動力電池集成技術(shù)方案及電池?zé)峁芾砝鋮s技術(shù)｜晟鵬耐高溫阻燃導(dǎo)熱絕緣材料

那么，廣汽埃安是如何實現(xiàn)三元鋰電池針刺不起火的呢？

據(jù)悉，彈匣電池技術(shù)基于“防止電芯內(nèi)短路，短路后防止熱失控，以及熱失控后防止熱蔓延”的設(shè)計思路，主要包括四大核心技術(shù)：1）超高耐熱穩(wěn)定的電芯正極材料采用納米級包覆及摻雜技術(shù)，實現(xiàn)材料本征改性和表面修飾結(jié)合，有效提升材料熱穩(wěn)定性和防止熱失控；電解液采用能對SEI膜進行自修復(fù)的新型添加劑，改善電芯循環(huán)壽命；通過添加特殊電解液添加劑，當(dāng)電池溫度升高到120℃時，自發(fā)聚合形成高阻抗薄膜，大幅降低熱失控反應(yīng)產(chǎn)熱，使電芯耐熱溫度提升了30%。

2）超強隔熱電池安全艙
通過網(wǎng)狀納米孔隔熱材料和可耐1400℃高溫的上殼體，彈匣電池構(gòu)筑了超強隔熱的安全艙，當(dāng)單個電芯發(fā)生熱失控時，確保熱量不會蔓延至相鄰電芯，引起連環(huán)失控。

3）極速降溫三維速冷系統(tǒng)

通過全貼合液冷系統(tǒng)、高速散熱通道、高精準(zhǔn)的導(dǎo)熱路徑設(shè)計構(gòu)建三維速冷系統(tǒng)，彈匣電池實現(xiàn)了散熱面積提升40%，散熱效率提升30%，有效防止熱失控和熱蔓延。

4）全時管控第五代電池管理系統(tǒng)
采用車規(guī)級最新一代電池管理系統(tǒng)芯片，實現(xiàn)10次/s全天候數(shù)據(jù)采集，對電池系統(tǒng)狀態(tài)進行實時監(jiān)控。當(dāng)檢測發(fā)現(xiàn)溫度超高時，可立即啟動電池速冷系統(tǒng)為電池降溫。
彈匣電池四大核心技術(shù)

基于四大核心技術(shù)加持的彈匣電池，按照《GB 38031-2020 動力汽車用動力蓄電池安全要求》，采用強制性標(biāo)準(zhǔn)中最嚴(yán)苛的參數(shù)進行測試，可以實現(xiàn)針刺不起火（國標(biāo)要求5min內(nèi)不起火，預(yù)留逃生時間），針刺點附近最高溫度686.7℃，電池之間未發(fā)生熱擴散，靜置48h后，針刺電芯電壓降為0V，溫度恢復(fù)室溫，整包外觀保持了較好的完整性。彈匣電池通過安全技術(shù)升級，實現(xiàn)了三元鋰電池整包不起火，對三元鋰電池在新能源汽車中的應(yīng)用具有重要的推動作用，在系統(tǒng)層面較好的解決了三元鋰電池的安全問題。

5、東風(fēng)“三不”電池

2021年3月17日，東風(fēng)汽車旗下高端電動車品牌嵐圖汽車舉辦了“三元鋰電池安全技術(shù)分享會”，首次展示了嵐圖FREE（純電版）的電池包、車體結(jié)構(gòu)、電氣系統(tǒng)的安全技術(shù)，并對電池包的安全技術(shù)進行了全方位的解讀。三元鋰電池包具有能量密度高、低溫性能好、倍率性能好等特點，但相應(yīng)的熱穩(wěn)定性更差，需要進行更好的安全防護和熱管理，既要滿足高能量，又要滿足高安全，對電池技術(shù)帶來極大挑戰(zhàn)。

而嵐圖FREE采用三元鋰電池作為動力系統(tǒng)，卻可以做到整包“不冒煙、不起火、不爆炸”，被媒體稱為“三不”電池。此前廣汽埃安的彈匣電池已經(jīng)實現(xiàn)了三元鋰電池整包在熱失控狀態(tài)下“不起火、不爆炸”，但嵐圖FREE又在彈匣電池的基礎(chǔ)上做到了“不冒煙”，似乎意味著三元鋰電池的系統(tǒng)安全技術(shù)又上升了一個新臺階。

據(jù)悉，嵐圖汽車采用了三大安全技術(shù)：單體電芯三維隔熱墻設(shè)計、電池安全監(jiān)測和預(yù)警模型、電池PACK設(shè)計。

1）單體電芯三維隔熱墻設(shè)計隔熱墻技術(shù)是嵐圖汽車三元鋰電池?zé)崾Э亍安幻盁煛钡氖讋?chuàng)核心技術(shù)，其原理是在電池包內(nèi)，使用超強高分子隔熱阻燃材料，將每個電芯分離，在電芯與電芯之間形成高效的阻熱阻燃隔熱層，并且單獨三維立體包裹，如同“琥珀”一樣。當(dāng)某個單體電芯發(fā)生熱失控時，三維隔熱墻的存在可以避免熱蔓延到周圍其他電芯，進而防止出現(xiàn)連環(huán)熱失控，同時，每一個電芯底部都與高效液冷系統(tǒng)接觸，保證電池包具有穩(wěn)定的散熱能力，而在電芯頂部，還額外布置了可耐1000℃高溫的隔熱阻燃層，保護車內(nèi)人員安全。

2）電池安全監(jiān)測和預(yù)警模型

嵐圖在對電池包原有溫度電壓預(yù)警基礎(chǔ)上，搭建了精確的電池安全監(jiān)測和預(yù)警大數(shù)據(jù)模型，追蹤每一臺車、每一塊電池的使用數(shù)據(jù)，并將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)與云端大數(shù)據(jù)庫實時對比，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)電池監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時，嵐圖會通過云端APP推送及車輛的預(yù)警系統(tǒng)，提醒用戶。

3）電池PACK設(shè)計在被動安全上，嵐圖對電池結(jié)構(gòu)進行了五大設(shè)計：車身防護、高強框架、壓力傳遞、形變吸能、電池雙保險。
a）車身防護：在車門門檻位置，采用雙層結(jié)構(gòu)的1500MPa超高強度熱成型鋼，前后車身內(nèi)部，采用行業(yè)最高等級的2000Mpa熱成型鋼，防止車輛發(fā)生膨脹或側(cè)翻時擠壓電池，從而保證電池的完整性。b）高強框架：通過高強度鋁合金框架、多條加強筋強化其耐撞性，根據(jù)測試結(jié)果，高強框架可以抵御20噸力的擠壓。c）壓力傳遞：在電池包內(nèi)部設(shè)計多條縱橫加強梁，使得電池包受到外力時層層分解，從而保護內(nèi)部電芯。d）形變吸能：嵐圖對電池包預(yù)設(shè)了超過30mm的形變吸能空間，在電池包受撞擊變形時，保護內(nèi)部電芯。e）電池雙保險：電芯雙極均設(shè)置有防爆閥，當(dāng)電池內(nèi)部壓力增大時，防爆閥被沖開，避免電池發(fā)生爆炸。

6、長城汽車的大禹電池

2021年6月29日，長城汽車咖啡智能2.0升級發(fā)布會在保定哈弗技術(shù)中心舉行，會上正式發(fā)布了“大禹電池”，自稱“永不起火、永不爆炸”。據(jù)介紹，大禹電池的命名主要是因為其安全保障的原理采用了大禹治水的“變堵為疏”理念，采用多梯次換流系統(tǒng)、快速極冷抑制系統(tǒng)、多級定向排爆系統(tǒng)、滅火盒系統(tǒng)來從PACK層級保障電池安全。

大禹電池采用高鎳811三元材料，熱失控引發(fā)方式為加熱，實驗中最高溫度超過1000℃，但全程無起火爆炸，并且大禹電池排除的煙氣溫度低于100℃。大禹電池“變堵為疏”的理念包含了哪些技術(shù)元素呢？據(jù)了解，大禹電池主要從熱源隔斷、雙向換流、熱流分配、定向排爆、高溫絕緣、自動滅火、正壓阻氧、智能冷卻八個方面提升三元鋰電池整包安全性能。

1）熱源隔斷大禹電池之間采用隔熱性能良好、又耐火焰沖擊的全新開發(fā)的雙層復(fù)合材料取代傳統(tǒng)氣凝膠隔熱材料隔絕熱源，防止高溫傳導(dǎo)到周圍電芯引起連環(huán)反應(yīng)。在模組上方還布置了可耐1000℃高溫的隔熱材料，保護駕乘人員的安全。

2）雙向換流

通過對換流通道設(shè)計方案模擬仿真，實現(xiàn)換流強度和比例的精準(zhǔn)優(yōu)化，引導(dǎo)氣流和火流進行雙向換流。

3）熱流分配

通過搭建燃燒模型、熱力學(xué)與流體力學(xué)擬合仿真、沖擊強度和壓力計算，實現(xiàn)氣火流在不同結(jié)構(gòu)通道內(nèi)的均勻分布，為雙向換流起到了很好的輔助作用。4）定向排爆大禹電池設(shè)計了防爆閥，當(dāng)電池內(nèi)壓增大時，防爆閥優(yōu)先打開，產(chǎn)生的火焰或氣流進入模組上方預(yù)設(shè)的流道，將其定向排出遠(yuǎn)離相鄰電芯。

5）高溫絕緣

在高壓線束銅排表面涂抹了一層耐高溫絕緣材料，防止出現(xiàn)高壓電弧造成額外傷害。

6）自動滅火高壓氣流和火流被引導(dǎo)到電池包尾部的蜂窩狀滅火盒中，由于蜂窩狀結(jié)構(gòu)的多孔性和多層隔熱屏阻隔了空氣的大空間流動，使之成為尺度十分有限的微小空間，空氣的自然對流換熱難以開展，有效地阻礙了對流換熱的進行，從而可實現(xiàn)火焰快速抑制和冷卻。7）正壓阻氧

在電池包尾部設(shè)計了多層不對稱蜂窩狀通道，保證電池包內(nèi)壓始終大于外界，避免吸入氧氣導(dǎo)致火勢變大。8）智能冷卻當(dāng)BMS或智能云端監(jiān)測到電芯熱失控時，智能調(diào)節(jié)冷卻系統(tǒng)的流速和流量，從而給電芯降溫，將事故扼殺在搖籃中。根據(jù)長城汽車的規(guī)劃，“大禹電池”將率先搭載在沙龍品牌的第一款車型上。從2022年開始這一電池技術(shù)將全面覆蓋長城旗下的所有車型。

7、MTC

2022年4月25日，零跑汽車開展以“智能時代，源力覺醒”為主題的智能動力CTC技術(shù)線上發(fā)布會，首次公開了其最新研發(fā)的CTC技術(shù)（零跑官宣CTC，嚴(yán)格講應(yīng)該是MTC，即Module To Chassis）。

圖 MTC技術(shù)路線

據(jù)悉，零跑汽車MTC底盤一體化技術(shù)可使零部件數(shù)量減少20%，結(jié)構(gòu)件成本降低15%，電池布置空間增加14.5%，車身垂直空間增加10mm，綜合工況續(xù)航增加10%，該技術(shù)將在零跑純電動汽車C01車型率先量產(chǎn)應(yīng)用，續(xù)航里程將達(dá)到700km。

如果將特斯拉CTC技術(shù)比作目前的電池一體化手機，那么零跑MTC就好比原來的電池分離式手機，當(dāng)電池發(fā)生故障時，只需要取下更換即可，非常方便。零跑汽車MTC技術(shù)保留了模組設(shè)計，將模組直接集成到汽車底盤。其最大的創(chuàng)新點在于，首次將電池托盤骨架結(jié)構(gòu)和車身梁結(jié)構(gòu)合二為一形成雙骨架環(huán)形梁式結(jié)構(gòu)，既能提高整體結(jié)構(gòu)效率，實現(xiàn)輕量化，又能通過車身縱、橫梁實現(xiàn)電池密封。

零跑汽車通過在乘員艙底部開設(shè)容納空間，將模組從下往上通過栓接、膠接等固定方式懸吊在乘員艙底部，再用電池托盤和車身地板密封，取消了傳統(tǒng)電池包的上蓋板。相比于特斯拉CTC技術(shù)，零跑汽車MTC似乎更是一個折中的技術(shù)，由于沒有取消模組結(jié)構(gòu)，因此集成效率、成本方面仍有提升空間，并且由于取消了傳統(tǒng)電池包的上蓋板，當(dāng)電池?zé)崾Э貢r對乘員艙威脅更大，但由于電池托盤容易拆解，當(dāng)需要維修時，不需要拆解車身地板和座椅，更加的方便和快捷，更是一種可行的量產(chǎn)化技術(shù)。

8、BYD的CTB

2022年5月20日，比亞迪隆重舉辦CTB技術(shù)暨海豹預(yù)售發(fā)布會，會上，比亞迪全球首發(fā)了CTB車身一體化技術(shù)及搭載CTB技術(shù)的e平臺3.0純電動車型—海豹。據(jù)介紹，海豹搭載CTB技術(shù)后，其動力電池系統(tǒng)利用率提升66%，系統(tǒng)能量密度提升10%，可以實現(xiàn)700km的續(xù)航里程，其動力電池仍然采用刀片電池，可以達(dá)到充電15min，行駛300km的快充能力。

實際上，比亞迪CTB技術(shù)與特斯拉CTC有點類似，都是將電池上蓋板與車身地板合二為一，即減少了一層地板。但特斯拉電池上蓋板結(jié)合了座椅支架和橫向加強結(jié)構(gòu)，而比亞迪橫向梁還保留在車身，用于提供更好的側(cè)向強度和扭轉(zhuǎn)剛度（似乎特斯拉集成技術(shù)更像CTB，而比亞迪集成技術(shù)更像CTC），因此，CTB的集成度略遜于CTC。CTB技術(shù)依然采用了刀片電池陣列式排布方式，本身具有極好的安全性能，并且電池包上蓋和電池托盤將刀片電池夾在中間，形成了類蜂窩結(jié)構(gòu)，根據(jù)比亞迪發(fā)布的測試視頻，電池艙可以承受50t重卡碾壓而裝回車身后仍可繼續(xù)使用，因此，比亞迪海豹號稱是“撞不斷的電動汽車”。CTB技術(shù)的優(yōu)勢是高安全、高強度、輕量化、低成本，其維修性比特斯拉CTC技術(shù)略好一些，但集成度方面相比CTC技術(shù)更保守。

9、上汽的魔方電池

2022年6月13日，上汽乘用車MG品牌首次發(fā)布了“魔方電池”，并亮相了搭載魔方電池的首款車型-MG MULAN。據(jù)介紹，魔方電池英文名是“ONE PACK”，采用了標(biāo)準(zhǔn)電池包，長度均為1690mm，寬度均為1300mm，高度可選110mm、125mm和137mm，由于長度和寬度固定，只需改變高度就能實現(xiàn)不同續(xù)航里程的需求，由于電池包長度和寬度相同，魔方電池還采用了統(tǒng)一的電芯固定位置、統(tǒng)一的快換冷卻接口和統(tǒng)一的高低壓接口，意味著魔方電池可以實現(xiàn)換電功能。

魔方電池最大的技術(shù)特點就是采用了躺式電芯的布置，而傳統(tǒng)的電池包都是立式布置或者側(cè)立布置，魔方電池為何要“躺平”呢？

1）整車布置效率更高電池的厚度更薄，躺平后的電池包厚度也更薄，可以釋放更多的車內(nèi)空間，超薄電池還可以降低整包質(zhì)心高度，能有效抑制車輛高速行駛時的側(cè)傾，車身更加穩(wěn)定。并且，電池躺平后，上下兩塊電池之間不再布置隔熱材料，而只需在左右電池中間設(shè)置隔熱材料，減少了材料數(shù)量和用量。

2）循環(huán)壽命更長魔方電池設(shè)置了一個自適應(yīng)束縛裝置，可以適應(yīng)電池使用過程和全壽命周期保持一致的約束力，而傳統(tǒng)的立式電池兩端具有強約束力，長期使用過程中會影響降低電芯約一半的循環(huán)壽命。

3）安全性能更好
魔方電池躺式布置，電池?zé)崾Э貒娚淇谠陔姵貍?cè)邊，不會向上噴射，在一定程度上降低了駕乘人員的傷害，并且相鄰電芯接觸面積小，降低了對周邊電芯的影響。在解決躺式電芯的熱失控和散熱方面，魔方電池采用了以下方案：

1）熱隔離擋板
躺式電芯熱失控時主要從側(cè)面噴射火焰，正對噴射口的其他電池可能被直接引燃，魔方電池在其間布置了熱隔離擋板，防止正對噴射口的電芯被引燃。

2）立式冷卻系統(tǒng)由于魔方電池躺平式電池結(jié)構(gòu)，為了保證每個電芯均勻散熱，采用了立式冷卻結(jié)構(gòu)解決方案，即將本該站立的電芯躺平，本該躺平的冷卻系統(tǒng)站立起來。

10、CALT的3.0麒麟電池

2022年6月23日，寧德時代正式發(fā)布第三代CTP電池包技術(shù)-麒麟電池，通過對電池包的結(jié)構(gòu)改進，將空間利用率從56%提高到72%，宣稱在相同的尺寸和化學(xué)體系設(shè)計下，其系統(tǒng)能量密度可達(dá)255Wh/kg，比特斯拉高出13%，整車?yán)m(xù)航里程可輕松突破1000km，采用全球首創(chuàng)大面冷卻技術(shù)，麒麟電池支持5min快速熱啟動及10min快速充電至80%SOC，實現(xiàn)了續(xù)航、快充、安全、壽命、效率以及低溫性能的全面提升，預(yù)計將于2023年量產(chǎn)上市，首次搭載于吉利汽車旗下高端電動汽車MPV—極氪009。寧德時代三代CTP技術(shù)迭代對比

麒麟電池的結(jié)構(gòu)從上到下依次為：上蓋、三合一彈性夾層、電池、托盤。創(chuàng)新重點之一是高度集成化的三合一彈性夾層，將結(jié)構(gòu)梁（縱橫梁）、隔熱墊和水冷板替換為彈性夾層，布置在每排電芯間，同時起到結(jié)構(gòu)支撐、冷卻散熱、電芯隔熱和膨脹緩沖四個功能。麒麟電池包爆炸圖

麒麟電池將本該放置在電芯底部的水冷板（彈性夾層）豎直放置于電芯之間，增加了4倍換熱面積、大幅提高了散熱性能，從而實現(xiàn)了電池的安全快充。據(jù)寧德時代報告，麒麟電池可以做到4C快充技術(shù)，實現(xiàn)5分鐘熱啟動、10分鐘快充至80%。 此外，麒麟電池采用電芯倒置，防爆閥朝下設(shè)計，當(dāng)電芯發(fā)生熱失控時，高溫氣流將向汽車底部噴射，進一步保護駕乘人員安全。

麒麟電池是寧德時代在現(xiàn)有的方形電池技術(shù)路線下，通過結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，進一步提升電池性能的重要方式。寧德時代采用了全球首創(chuàng)的電芯大面冷卻技術(shù)，取消了橫縱梁、水冷板與隔熱墊原本獨立的設(shè)計，集成為多功能彈性夾層，實現(xiàn)了水冷、隔熱、緩沖功能三合一，進而實現(xiàn)了系統(tǒng)集成度的較大提升。

電池?zé)峁芾硭拇罄鋮s技術(shù)

隨著科技的日新月異，鋰離子電池在我們?nèi)粘Ｉ钪械膽?yīng)用越來越廣泛，從智能手機到電動汽車，它們已經(jīng)滲透到我們的生活的方方面面。但正如我們享受電池帶來的便利時，其內(nèi)部的溫度管理也是一個至關(guān)重要的議題。電池的溫度不僅影響其性能和壽命，還關(guān)乎用戶的安全。因此，電池?zé)峁芾砑夹g(shù)變得尤為關(guān)鍵。本文將深入探討四種主要的電池?zé)峁芾砑夹g(shù)：空氣冷卻、液體冷卻、相變材料冷卻以及熱電冷卻。
電池?zé)峁芾淼娜N技術(shù)
在當(dāng)前的技術(shù)時代，鋰離子電池因其高能量密度和持久的使用壽命已逐漸成為手機、電動汽車和儲能電站的能源首選。舉個例子，如圖1的Tesla Roadster電動汽車，搭載了6831個18650型號的鋰離子電芯，代表了鋰離子電池在汽車領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用，同時也讓大眾開始關(guān)注電池的熱管理。

電池在使用時可能會有電量利用不均或不充分的情況，因此常裝備電池管理系統(tǒng)（BMS）來監(jiān)控和優(yōu)化電池的運行狀態(tài)。但隨著技術(shù)的不斷進步，電池的熱管理（尤其是溫度控制）逐漸受到重視。這是因為，電池溫度過高或過低都可能導(dǎo)致電池性能下降，甚至產(chǎn)生安全隱患。
為了保障電池的最佳性能與安全，一個高效的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)（BTMS）是不可或缺的。它可以保證電池溫度始終處于理想范圍，并確保各電池之間的溫度差異最小。
值得注意的是，鋰離子電池對溫度非常敏感。例如，溫度過低時，電池的性能會受到影響，特定類型的電池如磷酸鐵鋰電池，低溫下其導(dǎo)電性會大幅下降。而在高溫下，電池可能會遭受熱失控甚至引發(fā)爆炸等安全事故。
冷卻技術(shù)在熱管理中扮演了關(guān)鍵角色，它確保電池溫度不過高，從而保護電池并確保其安全運行。盡管我們已有一些電池冷卻方案，但仍需在散熱、溫度均衡和成本等方面進一步優(yōu)化。
為此，我們對當(dāng)前的幾種主流電池?zé)峁芾砑夹g(shù)進行了深入探討，包括空氣冷卻、液體冷卻、相變材料冷卻和熱電冷卻技術(shù)，分析了它們各自的優(yōu)缺點，并預(yù)測了未來可能的發(fā)展趨勢。
鋰離子電池?zé)峁芾砑夹g(shù)鋰離子電池在全球動力與消費電池市場中占據(jù)重要地位，因此其熱管理技術(shù)一直受到行業(yè)內(nèi)的高度關(guān)注。這些技術(shù)從簡單的空氣自然冷卻演進到復(fù)合式冷卻，每種技術(shù)都有其特點與挑戰(zhàn)。以下為您詳細(xì)介紹各種冷卻技術(shù)。
2.1空氣冷卻

空氣冷卻可以分為被動式的自然冷卻和主動式的強制冷卻。這兩種方式都是通過空氣流動來帶走電池產(chǎn)生的熱量，從而實現(xiàn)冷卻。其優(yōu)勢在于結(jié)構(gòu)簡單、成本低、環(huán)保無污染。
自然冷卻：這是一種被動冷卻技術(shù)，只需設(shè)計好散熱風(fēng)道即可。例如，早期的Nissan Leaf電動汽車就采用了這種冷卻方式。但這種方法很難滿足動力電池的高效冷卻需求，可能會影響電池的壽命。
強制空氣冷卻：相較于自然冷卻，這種技術(shù)通過增加風(fēng)扇等設(shè)備來加強空氣流動，提高冷卻效果。但這也意味著噪音和能耗的增加。另外，通過調(diào)整氣流通道的形狀，可以進一步提高冷卻效果。圖2 (a)采用自然空氣冷卻的鋰離子電動汽車Nissan Leaf[5,34]；(b)自然空氣冷卻示意圖[36]；(c)主動空氣冷卻示意圖[36]；(d), (e)主動風(fēng)冷儲能集裝箱示意圖

結(jié)合多項研究，與其他冷卻技術(shù)結(jié)合使用的空氣冷卻技術(shù)可以顯著提高電池的冷卻效果和均勻性。例如，使用與二氧化硅冷卻板結(jié)合的風(fēng)冷電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，電池溫差可以降低至1.84℃。另一項研究還發(fā)現(xiàn)，通過在風(fēng)冷系統(tǒng)中采用電池對齊排列，可以實現(xiàn)更好的冷卻效果。
在電動飛行設(shè)備中，空氣冷卻技術(shù)因其輕便、低能耗等特點仍是首選。例如，某些電動無人機和電動飛行汽車都采用了自然空氣冷卻技術(shù)。特別是對于注重重量的電動飛行設(shè)備，適當(dāng)設(shè)計的風(fēng)道還可以提高其散熱效果。

綜上所述，空氣冷卻技術(shù)因其簡便、經(jīng)濟和環(huán)保的特點在特定應(yīng)用中仍具有廣泛的潛力和價值。
2.2 液體冷卻技術(shù)

液體冷卻使用冷卻液對電池進行熱交換，能夠高效、迅速地散熱。這種技術(shù)分為直接液冷和間接液冷。在直接液冷中，冷卻液直接與電池接觸，例如沉浸式液冷。而間接液冷則通過特定部件，如冷卻板，來達(dá)到冷卻效果。
2.2.1 冷卻板液冷

與空氣冷卻相比，冷卻板液冷技術(shù)更為高效，且冷卻板多為鋁或鋁合金，成本相對較低。主要研究方向是優(yōu)化冷卻板的結(jié)構(gòu)和流體流動特點，以簡化制造過程并增強其效果。
近期研究主要集中在冷卻液通道的設(shè)計和冷卻液的流動方向。例如，有專家在蛇形流道的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種新型液冷板。這種新設(shè)計在特定條件下能大大提高冷卻效率。也有專家則設(shè)計了基于方形電池的蜂窩結(jié)構(gòu)冷卻板，該設(shè)計通過增加冷卻通道提高了散熱效果。這些研究均指出，合理的冷卻液通道設(shè)計和流動方向?qū)囟染鶆蛐允株P(guān)鍵。整體而言，冷卻板液冷技術(shù)已相當(dāng)成熟，廣泛應(yīng)用于多種電動設(shè)備。
應(yīng)用實例

冷卻板液冷技術(shù)已被廣泛使用在儲能電站和電動汽車等領(lǐng)域。某公司的冷卻板液冷產(chǎn)品及相關(guān)專利展示了其在實際應(yīng)用中的效果。特斯拉4680CTC電池包內(nèi)部的蛇形冷卻板也采用了這種技術(shù)，以增大接觸面積并提高冷卻效果。圖4 (a)鋰離子軟包電池的二次流蛇形通道冷卻板示意圖；(b)方形LiMn2O4電池的微型U型冷卻板示意圖；(c)方形 LiFePO4電池的蜂窩狀流道冷卻板示意圖

圖5 (a)冷卻板液冷電池艙；(b)冷卻板液冷電池包及內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡圖；(c)冷卻板液冷組合式儲能電池柜；(d)冷卻液循環(huán)管與電池板的安裝結(jié)構(gòu)示意圖圖6 (a), (b)特斯拉4680 CTC電池包及電芯間蛇形冷卻板示意圖；(c), (d)某公司麒麟電池包及冷卻板安裝示意圖；(e), (f)某公司刀片CTB電池包及冷卻板組件示意圖

總的來說，冷卻板液冷技術(shù)對于大多數(shù)應(yīng)用場景都是非常有效的。其主要材料如銅和鋁具有良好的熱傳導(dǎo)性能，成本適中，非常適合用于電動汽車或其他冷卻需求較高的設(shè)備。在實際應(yīng)用中，為確保高質(zhì)量的冷卻效果，需要根據(jù)電池類型和結(jié)構(gòu)來設(shè)計合適的冷卻通道并選擇適當(dāng)?shù)牟牧稀?br />2.2.2 浸沒式液冷

浸沒式液冷技術(shù)是將電池與其他發(fā)熱部件完全浸入冷卻液中。相較于傳統(tǒng)的風(fēng)冷，這種技術(shù)降低了噪音和能耗，同時也更好地控制了電池的溫度。盡管此技術(shù)的效果卓越，其主要缺點在于系統(tǒng)重量和體積相對較大，這使其在電動汽車中的應(yīng)用受到限制。但對于固定的儲能電站來說，此技術(shù)非常理想。
浸沒式液冷主要使用絕緣油和氟化液作為冷卻劑，盡管成本較高。不過，研究已證明，這種冷卻技術(shù)可以確保電池的平均溫升不超過5℃，同時各電池之間的溫差也僅為2℃。這有助于提高儲能電站的使用壽命和安全性。
圖7 (a)三元軟包鋰離子電池組油浸式液冷BTMS及結(jié)構(gòu)示意圖；(b)小型NCM811動力電池油浸式液冷BTMS原理圖及4種 絕緣油進出口方式示意圖；(c) 18650 LiCoO2電池的油浸式液冷實驗示意圖和電池在不同冷卻條件下的溫度曲線
最新的研究指出，浸沒式液冷可以大大提高冷卻效率。例如，實驗表明，增加浸沒深度可提高冷卻效果，電池的最高溫度和溫差分別降低了32.4%和75.3%。此外，選擇合適的冷卻液流動方式和速度也是關(guān)鍵，正確的選擇能使電池的溫度和溫差得到更好的控制。
雖然浸沒式液冷技術(shù)在儲能電站中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，但其在電動汽車中的使用仍受到了成本和體積的限制。然而，對于某些高端車型或有特殊冷卻需求的車型，此技術(shù)仍有可能被采用。

結(jié)論：浸沒式液冷技術(shù)在電池冷卻方面有很大的潛力，特別是對于儲能電站這樣的大型設(shè)備。但在電動汽車中的廣泛應(yīng)用仍需解決一些問題，如成本、體積和設(shè)計的挑戰(zhàn)。

2.3 相變材料冷卻技術(shù)

基于相變材料（PCM）的電池?zé)峁芾砑夹g(shù)是一種創(chuàng)新方法，它通過利用PCM的熱儲存與釋放特性來維持電池在最佳溫度。這種方法的優(yōu)點有多個：它不需要額外的能量、沒有運動的部分、維護成本低，而且它能夠很好地確保電池溫度均勻。

目前，熱管理中常用的PCM材料有：

有機材料，如石蠟、烷烴和有機酸。

無機材料，如水溶液、鹽類水合物和熔融鹽。

共晶材料。

但PCM本身的熱導(dǎo)率并不高，因此通常要加入其他材料如泡沫銅、膨脹石墨和納米顆粒，以提高其熱導(dǎo)性。這也能解決PCM的某些物理問題，例如相變后的流動性問題。

為了更直觀地理解這一點，我們可以參考最近的一些研究。例如，有專家制造了一種由月桂酸和石蠟與膨脹石墨結(jié)合的復(fù)合相變材料，此材料成功地將某電池的最高溫度降低到了42.39℃。還有其他研究也表明，結(jié)合其他冷卻方法，如空氣冷卻，可以進一步增強PCM的冷卻效果。

圖9 (a)采用復(fù)合相變材料冷卻的軟包鋰離子電池 ；(b)圓柱形LiFePO4電池的CPCM/空冷復(fù)合式散熱模型；(c) 26650鋰離子電池的CPCM/液冷復(fù)合式散熱模型
這種技術(shù)不僅僅局限于實驗室。事實上，某款電動飛機已經(jīng)采用了PCM散熱系統(tǒng)。盡管PCM具有輕便的優(yōu)點，但其較高的成本限制了它的廣泛應(yīng)用。

在實際應(yīng)用中，為了提高效果，PCM常與其他冷卻方法結(jié)合。例如，增加翅片可以提高散熱效率，而某些翅片結(jié)構(gòu)可以用作支撐，防止PCM流動。當(dāng)然，選擇PCM時還需要考慮其他因素，如其熔化溫度、安全性以及厚度等。

綜上所述，盡管PCM在電池?zé)峁芾碇酗@示出巨大潛力，但仍然需要進一步的研究和優(yōu)化，以確保它在實際應(yīng)用中的高效和安全。

2.4 熱電冷卻技術(shù)

熱電冷卻是一種先進的主動式冷卻技術(shù)，核心基于珀爾帖(Peltier)效應(yīng)。簡而言之，當(dāng)電流通過特定材料時，它會在一側(cè)吸收熱量并在另一側(cè)釋放，從而達(dá)到冷卻效果。這種技術(shù)的主要優(yōu)勢包括：無需制冷劑、低能耗、啟動迅速、穩(wěn)定性好、低噪音以及無需運動部件。但挑戰(zhàn)也很明顯，例如冷卻效率不高，且制造大型設(shè)備時會遇到困難。

研究者為了優(yōu)化這種技術(shù)在電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中的應(yīng)用，進行了大量實驗。例如，有專家設(shè)計了一種結(jié)合銅網(wǎng)的雙二氧化硅冷卻板與風(fēng)冷的系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)二氧化硅冷卻板的厚度與電池的溫度表現(xiàn)有關(guān)，確定1.5mm是最佳厚度。另一項研究結(jié)合了熱電冷卻與液體冷卻，實驗證明此結(jié)合方式可以有效提升冷卻效果。

然而，盡管有這些積極的研究進展，熱電冷卻技術(shù)目前主要適用于小型電子設(shè)備，因為其制冷效果有限，且大面積應(yīng)用存在技術(shù)難題。圖11 (a) NCM軟包電芯雙面半導(dǎo)體銅網(wǎng)復(fù)合散熱系統(tǒng)；(b) LiFePO4電芯底部TEC制冷與液冷板復(fù)合熱管理示意圖；(c)基于TEC的復(fù)合散熱結(jié)構(gòu)及TEC實物圖和示意圖

在商業(yè)化進程中，熱電冷卻技術(shù)（TEC）已經(jīng)在手機冷卻器中找到了應(yīng)用。這些冷卻器中的TEC與其他冷卻技術(shù)相結(jié)合，增強了冷卻效果

綜上所述，熱電冷卻技術(shù)與其他冷卻技術(shù)的結(jié)合是其商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵。例如，結(jié)合液體冷卻可以實現(xiàn)更快的制冷并提高溫度均勻性。此外，為了降低成本，TEC的制造工藝仍需進一步研究和優(yōu)化。
悶氣電池?zé)峁芾硐到y(tǒng) (BTMS) 的模型模擬電池?zé)崮Ｐ褪俏覀儍?yōu)化電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的關(guān)鍵助手。隨著計算機技術(shù)的進步，諸如COMSOL多物理場和ANSYS Fluent等高效的鋰電池仿真軟件已被研發(fā)出來。通過這些工具，我們能夠構(gòu)建準(zhǔn)確的電池?zé)崮Ｐ停A(yù)測電池在不同充放電環(huán)境下的溫度表現(xiàn)。簡言之，我們主要討論兩種模型：電-熱耦合模型和電化學(xué)-熱耦合模型。

電-熱耦合模型是結(jié)合電池的等效電路與熱的等效電路來評估電池在工作時的狀態(tài)和溫度的。

電化學(xué)-熱耦合模型則更為深入，它是基于電池內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)與傳熱特性構(gòu)建的。隨著技術(shù)的發(fā)展，這一模型已經(jīng)從基礎(chǔ)的一維擴展到了更復(fù)雜的三維模型。相比之下，這一模型提供了更精確的結(jié)果，特別是當(dāng)考慮到電池內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)時。例如，研究者利用這一模型研究了基于PCM的18650鋰電池冷卻系統(tǒng)的熱性能。

有專家利用電化學(xué)-熱耦合模型模擬了圓柱鋰電池在1C放電倍率下的熱行為。如圖13所示，電池在放電初期和后期的溫度快速上升，但在放電中期則相對穩(wěn)定。與此同時，電池中央部分的應(yīng)力明顯高于其外圍。

圖13基于電化學(xué)-熱耦合模型模擬得到的電池(a)溫度分布和(b)熱應(yīng)力分布
目前，由于三維電化學(xué)-熱耦合模型需要較高的計算能力，研究者正在探尋方法簡化它以降低計算成本。此外，電化學(xué)-熱耦合模型與其他模型的結(jié)合，如與機械模型，可為我們提供更多的信息，比如應(yīng)力是如何影響電池性能的。隨著技術(shù)的不斷進步，我們預(yù)期電池?zé)峁芾頃呄蛴谥悄芑图苫瑫r多物理模型與預(yù)測技術(shù)的結(jié)合也將成為未來研究的重點。

結(jié)論和展望鋰離子電池?zé)峁芾砑夹g(shù)在其廣泛應(yīng)用中起著至關(guān)重要的作用。未來，高效、環(huán)保、并且經(jīng)濟高效的解決方案將是技術(shù)發(fā)展的方向。借助目前的模擬軟件，我們有了堅實的基礎(chǔ)來進一步完善這些技術(shù)。針對本文中所討論的各種冷卻技術(shù)，我們得出以下結(jié)論和展望：

空氣冷卻：盡管空氣冷卻是一種經(jīng)典技術(shù)，但其在高功率鋰電池領(lǐng)域的應(yīng)用已遇到局限性。預(yù)計在未來的大型儲能電站和動力電池應(yīng)用中，更高效的液冷技術(shù)將逐漸取代空氣冷卻。然而，對于小型電子設(shè)備和簡易電動工具，空氣冷卻因其成本效益和簡單性仍有其應(yīng)用空間。

液體冷卻：液冷技術(shù)有兩種方式，直接和間接。冷卻板技術(shù)已相當(dāng)成熟并廣泛應(yīng)用于儲能電站和電動汽車。浸沒式液冷則展現(xiàn)出更出色的冷卻效果，但其維護更為復(fù)雜。預(yù)計浸沒式技術(shù)會被更多地應(yīng)用于大型儲能電站和高端電動汽車。

相變材料冷卻(PCM)：PCM具備出色的熱吸收和儲存能力，由于其固有的導(dǎo)熱限制，通常需要加入高成本的增強材料，這在某種程度上限制了其在大型電池應(yīng)用中的普及。

熱電冷卻：作為新興技術(shù)，熱電冷卻在某些小型設(shè)備，如手機中，已得到商業(yè)化應(yīng)用。但其冷卻效率相對較低，需要與其他技術(shù)結(jié)合使用。未來的發(fā)展重點應(yīng)是提高冷卻效率和降低成本。綜上所述，目前并沒有一種“一刀切”的冷卻解決方案?？雌饋恚磥淼闹饕厔菔墙Y(jié)合多種冷卻技術(shù)，以便根據(jù)具體應(yīng)用選擇最合適的冷卻方法，滿足各種需求。