储能系统中锂电池PACK冷却技术现状.docx
储能系统中锂电池PACK冷却技术现状电池散热系统是保证电池在高温环境和大倍率充放电情况下维持最佳工作温度的基础。针对电池运行过程中温度过高的情况，目前,主要有空气冷却、液冷、相变材料冷却以及热管冷却四大类冷却方式。1、空气冷却空气冷却又称风冷，主要是利用高速流动的空气带走电池产生的热量，由于结构简单、成本低以及易维护等优点被广泛应用在电池热管理系统中。根据有无额外能源消耗，风冷可以分为被动风冷和强制风冷。其中，被动风冷是由行驶的汽车产生的高流速的空气进行散热。在实际应用时，由于电池外设计有密封防护结构且空气导热系数低，被动风冷方式很难对其及时散热。通过对比动力电池组在被动风冷、主动风冷在不同充放电倍率下电池组温度特性，发现被动风冷散热效果不能满足电池的散热要求，而主动风冷可以将电池温度控制在合适的工作温度范围内。主动风冷主要是利用风扇等辅助装置来增强空气流速，进而提高散热效果。按照通风方式，主动风冷可以细分为串联式通风和并联式通风，如下图所示。串行通风将冷空气从电池组一侧送入，从另一侧送出。空气在流动中不断吸热，导致靠近出口处的冷却效果低于靠近入口处，电池组内温差大，一般不采用该种通风方式。并行通风则是将冷空气同时送入到电池模块中，电池间的空气流动相对均匀，温差也相对较小。串联式通风（左）与并联式通风（右）示意图主动式风冷技术比较成熟已进行商业化应用，但主动式风冷技术的散热效率仍然较低，只能满足电池在低充放倍率下的散热需求。止匕外，由于主动风冷系统还存在风机能耗大、噪音等问题。目前的风冷技术研究方向主要是对主动风冷的冷却效果和均温性能进行研究改善。2、相变材料冷却相变材料冷却是利用相变材料的相变潜热特性，即相变材料在相变过程中温度保持不变的同时吸收周围热量，如图所示。由于相变材料冷却使用时有着无需额外能耗、控温效果好等优点，近年来，一些学者开始将相变材料冷却应用于电池热管理中。石蜡因其相变时潜热大、体积变化小且无毒无害等优点被常用于相变冷却中。单一的石蜡材料存在着导热系数低的问题。因此，为了提高相变材料的导热系数,有学者采取了制备石蜡与石墨的复合相变材、对复合复合材料的成分比例进行最优选择以及添加泡沫金属材料等方式。虽然相变材料通过研究改善了低导热系数的问题，但由于石蜡存在泄露、饱和失效、高温失效等问题，相变材料冷却在电池热管理中的应用还停留在试验阶段。3、热管冷却热管冷却主要由蒸发段、绝热段以及冷凝段构成，利用冷却介质在蒸发段吸收电池热量蒸发，通过绝热段流向冷凝段再与外部换热实现散热效果。热管冷却同样无需能耗，且具有结构简单、导热率高、低成本和使用寿命长的优点而受到广泛关注。在电池热管理系统应用热管冷却的研究中，有学者通过改善和设计热管结构以此提高热管的冷却效果。考虑到电池与热管的接触接近线性接触，为了增大电池与热管的换热面积来提高冷却效率，一些学者对热管进行了扁平化设计。还有学者通过对基于热管的电池热管理系统参数化分析以获得最优冷却性能的结构参数的形式提高散热性能以及与风冷、液冷或相变材料冷却进行耦合获取更高的综合散热效果。热管可以对电池进行较好的散热，但由于采用体积占比大的热管冷却会降低热管理系统的空间利用率，并且热管冷却不能对电池进行预热等缺陷，热管冷却在汽车上的应用还未进行商业化。4、冷媒直冷冷媒直冷主要通过在汽车空调系统中增加一条回路，让制冷剂流经电池包内的冷却管道来带走电池产生的热量实现对电池的散热，如相比于传统液冷方式这种方式避免了二次换热带来的热交换损失，冷却效率更高，而且也让系统结构更加紧凑、冷却能力突出，因此得到了深入研究和广泛应用。虽然，冷媒直冷对电池的控温效果好,但在制冷剂进行冷却循环时存在着制冷剂蒸干导致换热系数下降的问题。此外冷媒直冷系统在给电池冷却时乘员舱的冷却会被中断，从而影响乘员舱内乘客的舒适性。对于以上问题，近几年一些学者通过优化冷媒制冷系统性能、建立合理的控制策略等方法进行改善。5、间接接触式液冷间接接触式液冷与直接接触式液冷都是常见的液冷方式，两种电池热管理系统外部配合结构并没有太多变化，两者间的差异主要体现在电池包的内部冷却结构上。与冷媒直冷技术不同的是，在间接式液体冷却技术中，冷却液在吸收电池热量后再通过换热器与空调系统进行耦合散热。间接接触式液冷方式由于含有复杂的冷却管道和散热器，在冷却时会产生多个热阻导致冷却效率较低。通过实验发现，间接接触式液冷存在冷板进出口温差大、冷板的进口温度过低会影响电池组均温性能。为了改善冷却效率和温度均匀性，目前，一些学者对间接接触式液冷系统进行了深入研究包括：间接接触式液冷散热效果的影响因素、冷板通道结构优化设计等。6、浸没式液冷冷却浸没式液冷技术原本用于数据服务器冷却，其冷却方式是让安全绝缘的冷却液与发热设备完全接触吸收热量，再通过泵循环让冷却液与换热器进行热交换以此实现对设备的控温。近年来，有学者将浸没式液冷应用到电池热管理中发现与其他冷却方式相比，浸没式冷却在电池冷却和均温两方面有着明显的优势。对不同的电池热管理技术的特点总结如下表：
