度波動(dòng)和惡劣環(huán)境條件下存在局限性,并且缺乏簡單通用的傳熱模型來準(zhǔn)確預(yù)測(cè)模塊和電池組的散熱性能,因此尚未商業(yè)化應(yīng)用[9]。近年來,相變冷卻也得到了廣泛研究,但由于相變材料成本較高且導(dǎo)熱系數(shù)較低,并需要與其他散熱方案相結(jié)合使用,使其難以落地應(yīng)用[10-11]。隨著電池能量密度的逐漸提高與散熱需求增加,液體冷卻技術(shù)越來越受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的重視[12-13]。根據(jù)冷卻液是否直接接觸到電池,可將其分為直接液冷或間接液冷。直接液冷又稱為浸沒式液冷,是目前最有效的散熱技術(shù)之一,具有高效散熱、節(jié)能降耗、節(jié)約空間和穩(wěn)定低噪等優(yōu)點(diǎn)。該冷卻系統(tǒng)把電池浸泡在非導(dǎo)電的電介質(zhì)中,使其得到均勻的熱量傳導(dǎo),從而保證了電池組溫度的均勻性。由于換熱介質(zhì)與電池直接接觸,降低了接觸熱阻[14],進(jìn)一步提高了換熱效率。此外,這種冷卻方法還可以降低系統(tǒng)的復(fù)雜性[15]。4種不同冷卻方式及其優(yōu)缺點(diǎn)如圖1所示[16]。隨著技術(shù)發(fā)展出現(xiàn)了許多組合系統(tǒng)[17]。

目前,雖然已有大量關(guān)于浸沒式液冷用于數(shù)據(jù)中心的報(bào)道,但對(duì)其在電池?zé)峁芾矸矫嫒狈C述。本文分析和介紹了基于浸沒式液冷技術(shù)的電池?zé)峁芾?包括冷卻液種類、排布方式、流速、壓力等因素對(duì)電池散熱效率的影響,并探討了該技術(shù)所面臨的前景和挑戰(zhàn)。

1 浸沒式電池液冷技術(shù)

根據(jù)不同的換熱機(jī)理,浸沒式液冷系統(tǒng)可分為單相和兩相浸沒式液冷系統(tǒng)。其工作原理如圖2所示。

圖1 幾種電池冷卻技術(shù)[16]

圖2 單相與兩相浸沒式液冷原理圖

在單相浸沒式液冷系統(tǒng)中,通過外部散熱器循環(huán)散熱的冷卻液始終保持液態(tài)。為了滿足單相浸沒式液冷的要求,需要選擇具有高沸點(diǎn)、低黏度、高導(dǎo)熱系數(shù)、不易揮發(fā)和兼容性好的冷卻液,并避免頻繁補(bǔ)充[18]。

在兩相浸沒式液冷過程中,隨著電池表面溫度升高,冷卻液發(fā)生相變并依靠液體沸騰快速帶走熱量。沸騰換熱性能隨著溫度的上升而快速提高,并吸收大量潛熱以實(shí)現(xiàn)快速傳遞熱量。當(dāng)冷卻液蒸發(fā)后遇到冷凝器表面時(shí)會(huì)凝結(jié)成為液體重新回到腔體內(nèi)。由于冷卻液發(fā)生相變,對(duì)容器的密封性有一定的要求[19]。

1.1 單相浸沒式液冷技術(shù)

單相浸沒式液冷可應(yīng)用的工質(zhì)包括氫氟醚、硅油和烴類等。與兩相浸沒式液冷相比,由于工質(zhì)不發(fā)生相變,因此其冷卻系統(tǒng)更為簡單。理想的冷卻工質(zhì)應(yīng)具備良好的絕緣性、高比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)、良好的阻燃性能、低成本,以及適宜的工作溫度、較長的壽命、無腐蝕性、低密度和低黏度等特點(diǎn)。

氫氟醚是電子浸沒式液冷中最為常見的工作介質(zhì)[18,20],近年來也被廣泛應(yīng)用于電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)。其中3M公司開發(fā)的Novec系列產(chǎn)品應(yīng)用較為廣泛。由于其較好的兼容性,沸點(diǎn)較高的Novec介質(zhì)可用于單相浸沒式液冷。

近年來,碳?xì)浠衔镌陔姵亟]式液冷系統(tǒng)中的應(yīng)用備受關(guān)注,包括礦物油、多烯烴(PAO)和其他合成碳?xì)浠衔镉汀Ｆ渲?礦物油由于低成本、低毒性及工作范圍廣的特點(diǎn),常被應(yīng)用于單相浸沒式液冷系統(tǒng)中[12]。Liu等人通過實(shí)驗(yàn)研究了動(dòng)態(tài)充放電循環(huán)的電池在靜態(tài)和流動(dòng)的礦物油冷卻下的熱響應(yīng),如圖3a所示。實(shí)驗(yàn)研究表明,提高礦物油的流速可有效降低電池表面溫度,然而由于冷卻能力有限,隨著流速進(jìn)一步提高,降溫效果逐漸減弱。理論分析表明,礦物油在傳熱過程中存在著混合對(duì)流現(xiàn)象：在低雷諾數(shù)情況下,自然對(duì)流起主導(dǎo)作用;隨著雷諾數(shù)增大,強(qiáng)制對(duì)流效應(yīng)與自然對(duì)流效應(yīng)相當(dāng)甚至超過前者;在4C(C為最大容量)放電倍率條件下,自然對(duì)流始終主導(dǎo)傳熱過程[21]。Satyanarayana等人對(duì)比了自然空氣冷卻、強(qiáng)制空氣冷卻、礦物油冷卻和導(dǎo)熱油冷卻4種不同的冷卻方式,實(shí)驗(yàn)裝置如圖3b所示。研究結(jié)果表明,在3C放電倍率下,配備強(qiáng)制空氣冷卻、導(dǎo)熱油冷卻和礦物油冷卻的電池模塊的最高溫度分別降低了43.83%、49.17%和51.54%。在強(qiáng)制對(duì)流冷卻下電池組的最高放電倍率為1.5C;而在浸沒式冷卻條件下,電池組的最高放電倍率可達(dá)2C[22]。Wang等人將單相浸沒式液冷與水冷系統(tǒng)相結(jié)合,即將電池浸沒在礦物油中,由礦物油吸收電池產(chǎn)生的熱量,并通過冷卻系統(tǒng)帶走礦物油中的熱量(如圖3c所示)。研究結(jié)果表明,與自然對(duì)流冷卻和單相浸沒式液冷相比,耦合系統(tǒng)使得電池能夠在最佳工作溫度下分別延長150.3%和45.7%的工作時(shí)間[23]。

圖3 單相液冷實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

此外,增大電池間隔、介質(zhì)流速及采用具有高導(dǎo)熱系數(shù)和低運(yùn)動(dòng)黏度的工作介質(zhì)可以提高系統(tǒng)的冷卻性能。Wang等人設(shè)計(jì)了一種用于鋰離子軟包電池的浸沒式液冷系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用高絕緣性的10號(hào)變壓器油作為冷卻液,在主動(dòng)和被動(dòng)模式下均可運(yùn)行。與Novec系列氟化液FC-72和HFE-7100相比,10號(hào)變壓器油具有更高的比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,在2C放電倍率和25 ℃環(huán)境溫度下,浸沒式液冷方案展現(xiàn)出最佳的熱管理性能。與自然空氣冷卻相比,電池的最高溫度從58.3 ℃降至39.4 ℃,降幅達(dá)32.4%[24]。Liu等人探究了10號(hào)變壓器油用于電池冷卻的可行性。研究表明,在2C放電倍率下,浸泡在靜止變壓器油液中的電池的最高溫度為37.4 ℃,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于自然空氣冷卻。當(dāng)流量為15 mL/min(雷諾數(shù)為0.59)時(shí),整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到最佳效能[25]。

殼熱流體(應(yīng)用于殼管式換熱器中的換熱介質(zhì))與許多常見的材料兼容,如橡膠、塑料和金屬,這些都是電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)中代表性的材料。然而,殼熱流體具有可燃性,如殼熱流體E5 TM 410的閃火點(diǎn)溫度為190 ℃。需要注意的是,增大流體的黏度會(huì)提高閃火點(diǎn)溫度。但高黏度不利于浸沒式液冷系統(tǒng)中換熱介質(zhì)的擾動(dòng)和對(duì)流。Han等人采用E5 TM 410作為冷卻介質(zhì)對(duì)18650電池進(jìn)行冷卻。在4C放電倍率下,電池組的最高溫度達(dá)到了60.2 ℃,需通過增加翅片和擋板來進(jìn)一步提升電池組的熱均勻性[26]。

酯基介電冷卻劑作為礦物油的替代品,因其良好的降解性和低成本而廣泛應(yīng)用于電力設(shè)備中[27]。酯基介電冷卻劑可分為天然酯類和人造酯類。與天然酯類相比,人造酯具有良好的抗氧化性,可以延長維護(hù)周期。但是合成酯存在閃火點(diǎn)溫度較低、易揮發(fā)等問題。Mehta等人從環(huán)保、消防安全、熱性能、介電性能等方面對(duì)新型天然酯與現(xiàn)有礦物油技術(shù)進(jìn)行了評(píng)價(jià)和論述。結(jié)果表明,天然酯可用于變壓器。雖然已證明用于高壓電子器件的熱管理時(shí),酯類介電冷卻劑具有與礦物油相似的特征,但它們?cè)陔姵責(zé)峁芾眍I(lǐng)域的應(yīng)用仍處于空白[28]。

硅油是另一種冷卻液,其黏度取決于硅氧烷單體鏈的長度,在高溫和低溫下具有較好的耐溫性能。Sun等人對(duì)太陽能電池進(jìn)行了直接液體冷卻實(shí)驗(yàn),以解決線性聚光光伏系統(tǒng)中的散熱問題。研究結(jié)果表明,在硅油進(jìn)口溫度為15 ℃,雷諾數(shù)從13 602到2 720變化時(shí),可以將電池溫度控制在20～31 ℃范圍內(nèi)。該方法可直接應(yīng)用于鋰電池的冷卻[29]。Matsuoka等人比較了單相浸沒式冷卻劑(包括硅油50 cSt和20 cSt、大豆油、全氟化合物Novec 3283和Novec 43)在數(shù)據(jù)中心服務(wù)器冷卻方面的應(yīng)用效果。研究發(fā)現(xiàn),在單相浸沒式液冷中,對(duì)流換熱起著重要作用。因此,較小黏度的冷卻液會(huì)獲得更好的降溫效果[30]。

超純水作為非導(dǎo)電介質(zhì)亦可作為換熱介質(zhì)。Celen采用超純水作為換熱介質(zhì)對(duì)軟包鋰電池進(jìn)行冷卻。研究結(jié)果表明,在4C的放電倍率下,空氣和超純水冷卻方式下電池組的最高溫度分別為45 ℃和33 ℃。通過超純水浸沒式液冷技術(shù),電池組的平均和最高表面溫度可以分別降低28%和25%[31]。Luo等人通過實(shí)驗(yàn)和模擬研究了超純水浸沒式電池?zé)峁芾硐到y(tǒng),并設(shè)計(jì)了一種特殊的密封結(jié)構(gòu)以防止水和電池電極接觸。研究發(fā)現(xiàn),在3C的放電倍率下,較小的水流量(200 mL/min)也能確保電池組的最高溫度低于50 ℃。然而,良好的冷卻能力將增大電池組的溫差。當(dāng)水流量小于1 000 mL/min時(shí),很難將電池組的溫差降低到5 ℃以下。由于超純水沒法長時(shí)間保持高電阻率狀態(tài),因此該技術(shù)需要進(jìn)一步研究[32]。

1.2 兩相浸沒式液冷技術(shù)

低沸點(diǎn)的Novec介質(zhì)常用于兩相浸沒式液冷[33]。Van Gils等人對(duì)Novec 7000工質(zhì)在18650電池?zé)嵴{(diào)節(jié)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究,包括熱均勻性和降溫效果。兩相浸沒式液冷系統(tǒng)本質(zhì)上是基于內(nèi)部沸騰原理,其冷卻效率取決于工質(zhì)在沸騰過程中所處的狀態(tài)[34]。圖4展示了氟化液池內(nèi)的沸騰曲線,應(yīng)盡可能使沸騰發(fā)生在充分發(fā)展階段,此時(shí)系統(tǒng)具有較高的沸騰效率。

圖4 池內(nèi)沸騰曲線

Giammichele等人采用Novec 7000工質(zhì)直接冷卻18650電池,測(cè)試了3種不同放電倍率下的電池?zé)犴憫?yīng)[35]。Hirano等人通過實(shí)驗(yàn)研究了Novec 7000工質(zhì)對(duì)軟包鋰電池的冷卻效果,并在10組電池之間加入泡沫金屬增強(qiáng)換熱,同時(shí)和空氣冷卻作了比較?？諝饫鋮s工況下,10C放電倍率時(shí)電池溫度達(dá)到80 ℃,20C放電倍率下電池溫度可達(dá)到90 ℃。在沸騰換熱作用下,電池溫度始終保持在35 ℃以下[36]。Wu等人提出了一種基于Novec 7000工質(zhì)的沸騰冷卻系統(tǒng)來管理20 A·h大型軟包鋰離子電池的溫度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在靜態(tài)模式下,該系統(tǒng)具有優(yōu)異的降溫和改善整個(gè)模塊內(nèi)部溫度均勻性的能力,在4C放電倍率下也是如此。通過采用間歇流動(dòng)模式,可將溫度峰值和最大溫差分別控制在36 ℃和2 ℃以下[37]。Wang等人設(shè)計(jì)了基于HFE-7000換熱介質(zhì)的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)(60節(jié)18650電池),換熱介質(zhì)的強(qiáng)制對(duì)流在控制整個(gè)電池模塊溫度方面起到了主導(dǎo)作用。當(dāng)換熱介質(zhì)的入口速度為0.3 m/s時(shí),電池溫度在5C放電倍率下可保持在35.1 ℃以下。而電池與電池之間主要是兩相沸騰和局部擾動(dòng)起主導(dǎo)作用,電池與電池之間的溫差不超過3.71 ℃[38]。可以看出,在兩相浸沒式液冷系統(tǒng)中,同時(shí)存在單相浸沒式液冷的傳熱行為,使得其具備對(duì)流和沸騰耦合換熱特性。

Li等人提出了基于沸點(diǎn)為33.4 ℃的SF33的浸沒式液冷系統(tǒng),并將其與強(qiáng)制空氣冷卻(FAC)系統(tǒng)在不同放電倍率和動(dòng)態(tài)負(fù)載條件下進(jìn)行了比較。結(jié)果發(fā)現(xiàn),即使在7C放電倍率下,浸沒式液冷系統(tǒng)也能夠把電池溫度控制在34.5 ℃以下[39]。Goodarzi等人采用R141b制冷劑作為換熱工質(zhì)實(shí)現(xiàn)兩相浸沒式電池冷卻。研究結(jié)果表明,增加制冷劑的填充量、降低電池倉的壓力可降低電池組的最高溫度,減小電池之間的溫差和電池內(nèi)部的溫差;而室外溫度升高會(huì)導(dǎo)致電池組的最高溫度升高。相變過程中的高潛熱吸收使電池組的最高溫度下降[40]。近些年,隨著國產(chǎn)冷卻劑的發(fā)展,其在電池冷卻中也得到廣泛應(yīng)用。Li等人提出了基于ENASOLV FS 49(沸點(diǎn)為49 ℃)的新型電池?zé)峁芾硐到y(tǒng),如圖5所示,測(cè)試了電池組在快速充電條件下的溫度響應(yīng),并與空氣冷卻方式進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果顯示,浸沒式液冷系統(tǒng)具有良好的散熱效果,在2C和3C充電倍率下電池組的峰值溫度分別降低7.7 ℃和19.6 ℃,且相應(yīng)消耗能量分別僅為空氣冷卻方式的14.41%和40.37%[41-42]。

圖5 兩相浸沒式液冷實(shí)驗(yàn)臺(tái)[41]

為進(jìn)一步提升冷卻液的性能,有研究者將多種冷卻劑混合使用。Wang等人采用R1233ZD(E)/乙醇混合冷卻工質(zhì)進(jìn)行浸沒式液冷實(shí)驗(yàn)研究,并分析了不同放電倍率、不同R1233ZD(E)填充率和不同入口速度下,壁面沸騰和強(qiáng)制對(duì)流耦合作用對(duì)電池?fù)Q熱的影響。研究結(jié)果表明,當(dāng)?shù)头悬c(diǎn)的R1233ZD(E)混入到乙醇中時(shí),壁面沸騰換熱得到有效加強(qiáng),使得電池模塊的溫度均勻性提高了57.0%。此外,R1233ZD(E)的體積分?jǐn)?shù)影響沸騰換熱效率;而液相強(qiáng)制對(duì)流換熱則在降低電池模塊溫度方面起主導(dǎo)作用,并隨著制冷劑入口流速的增大強(qiáng)制對(duì)流換熱作用增強(qiáng)[43]。表1總結(jié)了鋰電池浸沒式液冷系統(tǒng)部分常用冷卻液的物性參數(shù)。無論是單相還是兩相浸沒式液冷系統(tǒng),在關(guān)注熱物性參數(shù)之余還應(yīng)考慮環(huán)保評(píng)價(jià)參數(shù),如臭氧消耗潛能值(ODP)和全球變暖潛能值(GWP)。

1.3 模擬研究

近些年,許多研究者嘗試通過數(shù)值模擬(如Fluent、COMSOL軟件等)對(duì)浸沒式液冷系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化與性能研究[46-47]。Jithin等人利用數(shù)值模擬比較了去離子水、礦物油和工程流體(AmpCool AC-100)在浸沒式電池?zé)峁芾碇械慕禍匦Ч＝Y(jié)果表明,所有冷卻工質(zhì)均能有效控制鋰電池的溫度,具有良好的均勻性。高比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)及低黏度的冷卻介質(zhì)有助于獲得更好的降溫效果[48]。

Al-Zareer等人采用COMSOL軟件模擬計(jì)算了圓柱形電池的間距對(duì)池內(nèi)沸騰換熱的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)減小電池間距會(huì)導(dǎo)致電池的最高溫度升高,但會(huì)提高電池表面溫度的均勻性。因此,在設(shè)計(jì)浸沒式液冷系統(tǒng)時(shí)應(yīng)考慮電池的間距和排列方式[49]。Al-Zareer等人采用COMSOL軟件模擬計(jì)算了方形電池和圓柱形電池在池內(nèi)沸騰中的散熱效果。研究結(jié)果表明,浸沒式液冷更適用于圓柱形電池,當(dāng)冷卻液填充量為30%時(shí),電池的最高溫度可降低18.6 ℃;而方形電池則更適合使用冷板換熱方法,使冷卻液在金屬板內(nèi)流動(dòng)[50]。

表1 鋰電池浸沒式液冷系統(tǒng)中常用冷卻液的主要物性參數(shù)

Dubey等人采用Fluent模擬研究了浸沒式液冷與冷板液冷技術(shù)的冷卻性能。研究發(fā)現(xiàn)：在低放電倍率下,2種技術(shù)的換熱性能相近;而在高放電倍率下,浸沒式液冷具有更好的換熱效果。此外,提高換熱介質(zhì)的流速可以改善電池溫度的均勻度[51]。Amalesh等人采用Fluent數(shù)值模擬研究了液體冷卻、空氣冷卻、相變材料(PCM)冷卻、混合冷卻(結(jié)合液冷和PCM冷卻)在10 A·h電池組快速充放電過程中的熱響應(yīng)。研究結(jié)果表明,8C放電倍率下,采用液冷劑STO-50的浸沒式系統(tǒng)具有最優(yōu)的散熱效果,能夠始終將電池溫度控制在40 ℃以下[52]。Tan等人提出了一種采用氫氟醚(HFE-6120)作為冷卻液的新型冷卻系統(tǒng),并通過Fluent模擬對(duì)其關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了數(shù)值分析。結(jié)果表明,使用HFE-6120冷卻劑的直接液冷系統(tǒng)可以將最大溫差和溫度標(biāo)準(zhǔn)差分別減小18.1%和25.0%[45]。

目前,越來越多的研究者采用模擬軟件對(duì)浸沒式液冷的熱設(shè)計(jì)方案進(jìn)行研究,以期獲得最佳換熱效果。Han等人利用Fluent模擬了不同形狀(圓形、矩形和三角形)的散熱片對(duì)浸沒式液冷電池?fù)Q熱效率的影響。結(jié)果顯示,在各種散熱片結(jié)構(gòu)下均可實(shí)現(xiàn)電池組的對(duì)稱溫度分布和較好溫度均勻性。與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)相比,圓形、矩形和三角形散熱片結(jié)構(gòu)使電池組最高溫度分別降低了2.41%、2.57%和4.45%,其中三角形散熱片結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出最佳散熱效果[53]。Patil等人模擬研究了在浸沒式液冷條件下添加擾流板對(duì)換熱效果的影響。研究結(jié)果表明,在3C放電倍率下,與空氣冷卻相比,浸沒式液冷能夠?qū)㈦姵亟M的最高溫度降低46.8%,而添加擾流板后可進(jìn)一步降低9.3%[54]。Zha等人通過模擬研究了完全浸沒式液冷和噴淋液冷2種方式的冷卻效果。結(jié)果表明,在560 mL/min冷卻劑流量下,噴淋液冷的冷卻溫度比完全浸沒式液冷降低3.9 ℃[55]。

盡管已有不少研究者基于商業(yè)軟件對(duì)浸沒式液冷系統(tǒng)的性能進(jìn)行了研究,但在模擬過程中往往采用簡化的電池模型,較少考慮電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)與產(chǎn)熱之間的耦合影響,從而降低了模擬的精確度。此外,在模擬兩相浸沒式液冷時(shí),即池內(nèi)沸騰換熱時(shí),使用商業(yè)軟件通常難以準(zhǔn)確描述如此復(fù)雜的換熱過程,進(jìn)一步影響了模擬結(jié)果的精度。

1.4 系統(tǒng)評(píng)價(jià)方法

作為電池?zé)峁芾砑夹g(shù)的一個(gè)主要類別,國內(nèi)外對(duì)浸沒式液冷技術(shù)已有不少研究。然而,對(duì)于各種類型的浸沒式液冷技術(shù)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)還處于探索階段。Xu等人綜述了鋰離子電池液冷系統(tǒng)的系統(tǒng)性評(píng)估和比較方法,提出了多目標(biāo)優(yōu)化方法的通用框架用于設(shè)計(jì)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)(BTMS),并對(duì)各種類型的液冷BTMS進(jìn)行了統(tǒng)一和全面的評(píng)估。最后,重建和數(shù)值模擬了幾個(gè)典型的基于液冷的BTMS,并通過5個(gè)指標(biāo)(溫度均勻度、最高溫度、壓降、配件質(zhì)量占總系統(tǒng)質(zhì)量之比、成本水平)進(jìn)行了綜合評(píng)估[56]。

熱管理系統(tǒng)對(duì)電池的性能、安全和壽命的影響不容忽視。Koster等人對(duì)2個(gè)相同的18650電池組采用空氣冷卻和浸沒式液冷系統(tǒng)進(jìn)行了耐久性實(shí)驗(yàn)。研究表明,在浸沒式液冷系統(tǒng)中,電池組各單元之間的最大溫差為1.5 ℃,而空氣冷卻系統(tǒng)中的溫差可以達(dá)到15 ℃。浸沒式液冷的均勻化電池溫度分布使得電池在600次循環(huán)后,電池容量的衰減比空氣冷卻減少3.3%[57]。

冷卻液的兼容性是另一個(gè)不可忽視的評(píng)價(jià)因素。Li等人對(duì)5種碳氟化合物基冷卻液(HFO-1336、BTP、C6F-ketone、HFE-7100和F7A)與電池的兼容性進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明,無論是在冷卻效果還是在電池健康狀態(tài)方面,直接液體冷卻方法均優(yōu)于自然空氣冷卻方法。對(duì)于低沸點(diǎn)冷卻劑,液體/蒸汽兩相冷卻比高沸點(diǎn)冷卻劑的單相冷卻具有更強(qiáng)的熱控制能力。通過熱失控抑制實(shí)驗(yàn)可以得出結(jié)論：基于氟碳化合物的直接液體冷卻技術(shù)能夠有效地抑制或避免電池發(fā)生熱失控現(xiàn)象。除了碳氟化合物BTP冷卻液,所有其他類型的冷卻液都與電池具有良好兼容性[58]。

在BTMS設(shè)計(jì)中,考慮到多維特性,對(duì)于各種類型的基于液冷的BTMS采用多樣化的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)至關(guān)重要。因此,實(shí)現(xiàn)全面挖掘整個(gè)系統(tǒng)性能所需的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)是必不可少的。然而,在當(dāng)前研究中,多目標(biāo)優(yōu)化過程和統(tǒng)一評(píng)估體系仍需要進(jìn)一步完善和總結(jié)。

2 行業(yè)趨勢(shì)

近些年,浸沒式液冷技術(shù)在電動(dòng)汽車和儲(chǔ)能工業(yè)界得到了不少應(yīng)用。Ricardo公司展示了一種浸沒式電池?zé)峁芾砟K,實(shí)現(xiàn)了高達(dá)3.9C的充電倍率。研究發(fā)現(xiàn),該方法可以保證電池溫度控制在30 ℃左右。與間接冷卻的冷板相比,浸沒式液冷在模塊層面可降低8%的成本,在車輛層面可降低6.5%的成本。這主要?dú)w功于幾個(gè)因素,其中最重要的是通過減小銅母線厚度節(jié)省了成本[59]。浸沒式液冷電池已經(jīng)開始應(yīng)用于高端豪華跑車中。邁凱倫公司首次在Speedtail跑車上采用了浸沒式液冷電池技術(shù)。Speedtail總輸出功率可達(dá)775 kW,而電池組的功率密度僅為5.2 kW/kg[60]。奧迪和奔馳分別于2019年和2021年推出了適用于自家超級(jí)跑車的高性能(兩相浸沒式液冷)電池組[61-62]。特斯拉申請(qǐng)了一個(gè)名為“電池冷卻劑外套”的專利,描述了一個(gè)具有集成框架結(jié)構(gòu)的電池模塊,以容納被冷卻液浸泡的電池單元[63]。國內(nèi)方面,安徽新寧能源科技有限公司在其一個(gè)關(guān)于電池模塊的專利中采用了浸沒式液冷來提高電池的散熱效率和安全性[64]。2023年3月6日,全球首個(gè)浸沒式液冷儲(chǔ)能站——南方電網(wǎng)梅州寶湖儲(chǔ)能站正式投入運(yùn)營[65]。浸沒式液冷技術(shù)大多集中于工業(yè)界的會(huì)議演講和網(wǎng)絡(luò)討論上,各組織都在該領(lǐng)域擁有知識(shí)產(chǎn)權(quán),然而尚未將其發(fā)表于科學(xué)文獻(xiàn)中。

3 結(jié)論與展望

隨著電動(dòng)汽車和儲(chǔ)能行業(yè)的快速發(fā)展,解決儲(chǔ)能電池的安全問題已成為當(dāng)務(wù)之急。本文綜述了浸沒式液冷電池?zé)峁芾砑夹g(shù),包括單相和兩相浸沒式液冷的相關(guān)研究及行業(yè)趨勢(shì),得出以下結(jié)論：

1) 適合作浸沒式液冷的冷卻劑包括氫氟醚、碳?xì)浠衔?、酯和硅油等。較低的黏度和密度及較高的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容有助于提高液冷效率。3M公司的Novec系列氟化液在電池?zé)峁芾碇械玫搅藦V泛的應(yīng)用,碳?xì)浠衔锘鋮s劑也具有良好的應(yīng)用場(chǎng)景。然而,仍需重視冷卻液對(duì)電池及相關(guān)電子元件的腐蝕性,并進(jìn)行長期觀察監(jiān)測(cè)。

2) 相較于單相浸沒式液冷系統(tǒng),兩相浸沒式液冷系統(tǒng)具備更優(yōu)異的換熱效率。兩相浸沒式液冷的散熱性能隨溫度非線性變化,在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)避免使沸騰處于過熱狀態(tài)。此外,在考慮換熱過程時(shí)還需將電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)與外界溫度變化耦合起來進(jìn)行深入研究,以獲取更準(zhǔn)確的模擬結(jié)果。

3) 目前尚缺乏綜合考慮電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)多維特性評(píng)價(jià)指標(biāo)方面的探討?，F(xiàn)有指標(biāo)主要集中在對(duì)熱響應(yīng)狀態(tài)的評(píng)估上,并未充分考慮到冷卻液對(duì)電池壽命的影響及其與電子元件之間的兼容性。

盡管電子設(shè)備的液冷技術(shù)研究已有幾十年歷史,但其在電池?zé)峁芾眍I(lǐng)域的應(yīng)用時(shí)間并不長,并未得到廣泛商業(yè)化應(yīng)用。因此,電池浸沒式液冷技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展需要持續(xù)探索實(shí)踐,同時(shí)也面臨著多種問題和挑戰(zhàn)。以下可能是未來電池?zé)峁芾硪豪溲芯康陌l(fā)展方向：

1) 目前已有的換熱介質(zhì)生產(chǎn)技術(shù)均掌握在歐美國家,例如3M公司的Novec系列。自主開發(fā)高效冷卻液是我國解決浸沒式液冷技術(shù)研究中的重點(diǎn),是重要的“卡脖子”關(guān)鍵技術(shù)。

2) 開發(fā)結(jié)構(gòu)簡單、壓力可調(diào)的兩相浸沒式液冷系統(tǒng),通過監(jiān)測(cè)電池狀態(tài),實(shí)時(shí)調(diào)整電池包內(nèi)的壓力來調(diào)節(jié)換熱效率;同時(shí)應(yīng)考慮電池安全性,當(dāng)電池受到破壞時(shí),冷卻液能夠起到防止熱失控的效果。

3) 研究浸沒式液冷對(duì)不同鋰電池壽命的影響,了解低溫性能;研究浸沒式冷卻系統(tǒng)的長期材料兼容性和穩(wěn)定性、安全性和冷卻液材料的可持續(xù)性。