电池热管理四大冷却技术比较！
随着科技的日新月异，锂离子电池在我们日常生活中的应用越来越广泛，从智能手机到电动汽车，它们已经渗透到我们的生活的方方面面。但正如我们享受电池带来的便利时，其内部的温度管理也是一个至关重要的议题。电池的温度不仅影响其性能和寿命，还关乎用户的安全。因此，电池热管理技术变得尤为关键。本文将深入探讨四种主要的电池热管理技术：空气冷却、液体冷却、相变材料冷却以及热电冷却。
图1：Tesla Roadster电动汽车，由18650锂离子电池驱动
电池在使用时可能会有电量利用不均或不充分的情况，因此常装备电池管理系统（BMS）来监控和优化电池的运行状态。但随着技术的不断进步，电池的热管理（尤其是温度控制）逐渐受到重视。这是因为，电池温度过高或过低都可能导致电池性能下降，甚至产生安全隐患。
为了保障电池的最佳性能与安全，一个高效的电池热管理系统（BTMS）是不可或缺的。它可以保证电池温度始终处于理想范围，并确保各电池之间的温度差异最小。
值得注意的是，锂离子电池对温度非常敏感。例如，温度过低时，电池的性能会受到影响，特定类型的电池如磷酸铁锂电池，低温下其导电性会大幅下降。而在高温下，电池可能会遭受热失控甚至引发爆炸等安全事故。
冷却技术在热管理中扮演了关键角色，它确保电池温度不过高，从而保护电池并确保其安全运行。尽管我们已有一些电池冷却方案，但仍需在散热、温度均衡和成本等方面进一步优化。
为此，我们对当前的几种主流电池热管理技术进行了深入探讨，包括空气冷却、液体冷却、相变材料冷却和热电冷却技术，分析了它们各自的优缺点，并预测了未来可能的发展趋势。
锂离子电池在全球动力与消费电池市场中占据重要地位，因此其热管理技术一直受到行业内的高度关注。这些技术从简单的空气自然冷却演进到复合式冷却，每种技术都有其特点与挑战。以下为您详细介绍各种冷却技术。
2.1 空气冷却
空气冷却可以分为被动式的自然冷却和主动式的强制冷却。这两种方式都是通过空气流动来带走电池产生的热量，从而实现冷却。其优势在于结构简单、成本低、环保无污染。
自然冷却：这是一种被动冷却技术，只需设计好散热风道即可。例如，早期的Nissan Leaf电动汽车就采用了这种冷却方式。但这种方法很难满足动力电池的高效冷却需求，可能会影响电池的寿命。
强制空气冷却：相较于自然冷却，这种技术通过增加风扇等设备来加强空气流动，提高冷却效果。但这也意味着噪音和能耗的增加。另外，通过调整气流通道的形状，可以进一步提高冷却效果。
图2 (a)采用自然空气冷却的锂离子电动汽车Nissan Leaf[5,34] ；(b) 自然空气冷却示意图[36] ；(c)主动空气冷却示意图[36] ；(d), (e) 主动风冷储能集装箱示意图
结合多项研究，与其他冷却技术结合使用的空气冷却技术可以显著提高电池的冷却效果和均匀性。例如，使用与二氧化硅冷却板结合的风冷电池热管理系统，电池温差可以降低至1.84℃。另一项研究还发现，通过在风冷系统中采用电池对齐排列，可以实现更好的冷却效果。
在电动飞行设备中，空气冷却技术因其轻便、低能耗等特点仍是首选。例如，某些电动无人机和电动飞行汽车都采用了自然空气冷却技术。特别是对于注重重量的电动飞行设备，适当设计的风道还可以提高其散热效果。
图3 (a)某电动无人机 ；(b) 自然空冷电池模组；(c) 用于航模无人机的3.7 V软包锂离子电芯；(d) 某电动飞行汽车；(e) 碳纤维底座分散式电池舱；(f) 自然空冷电池模组；(g) 全极耳叠片高功率低发热率电芯
综上所述，空气冷却技术因其简便、经济和环保的特点在特定应用中仍具有广泛的潜力和价值。
2.2 液体冷却技术
液体冷却使用冷却液对电池进行热交换，能够高效、迅速地散热。这种技术分为直接液冷和间接液冷。在直接液冷中，冷却液直接与电池接触，例如沉浸式液冷。而间接液冷则通过特定部件，如冷却板，来达到冷却效果。
2.2.1 冷却板液冷
与空气冷却相比，冷却板液冷技术更为高效，且冷却板多为铝或铝合金，成本相对较低。主要研究方向是优化冷却板的结构和流体流动特点，以简化制造过程并增强其效果。
近期研究主要集中在冷却液通道的设计和冷却液的流动方向。例如，有专家在蛇形流道的基础上，设计了一种新型液冷板。这种新设计在特定条件下能大大提高冷却效率。也有专家则设计了基于方形电池的蜂窝结构冷却板，该设计通过增加冷却通道提高了散热效果。这些研究均指出，合理的冷却液通道设计和流动方向对温度均匀性十分关键。整体而言，冷却板液冷技术已相当成熟，广泛应用于多种电动设备。
应用实例
冷却板液冷技术已被广泛使用在储能电站和电动汽车等领域。某公司的冷却板液冷产品及相关专利展示了其在实际应用中的效果。特斯拉4680CTC电池包内部的蛇形冷却板也采用了这种技术，以增大接触面积并提高冷却效果。
图4 (a)锂离子软包电池的二次流蛇形通道冷却板示意图；(b) 方形LiMn2O4电池的微型U型冷却板示意图；(c) 方形 LiFePO4电池的蜂窝状流道冷却板示意图
图5 (a)冷却板液冷电池舱；(b) 冷却板液冷电池包及内部结构简图；(c) 冷却板液冷组合式储能电池柜；(d) 冷却液循环管与电池板的安装结构示意图
图6 (a), (b)特斯拉4680 CTC电池包及电芯间蛇形冷却板示意图；(c), (d) 某公司麒麟电池包及冷却板安装示意图；(e), (f) 某公司刀片CTB电池包及冷却板组件示意图
总的来说，冷却板液冷技术对于大多数应用场景都是非常有效的。其主要材料如铜和铝具有良好的热传导性能，成本适中，非常适合用于电动汽车或其他冷却需求较高的设备。在实际应用中，为确保高质量的冷却效果，需要根据电池类型和结构来设计合适的冷却通道并选择适当的材料。
2.2.2 浸没式液冷
浸没式液冷技术是将电池与其他发热部件完全浸入冷却液中。相较于传统的风冷，这种技术降低了噪音和能耗，同时也更好地控制了电池的温度。尽管此技术的效果卓越，其主要缺点在于系统重量和体积相对较大，这使其在电动汽车中的应用受到限制。但对于固定的储能电站来说，此技术非常理想。
浸没式液冷主要使用绝缘油和氟化液作为冷却剂，尽管成本较高。不过，研究已证明，这种冷却技术可以确保电池的平均温升不超过5℃，同时各电池之间的温差也仅为2℃。这有助于提高储能电站的使用寿命和安全性。
图7 (a)三元软包锂离子电池组油浸式液冷BTMS及结构示意图；(b) 小型NCM811动力电池油浸式液冷BTMS原理图及4种 绝缘油进出口方式示意图；(c) 18650 LiCoO2电池的油浸式液冷实验示意图和电池在不同冷却条件下的温度曲线
最新的研究指出，浸没式液冷可以大大提高冷却效率。例如，实验表明，增加浸没深度可提高冷却效果，电池的最高温度和温差分别降低了32.4%和75.3%。此外，选择合适的冷却液流动方式和速度也是关键，正确的选择能使电池的温度和温差得到更好的控制。
虽然浸没式液冷技术在储能电站中已经得到了广泛应用，但其在电动汽车中的使用仍受到了成本和体积的限制。然而，对于某些高端车型或有特殊冷却需求的车型，此技术仍有可能被采用。
图8 (a)单相和(b)相变浸没式液冷的冷却液循环流动示意图；(c) 采用浸没式油冷的电动汽车；(d) 某大型储能电站及所使用的(e) 液冷储能集装箱；(f) 某汽车公司电动车浸没式液冷电池模组示意图
结论：浸没式液冷技术在电池冷却方面有很大的潜力，特别是对于储能电站这样的大型设备。但在电动汽车中的广泛应用仍需解决一些问题，如成本、体积和设计的挑战。
2.3 相变材料冷却技术
基于相变材料（PCM）的电池热管理技术是一种创新方法，它通过利用PCM的热储存与释放特性来维持电池在最佳温度。这种方法的优点有多个：它不需要额外的能量、没有运动的部分、维护成本低，而且它能够很好地确保电池温度均匀。
目前，热管理中常用的PCM材料有：
有机材料，如石蜡、烷烃和有机酸。
无机材料，如水溶液、盐类水合物和熔融盐。
共晶材料。
但PCM本身的热导率并不高，因此通常要加入其他材料如泡沫铜、膨胀石墨和纳米颗粒，以提高其热导性。这也能解决PCM的某些物理问题，例如相变后的流动性问题。
为了更直观地理解这一点，我们可以参考最近的一些研究。例如，有专家制造了一种由月桂酸和石蜡与膨胀石墨结合的复合相变材料，此材料成功地将某电池的最高温度降低到了42.39℃。还有其他研究也表明，结合其他冷却方法，如空气冷却，可以进一步增强PCM的冷却效果。
图9 (a)采用复合相变材料冷却的软包锂离子电池 ；(b) 圆柱形LiFePO4电池的CPCM/空冷复合式散热模型；(c) 26650锂离子电池的CPCM/液冷复合式散热模型
这种技术不仅仅局限于实验室。事实上，某款电动飞机已经采用了PCM散热系统。尽管PCM具有轻便的优点，但其较高的成本限制了它的广泛应用。
在实际应用中，为了提高效果，PCM常与其他冷却方法结合。例如，增加翅片可以提高散热效率，而某些翅片结构可以用作支撑，防止PCM流动。当然，选择PCM时还需要考虑其他因素，如其熔化温度、安全性以及厚度等。
图10 (a)某四座电动飞机；(b) 某动力锂离子电池；(c) 软包电芯和均热片组合示意图 ; (d) 新型纳米储热相变材料
综上所述，尽管PCM在电池热管理中显示出巨大潜力，但仍然需要进一步的研究和优化，以确保它在实际应用中的高效和安全。
2.4 热电冷却技术
热电冷却是一种先进的主动式冷却技术，核心基于珀尔帖(Peltier)效应。简而言之，当电流通过特定材料时，它会在一侧吸收热量并在另一侧释放，从而达到冷却效果。这种技术的主要优势包括：无需制冷剂、低能耗、启动迅速、稳定性好、低噪音以及无需运动部件。但挑战也很明显，例如冷却效率不高，且制造大型设备时会遇到困难。
研究者为了优化这种技术在电池热管理系统中的应用，进行了大量实验。例如，有专家设计了一种结合铜网的双二氧化硅冷却板与风冷的系统，发现二氧化硅冷却板的厚度与电池的温度表现有关，确定1.5mm是最佳厚度。另一项研究结合了热电冷却与液体冷却，实验证明此结合方式可以有效提升冷却效果。
然而，尽管有这些积极的研究进展，热电冷却技术目前主要适用于小型电子设备，因为其制冷效果有限，且大面积应用存在技术难题。
图11 (a) NCM软包电芯双面半导体铜网复合散热系统；(b) LiFePO4电芯底部TEC制冷与液冷板复合热管理示意图；(c) 基于TEC的复合散热结构及TEC实物图和示意图
在商业化进程中，热电冷却技术（TEC）已经在手机冷却器中找到了应用。这些冷却器中的TEC与其他冷却技术相结合，增强了冷却效果，如图12所展示。
图12 TEC手机散热器：(a) 10 W不插线TEC+铝合金金属鳍片+风扇空冷；(b) 双核大面积TEC+铝合金+风冷散热器；(c) 单核TEC+循环水冷板
综上所述，热电冷却技术与其他冷却技术的结合是其商业化应用的关键。例如，结合液体冷却可以实现更快的制冷并提高温度均匀性。此外，为了降低成本，TEC的制造工艺仍需进一步研究和优化。
电池热模型是我们优化电池热管理系统的关键助手。随着计算机技术的进步，诸如COMSOL多物理场和ANSYS Fluent等高效的锂电池仿真软件已被研发出来。通过这些工具，我们能够构建准确的电池热模型，预测电池在不同充放电环境下的温度表现。简言之，我们主要讨论两种模型：电-热耦合模型和电化学-热耦合模型。
电-热耦合模型是结合电池的等效电路与热的等效电路来评估电池在工作时的状态和温度的。
电化学-热耦合模型则更为深入，它是基于电池内部的电化学反应与传热特性构建的。随着技术的发展，这一模型已经从基础的一维扩展到了更复杂的三维模型。相比之下，这一模型提供了更精确的结果，特别是当考虑到电池内部的电化学反应时。例如，研究者利用这一模型研究了基于PCM的18650锂电池冷却系统的热性能。
有专家利用电化学-热耦合模型模拟了圆柱锂电池在1C放电倍率下的热行为。如图13所示，电池在放电初期和后期的温度快速上升，但在放电中期则相对稳定。与此同时，电池中央部分的应力明显高于其外围。
图13 基于电化学-热耦合模型模拟得到的电池(a)温度分布和(b)热应力分布
目前，由于三维电化学-热耦合模型需要较高的计算能力，研究者正在探寻方法简化它以降低计算成本。此外，电化学-热耦合模型与其他模型的结合，如与机械模型，可为我们提供更多的信息，比如应力是如何影响电池性能的。随着技术的不断进步，我们预期电池热管理会更趋向于智能化和集成化，同时多物理模型与预测技术的结合也将成为未来研究的重点。
锂离子电池热管理技术在其广泛应用中起着至关重要的作用。未来，高效、环保、并且经济高效的解决方案将是技术发展的方向。借助目前的模拟软件，我们有了坚实的基础来进一步完善这些技术。针对本文中所讨论的各种冷却技术，我们得出以下结论和展望：
空气冷却：尽管空气冷却是一种经典技术，但其在高功率锂电池领域的应用已遇到局限性。预计在未来的大型储能电站和动力电池应用中，更高效的液冷技术将逐渐取代空气冷却。然而，对于小型电子设备和简易电动工具，空气冷却因其成本效益和简单性仍有其应用空间。
液体冷却：液冷技术有两种方式，直接和间接。冷却板技术已相当成熟并广泛应用于储能电站和电动汽车。浸没式液冷则展现出更出色的冷却效果，但其维护更为复杂。预计浸没式技术会被更多地应用于大型储能电站和高端电动汽车。
相变材料冷却(PCM)：PCM具备出色的热吸收和储存能力，由于其固有的导热限制，通常需要加入高成本的增强材料，这在某种程度上限制了其在大型电池应用中的普及。
热电冷却：作为新兴技术，热电冷却在某些小型设备，如手机中，已得到商业化应用。但其冷却效率相对较低，需要与其他技术结合使用。未来的发展重点应是提高冷却效率和降低成本。
综上所述，目前并没有一种“一刀切”的冷却解决方案。看起来，未来的主要趋势是结合多种冷却技术，以便根据具体应用选择最合适的冷却方法，满足各种需求。
