动力电池热管理前沿之浸没式冷却

mizhongquan

对动力电池，为保证其最优工作性能，通常需要处在一个合适的温度区间内（不同材料体系会略有差异，一般在10-45℃），温度过高或过低都会影响其使用性能，不能发挥全部能力。这有些类似人体，体温正常时感觉"everything is OK"，高烧或低烧时就“不想动，只想躺着当咸鱼”。但又与人体不同，动力电池自身并不具备“体温”调节功能，所以为了让电池“状态满满”的工作，借助热管理系统对其温度进行调节就必不可少了。通俗点说，热管理系统干的活就是：电池冷了给它加热，热了给它降温，不冷不热就保温。由于保温的实现方式较为单一，我们主要考虑热管理系统加热/冷却的实现方式。
在之前的热管理系列文章中，我们已经对常见的动力电池热管理方式进行了介绍，此处做个总结。综合来看，当前量产车型动力电池热管理系统方案主要有以下几种：1.风冷+风热，主要被应用于低端车型及部分PHEV；2.液冷+液热，目前BEV的主流热管理方式；3.直冷+直热/电加热膜，主要在比亚迪的部分车型上有所应用。

除去上述已成为现实的热管理系统方案，是否还有其它热管理方式呢？答案必然是肯定的。前沿技术中蕴含着未来发展方向，此处小编拟从浸没式冷却入手，带领读者逐渐了解这些仍在“路上”的动力电池热管理方式，这些技术的应用纵有万般难题，前景不明，但 Who Knows？

此处简单说明一下，之所以从“浸没式冷却”开始热管理系统前沿的介绍，并不是因为其在乘用车动力电池热管理系统上得到商业化应用的可能性大，而是在最近动力电池领域相关论坛上，浸没式冷却被热管理液相关企业频繁提起。虽有产品销售利益相关，但被不同厂商多次提出，可能也确有一定的应用前景，有待读者自行判断。

那么，动力电池热管理前沿之浸没式冷却，开始正文。

什么是“浸没式冷却”？
浸没式冷却，又称为液体直接冷却，电池浸没在冷却剂中或部分与冷却剂直接接触，以最小化电池和冷却剂之间的热阻，使得热量可以直接传递到冷却剂中，是一种高效的冷却方式。由于电池直接浸没在液体中，对冷却剂提出了一定要求，不仅要求冷却剂导热性能好，具有不导电和不可燃特性，还不能对电池或电池包内其它组件造成腐蚀。与间接冷却方式相比，浸没式冷却具有较少的结构复杂性和较少的辅助设备，增大了换热面积，在有效抑制局部高温和提高温度均匀性方面优势明显。此外，根据相关研究，浸没式冷却在阻止动力电池热失控发生和蔓延方面也具有一定作用。


按照工作过程中冷却工质是否相变，浸没式冷却可以分为单相冷却与两相冷却两种。单相冷却通过显热换热方式来降低温度，要求工质工作沸点较高(多>110 ℃)，比热容大，因而绝缘油类(如硅油、白油、变压器油等)成为研究热点；两相冷却方式冷却工质沸点较低(大多数<60 ℃)，当温度达到工质沸点时，液体工质相变转化为气体，通过液-气转化增强对流传热，提高了热管理换热效率。目前关于电池浸没式冷却的研究，主要集中在单相液体冷却领域。相比气液相变冷却，单相液体冷却的适用范围更广，实验条件相对简单。气液相变冷却涉及到气体产生与压力变化，在移动平台(汽车、船舶、飞行器等)上使用的安全问题还需进一步研究论证。
浸没式冷却的几个研究重点
1. 冷却液的研究和选择
对浸没式冷却，冷却液是其中至关重要的一环，其综合理化性质在很大程度上决定了热管理系统的运行性能。当前浸没式热管理系统所使用的冷却液主要分为5类：电子氟化液、碳氢化合物、酯类、硅油类、水基类，生产厂家包括国外美国3M、荷兰壳牌、英国M&I Materials以及国内辉凯鼎瑞等。



冷却液的选择应从以下角度考虑：①冷却液应不导电，即低介电常数。由于电池和其它连接件直接浸泡在冷却液中，需保证不能发生短路风险。②冷却液应具有优良的导热性能，即高比热容和高导热系数。冷却液的一个重要功能是充当热量转换的载体，良好的导热性能有助于热量的高效传递，避免热量堆积并达成均温效果。③冷却液应具有宽使用温域，在使用温度范围内不发生凝固或者燃烧现象，即低凝固点、不易燃或高闪点。动力电池使用工况复杂，需保证冷却液在低温/高温下的正常使用和安全性。④冷却液对锂电池系统的材料兼容性友好，即与直接接触的材料无腐蚀作用。不应对动力电池的使用寿命造成影响。⑤冷却液大规模使用的前提是应具有环保性。
此外，针对具体使用场景，低黏度、低密度、无毒无害、长寿命、经济性、合适的工作温度范围等都是需要考察的因素。
2.结构与流道的创新
冷却结构与流道的设计会直接影响到浸没式冷却的效果，下面以单相浸没式冷却为例，介绍研究者提出的部分结构。

多层结构和交叉流动配置的流道：

将原本单一的流道分隔成多个流道，可进一步降低最大温差。



歧管浸没式冷却结构：

该结构可分为两部分：上下两端的歧管和中间电池冷却部分。歧管分配流体流动，分为若干并列平行的流道。其中入口和出口歧管通道分别显示为蓝色和红色，由黑色的实心壁隔开。入口和出口狭缝喷嘴位于入口和出口歧管通道的底部，冷却剂可以通过这些喷嘴流入或流出由电池形成的电池间隙通道。

在冷却过程中，入口歧管的冷却剂沿入口缝隙喷嘴向下流动，扫过电池侧壁面，然后撞击隔板，分成两股壁射流，如下右图蓝色线条所示。来自相邻的入口歧管下的狭缝喷嘴的两股射流碰撞在一起，然后改变方向向上流动，通过出口狭缝喷嘴进入出口歧管通道，如下右图红色线条所示。


结语浸没式冷却在储能领域及数据中心冷却存在一定应用，但针对车载动力电池，浸没式冷却的研究还处于非常早期的阶段，主要靠各冷却液厂商推动，暂未有成熟的产品问市。在小编看来，浸没式冷却若想应用于动力电池领域仍有很多难题需要解决。一是动力电池箱体的密封性要求，确保冷却液在使用过程中不发生泄露；二是动力电池系统连接可靠性的设计，冷却液在车辆行驶过程中会不可避免的造成动态冲击，如何确保高低压线束的连接可靠是一个值得考虑的问题；三是冷却液带来的电池包重量增加的考量，质量能量密度是电池包设计的一个重要指标，灌装于箱体内部的冷却液是否会对该参数造成影响仍不得而知。本期关于浸没式冷却的相关介绍就到这里了，后续也会针对更多动力电池领域的其它前沿技术进行介绍，欢迎感兴趣的小伙伴持续关注~
这里是“电动札记”，我们下次再见！