锂电池液冷系统性能评价与对比

【研究背景】

锂离子电池较高的温度敏感性对其输出特性以及寿命衰退有很大的影响。过高的温度会加速电池老化并诱发热失控，从而导致安全事故；而较低的温度则会降低电池容量，易引发析锂现象。基于液冷的电池热管理系统由于其高传热效率和良好的热稳定性而受到广泛的分析和评述。由于热管理系统设计应考虑多维特性，因此对各种类型的液冷系统制定统一的多样化的评估标准至关重要。此外，多目标优化设计对于充分利用系统的整体性能是必要的。然而，多目标优化过程和统一的评价体系尚未得到很好的提炼和总结。          

【工作介绍】

近日，西安交通大学梅雪松、徐俊课题组针对基于液冷的电池热管理系统进行总结以及综合评价。论文对目前广泛使用的液冷系统的研究现状进行了介绍，并根据换热特性进行归类；此外，对系统的多目标优化流程进行了归纳和分析。构建了统一性评价方案对不同液冷系统进行了综合评估，对高性能液冷系统今后的发展以及评估体系进行了展望。相关研究成果以“A systematic review and comparison of liquid-based cooling system for lithium-ion batteries “为题发表于国际知名TOP期刊《eTranportation》（IF=13.661）。该论文的第一作者和通讯作者为徐俊教授，博士生郭喆晨为共同第一作者，合著作者还有硕士生徐梓铭，梅雪松教授以及美国密歇根大学德尔本分校Xuan Zhou教授。论文工作得到了国家自然科学基金（52075420）和国家重点研发计划重点专项（2020YFB1708400）的支持。          

【内容表述】

1. 基于液冷的电池热管理系统分析



图1 基于液冷的电池热管理系统分类          

如图1所示，根据冷却液与电池的接触方式，基于液冷的电池热管理系统通常可分为三种类型，即直接接触型、间接接触型和复合型。直接接触型具有更高的冷却效率、更好的温度一致性和更高的紧凑性。然而，要确保电池组的密封性是非常困难的。论文总结了不同冷却液的换热效果。

此外，冷却液和相变相结合作为其中的主要趋势，利用相变时大量的潜热来增强传热，包括蒸发换热、池沸腾和流动沸腾等。间接接触型液冷系统是目前使用最为广泛的、商业应用最成熟的方案，具有良好的密封能力、耐腐蚀性以及易操作性。液冷板和离散管道是其中两种典型方案，对于液冷板，电池组的热特性和冷却通道的设计关联性较大，在离散管道中，换热能力主要取决于管道的尺寸和布置方案。

为进一步提升换热特性，很多研究将液冷系统和其他冷却方案相结合，包括相变材料、热管以及热泵空调等集成系统，论文对其进行了分析和阐述。          

2. 液冷系统的优化分析

为进一步提升系统的综合特性，很多研究对基于液冷的热管理系统在结构布置、系统参数进行优化，如图2所示。论文对不同优化方案进行分析，并对多目标优化的流程进行总结和归纳，包括变量和目标设计、试验空间的设计、代理模型的选取、多目标优化方法的分析，为热管理系统的优化设计提供了参考。



图2 基于液冷系统的多目标优化方法框架          

3. 液冷系统统一评价体系的构建

由于不同液冷系统都有其独特的优势，且针对不同的电池系统，无法直观地进行评估。论文尝试利用一种电池，对不同类型的液冷电池热管理系统结构进行重构，并设置相同的条件进行仿真分析，进而构建统一的评价体系。电池组的最高温度、最大温差、能耗、成组效率以及成本作为多维度评价指标，利用层次分析法进行评估。



图3 不同类型液冷系统统一重构分析          

图4展示了不同类型液冷系统评价结果。在换热特性方面，直接接触式液冷系统表现更好，其次是离散管型，之后是冷却板型，但在成本以及可操作性方面则表现相反。每种类型都有独特的优势，在评估结果中的没有一个方案在所有特性均表现优异。因此，在实际设计分析中有必要考虑应用场景、可操作性等因素对不同方案进行选择。



图4 不同类型液冷系统评价结果          

4. 未来液冷电池热管理系统的展望

由于液冷电池热管理系统的复杂性，在未来的系统设计和综合 方面面临着一些问题和挑战。目前研究无法完全考虑系统在各特性方面的平衡。此外，各项指标也存在很大差异。此外，优化过程还不够深入。热性能与电池的特性没有紧密结合，例如老化问题。广泛引入先进技术，以提高效率并解决多因素互连问题。

本文旨在建立一个多维度、统一的评价体系，为新型热管理系统的开发提供有价值的参考，综合设计架构如图5所示。在以下几方面需要进一步研究。首先，多元化评价体系应进一步完善，多样化、统一的评价标准可以有效地帮助研究人员设计一个新的体系。

在生产和运营过程中应该考虑更多的维度。由于热结构和机械结构相互影响，结构强度在确保实际工作条件下的安全方面起着至关重要的作用。此外，快速加热性能在低温下尤为重要，在系统设计中应考虑这一点。此外，由于热管理系统的最终目的是保持电池的最佳状态，因此应根据温衰退寿命设计合适的温度区间。另一方面，使用更加有效的优化方法突破目前的局限性。模型的准确性对优化效果有很大影响。

然而，这与计算效率相冲突。因此，以低计算量进行大规模电池组的高精度温度预测值得进一步研究。同时，基于优化的结构和参数，可以考虑最佳的材料组成。在此基础上，可以逐渐与座舱或车辆热管理进行集成。人工智能和数字孪生技术的深度集成具有很好的前景，将用于开发全方位的新技术以改善系统管理，如发现新的冷却介质、结构优化设计和智能控制，集成模型、数据驱动、实时交互等，加速构建更智能、更高效的热管理系统。



图5 液冷电池热管理系统综合设计架构          

【结论】

基于液冷的电池热管理系统作为目前使用最广泛采用的方案，对于保持电池系统安全和特性至关重要。作为一个典型的复杂系统，需要充分关注其各种特性，包括热性能、模块效率、能耗和成本等。如何综合考虑这些目标，实现系统设计的协调优化成为一个重大挑战。

本文对所涵盖的各种基于液冷方法进行了分析和总结，并对多目标优化方法进行总结分析。尝试建立了统一的评价标准以更全面的视角对不同类型进行评估。对各种改进计划和新技术进行了展望，对未来基于液冷的电池热管理的综合设计提供参考。        





审核编辑：刘清