鋰電池液冷系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)與對(duì)比

【研究背景】

鋰離子電池較高的溫度敏感性對(duì)其輸出特性以及壽命衰退有很大的影響。過高的溫度會(huì)加速電池老化并誘發(fā)熱失控，從而導(dǎo)致安全事故；而較低的溫度則會(huì)降低電池容量，易引發(fā)析鋰現(xiàn)象。基于液冷的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)由于其高傳熱效率和良好的熱穩(wěn)定性而受到廣泛的分析和評(píng)述。由于熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮多維特性，因此對(duì)各種類型的液冷系統(tǒng)制定統(tǒng)一的多樣化的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)至關(guān)重要。此外，多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)于充分利用系統(tǒng)的整體性能是必要的。然而，多目標(biāo)優(yōu)化過程和統(tǒng)一的評(píng)價(jià)體系尚未得到很好的提煉和總結(jié)。

【工作介紹】

近日，西安交通大學(xué)梅雪松、徐俊課題組針對(duì)基于液冷的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)進(jìn)行總結(jié)以及綜合評(píng)價(jià)。論文對(duì)目前廣泛使用的液冷系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹，并根據(jù)換熱特性進(jìn)行歸類；此外，對(duì)系統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化流程進(jìn)行了歸納和分析。構(gòu)建了統(tǒng)一性評(píng)價(jià)方案對(duì)不同液冷系統(tǒng)進(jìn)行了綜合評(píng)估，對(duì)高性能液冷系統(tǒng)今后的發(fā)展以及評(píng)估體系進(jìn)行了展望。相關(guān)研究成果以“A systematic review and comparison of liquid-based cooling system for lithium-ion batteries “為題發(fā)表于國(guó)際知名TOP期刊《eTranportation》（IF=13.661）。該論文的第一作者和通訊作者為徐俊教授，博士生郭喆晨為共同第一作者，合著作者還有碩士生徐梓銘，梅雪松教授以及美國(guó)密歇根大學(xué)德爾本分校Xuan Zhou教授。論文工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（52075420）和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)專項(xiàng)（2020YFB1708400）的支持。

【內(nèi)容表述】

1. 基于液冷的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)分析



圖1 基于液冷的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)分類

如圖1所示，根據(jù)冷卻液與電池的接觸方式，基于液冷的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)通常可分為三種類型，即直接接觸型、間接接觸型和復(fù)合型。直接接觸型具有更高的冷卻效率、更好的溫度一致性和更高的緊湊性。然而，要確保電池組的密封性是非常困難的。論文總結(jié)了不同冷卻液的換熱效果。

此外，冷卻液和相變相結(jié)合作為其中的主要趨勢(shì)，利用相變時(shí)大量的潛熱來增強(qiáng)傳熱，包括蒸發(fā)換熱、池沸騰和流動(dòng)沸騰等。間接接觸型液冷系統(tǒng)是目前使用最為廣泛的、商業(yè)應(yīng)用最成熟的方案，具有良好的密封能力、耐腐蝕性以及易操作性。液冷板和離散管道是其中兩種典型方案，對(duì)于液冷板，電池組的熱特性和冷卻通道的設(shè)計(jì)關(guān)聯(lián)性較大，在離散管道中，換熱能力主要取決于管道的尺寸和布置方案。

為進(jìn)一步提升換熱特性，很多研究將液冷系統(tǒng)和其他冷卻方案相結(jié)合，包括相變材料、熱管以及熱泵空調(diào)等集成系統(tǒng)，論文對(duì)其進(jìn)行了分析和闡述。

2. 液冷系統(tǒng)的優(yōu)化分析

為進(jìn)一步提升系統(tǒng)的綜合特性，很多研究對(duì)基于液冷的熱管理系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)布置、系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，如圖2所示。論文對(duì)不同優(yōu)化方案進(jìn)行分析，并對(duì)多目標(biāo)優(yōu)化的流程進(jìn)行總結(jié)和歸納，包括變量和目標(biāo)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)空間的設(shè)計(jì)、代理模型的選取、多目標(biāo)優(yōu)化方法的分析，為熱管理系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考。



圖2 基于液冷系統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化方法框架

3. 液冷系統(tǒng)統(tǒng)一評(píng)價(jià)體系的構(gòu)建

由于不同液冷系統(tǒng)都有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，且針對(duì)不同的電池系統(tǒng)，無法直觀地進(jìn)行評(píng)估。論文嘗試?yán)靡环N電池，對(duì)不同類型的液冷電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行重構(gòu)，并設(shè)置相同的條件進(jìn)行仿真分析，進(jìn)而構(gòu)建統(tǒng)一的評(píng)價(jià)體系。電池組的最高溫度、最大溫差、能耗、成組效率以及成本作為多維度評(píng)價(jià)指標(biāo)，利用層次分析法進(jìn)行評(píng)估。



圖3 不同類型液冷系統(tǒng)統(tǒng)一重構(gòu)分析

圖4展示了不同類型液冷系統(tǒng)評(píng)價(jià)結(jié)果。在換熱特性方面，直接接觸式液冷系統(tǒng)表現(xiàn)更好，其次是離散管型，之后是冷卻板型，但在成本以及可操作性方面則表現(xiàn)相反。每種類型都有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，在評(píng)估結(jié)果中的沒有一個(gè)方案在所有特性均表現(xiàn)優(yōu)異。因此，在實(shí)際設(shè)計(jì)分析中有必要考慮應(yīng)用場(chǎng)景、可操作性等因素對(duì)不同方案進(jìn)行選擇。



圖4 不同類型液冷系統(tǒng)評(píng)價(jià)結(jié)果

4. 未來液冷電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的展望

由于液冷電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的復(fù)雜性，在未來的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和綜合 方面面臨著一些問題和挑戰(zhàn)。目前研究無法完全考慮系統(tǒng)在各特性方面的平衡。此外，各項(xiàng)指標(biāo)也存在很大差異。此外，優(yōu)化過程還不夠深入。熱性能與電池的特性沒有緊密結(jié)合，例如老化問題。廣泛引入先進(jìn)技術(shù)，以提高效率并解決多因素互連問題。

本文旨在建立一個(gè)多維度、統(tǒng)一的評(píng)價(jià)體系，為新型熱管理系統(tǒng)的開發(fā)提供有價(jià)值的參考，綜合設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖5所示。在以下幾方面需要進(jìn)一步研究。首先，多元化評(píng)價(jià)體系應(yīng)進(jìn)一步完善，多樣化、統(tǒng)一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)可以有效地幫助研究人員設(shè)計(jì)一個(gè)新的體系。

在生產(chǎn)和運(yùn)營(yíng)過程中應(yīng)該考慮更多的維度。由于熱結(jié)構(gòu)和機(jī)械結(jié)構(gòu)相互影響，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度在確保實(shí)際工作條件下的安全方面起著至關(guān)重要的作用。此外，快速加熱性能在低溫下尤為重要，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮這一點(diǎn)。此外，由于熱管理系統(tǒng)的最終目的是保持電池的最佳狀態(tài)，因此應(yīng)根據(jù)溫衰退壽命設(shè)計(jì)合適的溫度區(qū)間。另一方面，使用更加有效的優(yōu)化方法突破目前的局限性。模型的準(zhǔn)確性對(duì)優(yōu)化效果有很大影響。

然而，這與計(jì)算效率相沖突。因此，以低計(jì)算量進(jìn)行大規(guī)模電池組的高精度溫度預(yù)測(cè)值得進(jìn)一步研究。同時(shí)，基于優(yōu)化的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，可以考慮最佳的材料組成。在此基礎(chǔ)上，可以逐漸與座艙或車輛熱管理進(jìn)行集成。人工智能和數(shù)字孿生技術(shù)的深度集成具有很好的前景，將用于開發(fā)全方位的新技術(shù)以改善系統(tǒng)管理，如發(fā)現(xiàn)新的冷卻介質(zhì)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和智能控制，集成模型、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、實(shí)時(shí)交互等，加速構(gòu)建更智能、更高效的熱管理系統(tǒng)。



圖5 液冷電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)綜合設(shè)計(jì)架構(gòu)

【結(jié)論】

基于液冷的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)作為目前使用最廣泛采用的方案，對(duì)于保持電池系統(tǒng)安全和特性至關(guān)重要。作為一個(gè)典型的復(fù)雜系統(tǒng)，需要充分關(guān)注其各種特性，包括熱性能、模塊效率、能耗和成本等。如何綜合考慮這些目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的協(xié)調(diào)優(yōu)化成為一個(gè)重大挑戰(zhàn)。

本文對(duì)所涵蓋的各種基于液冷方法進(jìn)行了分析和總結(jié)，并對(duì)多目標(biāo)優(yōu)化方法進(jìn)行總結(jié)分析。嘗試建立了統(tǒng)一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)以更全面的視角對(duì)不同類型進(jìn)行評(píng)估。對(duì)各種改進(jìn)計(jì)劃和新技術(shù)進(jìn)行了展望，對(duì)未來基于液冷的電池?zé)峁芾淼木C合設(shè)計(jì)提供參考。





審核編輯：劉清