动力电池集成技术方案及电池热管理冷却技术｜晟鹏耐高温阻燃导热绝缘材料

 

电池包集成和管理技术

近年来，随着新能源汽车的快速蓬勃发展，动力电池技术和相关集成管理技术层出不穷、节节开花，如新材料技术（无钴材料等）、新工艺技术（刀片电池等）、新集成技术（CTP等）、新管理技术（弹匣电池等）汇聚了材料厂、电池厂和整车厂的最新研发应用成果。本文整理简单介绍10种电池包集成和管理技术，并公开分享。

 

最传统的电池包集成技术是CTM（Cell To Module），首先将若干电芯串并联组成模组，然后将模组装配到电池包内，最后将电池包集成到汽车底盘。

传统电池包集成方式在动力电池应用于新能源汽车的早期阶段，没有统一的标准，电池、模组、电池包尺寸五花八门，导致电芯开发成本极高，并且不方便更换和维护。到后来，人们发现了每辆车可以利用的空间位置具有一定的共性，根据这些空间尺寸，推算出模组的尺寸范围，从而希望实现电芯尺寸的标准化。
2008年，大众汽车全面进军电动化，在实现电动化过程中率先推出了标准化模组。第一个标准是355模组（355代表模组长度，每排可放置3个模组），为了提高续航里程，减少零部件和增加空间利用率，进一步降低成本，又推出了390模组（每排放置3个模组，模组更长更紧凑）和590模组（每排放置2个模组，集成效率更高），单个模组的体积在逐渐增大。标准模组尺寸和外形示意图
采用590模组的大众汽车ID.3电池包
在CTM结构下，电芯被模组等结构件保护较好，电池包强度高，成组难度小。但电芯组装为模组空间利用率为80%，模组集成为电池包空间利用率为50%，最终电芯集成为电池包后空间利用率仅40%，随着新能源汽车的快速普及以及锂离子电池性能的极致开发，在电池应用层面，电池包集成效率亟待提升，大模组化、去模组化、车身一体化技术成为主流趋势。

1、CATL的CTP

2019年9月，宁德时代全球首款CTP（Cell To Pack）电池包正式发布，将搭载于北汽EU5车型上。相比传统电池包，采用全新CTP技术的电池包体积利用率提高15%~20%，零部件数量减少40%，生产效率提升50%，系统成本降低10%。在能量密度上，CTP电池包可高达200Wh/kg，相比传统结构高30%以上，可以大幅提升电动汽车续航能力。宁德时代第一代CTP电池包
 

CTP技术包括两个思路：一是大模组化，二是无模组化，宁德时代本次发布的CTP属于大模组化技术，其核心逻辑是提高单体电芯的容量，同时将多个电芯堆叠组成更大的电池模组，从而大大减少模组数量，减少零部件数量，从而实现能量密度提升和成本降低的目标。CTP技术路线
 

CTP技术除了采用大电芯组成大模组外，通常还会对模组之间的连接结构进行优化，减少零部件和简化装配工艺过程。宁德时代“套筒式”模组连接方式
 

虽然CTP电池包具有适用性强、空间利用率高、成本低、散热性能好等优势，但由于木桶效应，电池包整体性能将取决于组成电池包最差电芯的性能，因此，CTP结构对电芯一致性提出了更高的要求，此外，如果出现电池故障需要更换，维修的便利性和成本都更高。

2、TESLA的CTC

2020年“电池日”上，特斯拉首次公布CTC（Cell To Chassis）技术，Elon Musk表示，CTC集成技术配合前后车身一体化压铸技术，可以减少约370个零部件，实现车身减重10%，每千瓦时电池成本降低7%。CTC技术路线
 

CTC技术省去了从电芯到模组，再到电池包的两个装配过程，直接将电池集成到车身底盘。CTC技术的本质是将电池包上壳体和车身下地板合二为一，座椅直接安装在电池包上盖上，电池包既是能量提供装置，又是整车结构部件。特斯拉Model Y车型CTC技术方案
为了解决电池包隔热问题，特斯拉在电池包内部灌满了胶，防止热量向车内传导，同时，由于汽车侧面是碰撞薄弱点，特斯拉在靠近车身门槛两侧灌胶更多，胶层更厚，当汽车发生侧面碰撞时可以对内部电池起到较好的缓冲保护作用。特斯拉Model Y灌胶示意图
 

CTC技术的优势是明显的，由于越过了“模组”和“电池包”两级装配过程，直接将电池集成到车身地板上，将大大节省空间，或者说在相同空间内可以容纳更多电池，从而提升了续航能力，同时，零部件和结构件也大大减少，降低了重量、简化了流程、节约了成本，灌胶方案对电池“化零为整”，大大提高了车身的刚度。但CTC结构的缺点也很突出，一方面对单体电池一致性提出了很高的要求，另一方面，由于电池整体集成在车身地板，且有胶水相互粘连，几乎不可能进行维修，维修成本极高。

3、国轩高科JTM

2021年1月8日，国轩高科在合肥召开第十届科技大会，会上发布了210Wh/kg磷酸铁锂软包电芯及JTM（Jelly Roll To Module）电池技术。据称，采用JTM集成技术可以将模组成组效率提高到90%以上，搭配其高比能磷酸铁锂电池，可以做到模组能量密度近200Wh/kg，系统能量密度180Wh/kg，超过了NCM622三元体系水平，可满足高端乘用车的续航需求。JTM技术路线
 

JTM与其他电芯集成技术最大的不同在于，其他集成技术都是基于电芯为最小单元，而JTM以卷芯为最小单元，在电芯内部并、串联集成，与刀片电池较为类似，但刀片电池内部为一个整体，而JTM可以想象成将刀片电池内部分成了几段，正因为其“柔中带刚”的特性，国轩高科内部又称JTM电池为“变形金刚式的柔性模组”。2022年6月17日，国轩高科JTM电池发明专利获得国家知识产权局授权。其描述的JTM电池制作流程大致是：1）将至少一个卷芯进行并联层叠，然后分别对正极耳群和负极耳群进行集中焊接；2）用胶纸将多个并联的卷芯固定，然后将极耳卡扣在导电组件的L型弯折部进行焊接固定；3）两侧的导电组件中间密封固定有绝缘袋，在卷芯整体装入铝壳之前，通过注液孔对并联卷芯进行注液；4）通过导电连接片将多个并联卷芯依次顺序串联，最后将其整体装配入铝壳中。极耳和导电组件连接示意图
 

JTM电池三维示意图
 

JTM电池将单卷芯在铝壳内部进行并、串联，减少了外部连接件的数量，能量密度更高，成本更低，且工艺简单，易形成标准化，而且各单卷芯能够相互独立，出现热失控时不会相互蔓延，进一步延迟了热失控的发生，提高了电池安全性能。

4、广汽埃安的弹匣电池

2021年3月10日，广汽埃安重磅发布全球首创第一代弹匣电池系统安全技术，由于采用了类似弹匣安全舱的设计，故而简称“弹匣电池”，实现了行业首次三元锂电池整包针刺不起火，宣称重新定义了三元锂电池主动安全标准，通过优化设计和生产工艺，系统体积能量密度提升9.4%（302Wh/L），系统质量能量密度提升5.7%（185Wh/kg），成本降低了10%。弹匣电池系统安全技术
从材料层级来看，三元锂电池虽然具有更高的能量密度，但其安全性能相比磷酸铁锂更差成为了消费者购买新能源汽车的主要疑虑。三元材料热稳定性差，在200℃左右就会发生分解，释放O2，而磷酸铁锂在700℃以上才会分解，由于存在稳固的P-O键，磷酸铁锂热分解不会释放O2，因此，三元锂电池在发生热滥用、针刺等极端测试时，更容易起火、爆炸。三元锂电池热失控链式反应过程
 

那么，广汽埃安是如何实现三元锂电池针刺不起火的呢？

据悉，弹匣电池技术基于“防止电芯内短路，短路后防止热失控，以及热失控后防止热蔓延”的设计思路，主要包括四大核心技术：1）超高耐热稳定的电芯正极材料采用纳米级包覆及掺杂技术，实现材料本征改性和表面修饰结合，有效提升材料热稳定性和防止热失控；电解液采用能对SEI膜进行自修复的新型添加剂，改善电芯循环寿命；通过添加特殊电解液添加剂，当电池温度升高到120℃时，自发聚合形成高阻抗薄膜，大幅降低热失控反应产热，使电芯耐热温度提升了30%。

2）超强隔热电池安全舱
通过网状纳米孔隔热材料和可耐1400℃高温的上壳体，弹匣电池构筑了超强隔热的安全舱，当单个电芯发生热失控时，确保热量不会蔓延至相邻电芯，引起连环失控。

3）极速降温三维速冷系统

通过全贴合液冷系统、高速散热通道、高精准的导热路径设计构建三维速冷系统，弹匣电池实现了散热面积提升40%，散热效率提升30%，有效防止热失控和热蔓延。

4）全时管控第五代电池管理系统
采用车规级最新一代电池管理系统芯片，实现10次/s全天候数据采集，对电池系统状态进行实时监控。当检测发现温度超高时，可立即启动电池速冷系统为电池降温。
弹匣电池四大核心技术
 

基于四大核心技术加持的弹匣电池，按照《GB 38031-2020 动力汽车用动力蓄电池安全要求》，采用强制性标准中最严苛的参数进行测试，可以实现针刺不起火（国标要求5min内不起火，预留逃生时间），针刺点附近最高温度686.7℃，电池之间未发生热扩散，静置48h后，针刺电芯电压降为0V，温度恢复室温，整包外观保持了较好的完整性。弹匣电池通过安全技术升级，实现了三元锂电池整包不起火，对三元锂电池在新能源汽车中的应用具有重要的推动作用，在系统层面较好的解决了三元锂电池的安全问题。

 

5、东风“三不”电池

2021年3月17日，东风汽车旗下高端电动车品牌岚图汽车举办了“三元锂电池安全技术分享会”，首次展示了岚图FREE（纯电版）的电池包、车体结构、电气系统的安全技术，并对电池包的安全技术进行了全方位的解读。三元锂电池包具有能量密度高、低温性能好、倍率性能好等特点，但相应的热稳定性更差，需要进行更好的安全防护和热管理，既要满足高能量，又要满足高安全，对电池技术带来极大挑战。

而岚图FREE采用三元锂电池作为动力系统，却可以做到整包“不冒烟、不起火、不爆炸”，被媒体称为“三不”电池。此前广汽埃安的弹匣电池已经实现了三元锂电池整包在热失控状态下“不起火、不爆炸”，但岚图FREE又在弹匣电池的基础上做到了“不冒烟”，似乎意味着三元锂电池的系统安全技术又上升了一个新台阶。

 

据悉，岚图汽车采用了三大安全技术：单体电芯三维隔热墙设计、电池安全监测和预警模型、电池PACK设计。

1）单体电芯三维隔热墙设计隔热墙技术是岚图汽车三元锂电池热失控“不冒烟”的首创核心技术，其原理是在电池包内，使用超强高分子隔热阻燃材料，将每个电芯分离，在电芯与电芯之间形成高效的阻热阻燃隔热层，并且单独三维立体包裹，如同“琥珀”一样。当某个单体电芯发生热失控时，三维隔热墙的存在可以避免热蔓延到周围其他电芯，进而防止出现连环热失控，同时，每一个电芯底部都与高效液冷系统接触，保证电池包具有稳定的散热能力，而在电芯顶部，还额外布置了可耐1000℃高温的隔热阻燃层，保护车内人员安全。

2）电池安全监测和预警模型

岚图在对电池包原有温度电压预警基础上，搭建了精确的电池安全监测和预警大数据模型，追踪每一台车、每一块电池的使用数据，并将监测到的数据与云端大数据库实时对比，当系统发现电池监测数据出现异常时，岚图会通过云端APP推送及车辆的预警系统，提醒用户。

3）电池PACK设计在被动安全上，岚图对电池结构进行了五大设计：车身防护、高强框架、压力传递、形变吸能、电池双保险。
a）车身防护：在车门门槛位置，采用双层结构的1500MPa超高强度热成型钢，前后车身内部，采用行业最高等级的2000Mpa热成型钢，防止车辆发生膨胀或侧翻时挤压电池，从而保证电池的完整性。b）高强框架：通过高强度铝合金框架、多条加强筋强化其耐撞性，根据测试结果，高强框架可以抵御20吨力的挤压。c）压力传递：在电池包内部设计多条纵横加强梁，使得电池包受到外力时层层分解，从而保护内部电芯。d）形变吸能：岚图对电池包预设了超过30mm的形变吸能空间，在电池包受撞击变形时，保护内部电芯。e）电池双保险：电芯双极均设置有防爆阀，当电池内部压力增大时，防爆阀被冲开，避免电池发生爆炸。

6、长城汽车的大禹电池

2021年6月29日，长城汽车咖啡智能2.0升级发布会在保定哈弗技术中心举行，会上正式发布了“大禹电池”，自称“永不起火、永不爆炸”。据介绍，大禹电池的命名主要是因为其安全保障的原理采用了大禹治水的“变堵为疏”理念，采用多梯次换流系统、快速极冷抑制系统、多级定向排爆系统、灭火盒系统来从PACK层级保障电池安全。

 

大禹电池采用高镍811三元材料，热失控引发方式为加热，实验中最高温度超过1000℃，但全程无起火爆炸，并且大禹电池排除的烟气温度低于100℃。大禹电池“变堵为疏”的理念包含了哪些技术元素呢？据了解，大禹电池主要从热源隔断、双向换流、热流分配、定向排爆、高温绝缘、自动灭火、正压阻氧、智能冷却八个方面提升三元锂电池整包安全性能。

 

1）热源隔断大禹电池之间采用隔热性能良好、又耐火焰冲击的全新开发的双层复合材料取代传统气凝胶隔热材料隔绝热源，防止高温传导到周围电芯引起连环反应。在模组上方还布置了可耐1000℃高温的隔热材料，保护驾乘人员的安全。

2）双向换流

通过对换流通道设计方案模拟仿真，实现换流强度和比例的精准优化，引导气流和火流进行双向换流。

3）热流分配

通过搭建燃烧模型、热力学与流体力学拟合仿真、冲击强度和压力计算，实现气火流在不同结构通道内的均匀分布，为双向换流起到了很好的辅助作用。4）定向排爆大禹电池设计了防爆阀，当电池内压增大时，防爆阀优先打开，产生的火焰或气流进入模组上方预设的流道，将其定向排出远离相邻电芯。

5）高温绝缘

在高压线束铜排表面涂抹了一层耐高温绝缘材料，防止出现高压电弧造成额外伤害。

6）自动灭火高压气流和火流被引导到电池包尾部的蜂窝状灭火盒中，由于蜂窝状结构的多孔性和多层隔热屏阻隔了空气的大空间流动，使之成为尺度十分有限的微小空间，空气的自然对流换热难以开展，有效地阻碍了对流换热的进行，从而可实现火焰快速抑制和冷却。7）正压阻氧

在电池包尾部设计了多层不对称蜂窝状通道，保证电池包内压始终大于外界，避免吸入氧气导致火势变大。8）智能冷却当BMS或智能云端监测到电芯热失控时，智能调节冷却系统的流速和流量，从而给电芯降温，将事故扼杀在摇篮中。根据长城汽车的规划，“大禹电池”将率先搭载在沙龙品牌的第一款车型上。从2022年开始这一电池技术将全面覆盖长城旗下的所有车型。

7、MTC

2022年4月25日，零跑汽车开展以“智能时代，源力觉醒”为主题的智能动力CTC技术线上发布会，首次公开了其最新研发的CTC技术（零跑官宣CTC，严格讲应该是MTC，即Module To Chassis）。

图 MTC技术路线

 

据悉，零跑汽车MTC底盘一体化技术可使零部件数量减少20%，结构件成本降低15%，电池布置空间增加14.5%，车身垂直空间增加10mm，综合工况续航增加10%，该技术将在零跑纯电动汽车C01车型率先量产应用，续航里程将达到700km。

如果将特斯拉CTC技术比作目前的电池一体化手机，那么零跑MTC就好比原来的电池分离式手机，当电池发生故障时，只需要取下更换即可，非常方便。零跑汽车MTC技术保留了模组设计，将模组直接集成到汽车底盘。其最大的创新点在于，首次将电池托盘骨架结构和车身梁结构合二为一形成双骨架环形梁式结构，既能提高整体结构效率，实现轻量化，又能通过车身纵、横梁实现电池密封。

 

零跑汽车通过在乘员舱底部开设容纳空间，将模组从下往上通过栓接、胶接等固定方式悬吊在乘员舱底部，再用电池托盘和车身地板密封，取消了传统电池包的上盖板。相比于特斯拉CTC技术，零跑汽车MTC似乎更是一个折中的技术，由于没有取消模组结构，因此集成效率、成本方面仍有提升空间，并且由于取消了传统电池包的上盖板，当电池热失控时对乘员舱威胁更大，但由于电池托盘容易拆解，当需要维修时，不需要拆解车身地板和座椅，更加的方便和快捷，更是一种可行的量产化技术。

8、BYD的CTB

2022年5月20日，比亚迪隆重举办CTB技术暨海豹预售发布会，会上，比亚迪全球首发了CTB车身一体化技术及搭载CTB技术的e平台3.0纯电动车型—海豹。据介绍，海豹搭载CTB技术后，其动力电池系统利用率提升66%，系统能量密度提升10%，可以实现700km的续航里程，其动力电池仍然采用刀片电池，可以达到充电15min，行驶300km的快充能力。

 

实际上，比亚迪CTB技术与特斯拉CTC有点类似，都是将电池上盖板与车身地板合二为一，即减少了一层地板。但特斯拉电池上盖板结合了座椅支架和横向加强结构，而比亚迪横向梁还保留在车身，用于提供更好的侧向强度和扭转刚度（似乎特斯拉集成技术更像CTB，而比亚迪集成技术更像CTC），因此，CTB的集成度略逊于CTC。CTB技术依然采用了刀片电池阵列式排布方式，本身具有极好的安全性能，并且电池包上盖和电池托盘将刀片电池夹在中间，形成了类蜂窝结构，根据比亚迪发布的测试视频，电池舱可以承受50t重卡碾压而装回车身后仍可继续使用，因此，比亚迪海豹号称是“撞不断的电动汽车”。CTB技术的优势是高安全、高强度、轻量化、低成本，其维修性比特斯拉CTC技术略好一些，但集成度方面相比CTC技术更保守。

9、上汽的魔方电池

2022年6月13日，上汽乘用车MG品牌首次发布了“魔方电池”，并亮相了搭载魔方电池的首款车型-MG MULAN。据介绍，魔方电池英文名是“ONE PACK”，采用了标准电池包，长度均为1690mm，宽度均为1300mm，高度可选110mm、125mm和137mm，由于长度和宽度固定，只需改变高度就能实现不同续航里程的需求，由于电池包长度和宽度相同，魔方电池还采用了统一的电芯固定位置、统一的快换冷却接口和统一的高低压接口，意味着魔方电池可以实现换电功能。

 

魔方电池最大的技术特点就是采用了躺式电芯的布置，而传统的电池包都是立式布置或者侧立布置，魔方电池为何要“躺平”呢？

1）整车布置效率更高电池的厚度更薄，躺平后的电池包厚度也更薄，可以释放更多的车内空间，超薄电池还可以降低整包质心高度，能有效抑制车辆高速行驶时的侧倾，车身更加稳定。并且，电池躺平后，上下两块电池之间不再布置隔热材料，而只需在左右电池中间设置隔热材料，减少了材料数量和用量。

 

2）循环寿命更长魔方电池设置了一个自适应束缚装置，可以适应电池使用过程和全寿命周期保持一致的约束力，而传统的立式电池两端具有强约束力，长期使用过程中会影响降低电芯约一半的循环寿命。

 

3）安全性能更好
魔方电池躺式布置，电池热失控喷射口在电池侧边，不会向上喷射，在一定程度上降低了驾乘人员的伤害，并且相邻电芯接触面积小，降低了对周边电芯的影响。在解决躺式电芯的热失控和散热方面，魔方电池采用了以下方案：

1）热隔离挡板
躺式电芯热失控时主要从侧面喷射火焰，正对喷射口的其他电池可能被直接引燃，魔方电池在其间布置了热隔离挡板，防止正对喷射口的电芯被引燃。

 

2）立式冷却系统由于魔方电池躺平式电池结构，为了保证每个电芯均匀散热，采用了立式冷却结构解决方案，即将本该站立的电芯躺平，本该躺平的冷却系统站立起来。

10、CALT的3.0麒麟电池

2022年6月23日，宁德时代正式发布第三代CTP电池包技术-麒麟电池，通过对电池包的结构改进，将空间利用率从56%提高到72%，宣称在相同的尺寸和化学体系设计下，其系统能量密度可达255Wh/kg，比特斯拉高出13%，整车续航里程可轻松突破1000km，采用全球首创大面冷却技术，麒麟电池支持5min快速热启动及10min快速充电至80%SOC，实现了续航、快充、安全、寿命、效率以及低温性能的全面提升，预计将于2023年量产上市，首次搭载于吉利汽车旗下高端电动汽车MPV—极氪009。宁德时代三代CTP技术迭代对比
 

麒麟电池的结构从上到下依次为：上盖、三合一弹性夹层、电池、托盘。创新重点之一是高度集成化的三合一弹性夹层，将结构梁（纵横梁）、隔热垫和水冷板替换为弹性夹层，布置在每排电芯间，同时起到结构支撑、冷却散热、电芯隔热和膨胀缓冲四个功能。麒麟电池包爆炸图
 

麒麟电池将本该放置在电芯底部的水冷板（弹性夹层）竖直放置于电芯之间，增加了4倍换热面积、大幅提高了散热性能，从而实现了电池的安全快充。据宁德时代报告，麒麟电池可以做到4C快充技术，实现5分钟热启动、10分钟快充至80%。 此外，麒麟电池采用电芯倒置，防爆阀朝下设计，当电芯发生热失控时，高温气流将向汽车底部喷射，进一步保护驾乘人员安全。

麒麟电池是宁德时代在现有的方形电池技术路线下，通过结构创新，进一步提升电池性能的重要方式。宁德时代采用了全球首创的电芯大面冷却技术，取消了横纵梁、水冷板与隔热垫原本独立的设计，集成为多功能弹性夹层，实现了水冷、隔热、缓冲功能三合一，进而实现了系统集成度的较大提升。
 

电池热管理四大冷却技术

随着科技的日新月异，锂离子电池在我们日常生活中的应用越来越广泛，从智能手机到电动汽车，它们已经渗透到我们的生活的方方面面。但正如我们享受电池带来的便利时，其内部的温度管理也是一个至关重要的议题。电池的温度不仅影响其性能和寿命，还关乎用户的安全。因此，电池热管理技术变得尤为关键。本文将深入探讨四种主要的电池热管理技术：空气冷却、液体冷却、相变材料冷却以及热电冷却。
电池热管理的三种技术
在当前的技术时代，锂离子电池因其高能量密度和持久的使用寿命已逐渐成为手机、电动汽车和储能电站的能源首选。举个例子，如图1的Tesla Roadster电动汽车，搭载了6831个18650型号的锂离子电芯，代表了锂离子电池在汽车领域的创新应用，同时也让大众开始关注电池的热管理。

 

 

电池在使用时可能会有电量利用不均或不充分的情况，因此常装备电池管理系统（BMS）来监控和优化电池的运行状态。但随着技术的不断进步，电池的热管理（尤其是温度控制）逐渐受到重视。这是因为，电池温度过高或过低都可能导致电池性能下降，甚至产生安全隐患。
为了保障电池的最佳性能与安全，一个高效的电池热管理系统（BTMS）是不可或缺的。它可以保证电池温度始终处于理想范围，并确保各电池之间的温度差异最小。
值得注意的是，锂离子电池对温度非常敏感。例如，温度过低时，电池的性能会受到影响，特定类型的电池如磷酸铁锂电池，低温下其导电性会大幅下降。而在高温下，电池可能会遭受热失控甚至引发爆炸等安全事故。
冷却技术在热管理中扮演了关键角色，它确保电池温度不过高，从而保护电池并确保其安全运行。尽管我们已有一些电池冷却方案，但仍需在散热、温度均衡和成本等方面进一步优化。
为此，我们对当前的几种主流电池热管理技术进行了深入探讨，包括空气冷却、液体冷却、相变材料冷却和热电冷却技术，分析了它们各自的优缺点，并预测了未来可能的发展趋势。
锂离子电池热管理技术锂离子电池在全球动力与消费电池市场中占据重要地位，因此其热管理技术一直受到行业内的高度关注。这些技术从简单的空气自然冷却演进到复合式冷却，每种技术都有其特点与挑战。以下为您详细介绍各种冷却技术。
2.1 空气冷却

 

空气冷却可以分为被动式的自然冷却和主动式的强制冷却。这两种方式都是通过空气流动来带走电池产生的热量，从而实现冷却。其优势在于结构简单、成本低、环保无污染。
自然冷却：这是一种被动冷却技术，只需设计好散热风道即可。例如，早期的Nissan Leaf电动汽车就采用了这种冷却方式。但这种方法很难满足动力电池的高效冷却需求，可能会影响电池的寿命。
强制空气冷却：相较于自然冷却，这种技术通过增加风扇等设备来加强空气流动，提高冷却效果。但这也意味着噪音和能耗的增加。另外，通过调整气流通道的形状，可以进一步提高冷却效果。图2 (a)采用自然空气冷却的锂离子电动汽车Nissan Leaf[5,34] ；(b) 自然空气冷却示意图[36] ；(c)主动空气冷却示意图[36] ；(d), (e) 主动风冷储能集装箱示意图

 

结合多项研究，与其他冷却技术结合使用的空气冷却技术可以显著提高电池的冷却效果和均匀性。例如，使用与二氧化硅冷却板结合的风冷电池热管理系统，电池温差可以降低至1.84℃。另一项研究还发现，通过在风冷系统中采用电池对齐排列，可以实现更好的冷却效果。
在电动飞行设备中，空气冷却技术因其轻便、低能耗等特点仍是首选。例如，某些电动无人机和电动飞行汽车都采用了自然空气冷却技术。特别是对于注重重量的电动飞行设备，适当设计的风道还可以提高其散热效果。

 

 

综上所述，空气冷却技术因其简便、经济和环保的特点在特定应用中仍具有广泛的潜力和价值。
2.2 液体冷却技术

 

液体冷却使用冷却液对电池进行热交换，能够高效、迅速地散热。这种技术分为直接液冷和间接液冷。在直接液冷中，冷却液直接与电池接触，例如沉浸式液冷。而间接液冷则通过特定部件，如冷却板，来达到冷却效果。
2.2.1 冷却板液冷

 

与空气冷却相比，冷却板液冷技术更为高效，且冷却板多为铝或铝合金，成本相对较低。主要研究方向是优化冷却板的结构和流体流动特点，以简化制造过程并增强其效果。
近期研究主要集中在冷却液通道的设计和冷却液的流动方向。例如，有专家在蛇形流道的基础上，设计了一种新型液冷板。这种新设计在特定条件下能大大提高冷却效率。也有专家则设计了基于方形电池的蜂窝结构冷却板，该设计通过增加冷却通道提高了散热效果。这些研究均指出，合理的冷却液通道设计和流动方向对温度均匀性十分关键。整体而言，冷却板液冷技术已相当成熟，广泛应用于多种电动设备。
应用实例

 

冷却板液冷技术已被广泛使用在储能电站和电动汽车等领域。某公司的冷却板液冷产品及相关专利展示了其在实际应用中的效果。特斯拉4680CTC电池包内部的蛇形冷却板也采用了这种技术，以增大接触面积并提高冷却效果。图4 (a)锂离子软包电池的二次流蛇形通道冷却板示意图；(b) 方形LiMn2O4电池的微型U型冷却板示意图；(c) 方形 LiFePO4电池的蜂窝状流道冷却板示意图

 

图5 (a)冷却板液冷电池舱；(b) 冷却板液冷电池包及内部结构简图；(c) 冷却板液冷组合式储能电池柜；(d) 冷却液循环管与电池板的安装结构示意图图6 (a), (b)特斯拉4680 CTC电池包及电芯间蛇形冷却板示意图；(c), (d) 某公司麒麟电池包及冷却板安装示意图；(e), (f) 某公司刀片CTB电池包及冷却板组件示意图

 

总的来说，冷却板液冷技术对于大多数应用场景都是非常有效的。其主要材料如铜和铝具有良好的热传导性能，成本适中，非常适合用于电动汽车或其他冷却需求较高的设备。在实际应用中，为确保高质量的冷却效果，需要根据电池类型和结构来设计合适的冷却通道并选择适当的材料。
2.2.2 浸没式液冷

 

浸没式液冷技术是将电池与其他发热部件完全浸入冷却液中。相较于传统的风冷，这种技术降低了噪音和能耗，同时也更好地控制了电池的温度。尽管此技术的效果卓越，其主要缺点在于系统重量和体积相对较大，这使其在电动汽车中的应用受到限制。但对于固定的储能电站来说，此技术非常理想。
浸没式液冷主要使用绝缘油和氟化液作为冷却剂，尽管成本较高。不过，研究已证明，这种冷却技术可以确保电池的平均温升不超过5℃，同时各电池之间的温差也仅为2℃。这有助于提高储能电站的使用寿命和安全性。
图7 (a)三元软包锂离子电池组油浸式液冷BTMS及结构示意图；(b) 小型NCM811动力电池油浸式液冷BTMS原理图及4种 绝缘油进出口方式示意图；(c) 18650 LiCoO2电池的油浸式液冷实验示意图和电池在不同冷却条件下的温度曲线
最新的研究指出，浸没式液冷可以大大提高冷却效率。例如，实验表明，增加浸没深度可提高冷却效果，电池的最高温度和温差分别降低了32.4%和75.3%。此外，选择合适的冷却液流动方式和速度也是关键，正确的选择能使电池的温度和温差得到更好的控制。
虽然浸没式液冷技术在储能电站中已经得到了广泛应用，但其在电动汽车中的使用仍受到了成本和体积的限制。然而，对于某些高端车型或有特殊冷却需求的车型，此技术仍有可能被采用。

 

结论：浸没式液冷技术在电池冷却方面有很大的潜力，特别是对于储能电站这样的大型设备。但在电动汽车中的广泛应用仍需解决一些问题，如成本、体积和设计的挑战。

 

2.3 相变材料冷却技术

 

基于相变材料（PCM）的电池热管理技术是一种创新方法，它通过利用PCM的热储存与释放特性来维持电池在最佳温度。这种方法的优点有多个：它不需要额外的能量、没有运动的部分、维护成本低，而且它能够很好地确保电池温度均匀。

 

目前，热管理中常用的PCM材料有：

 

有机材料，如石蜡、烷烃和有机酸。

 

无机材料，如水溶液、盐类水合物和熔融盐。

 

共晶材料。

 

但PCM本身的热导率并不高，因此通常要加入其他材料如泡沫铜、膨胀石墨和纳米颗粒，以提高其热导性。这也能解决PCM的某些物理问题，例如相变后的流动性问题。

 

为了更直观地理解这一点，我们可以参考最近的一些研究。例如，有专家制造了一种由月桂酸和石蜡与膨胀石墨结合的复合相变材料，此材料成功地将某电池的最高温度降低到了42.39℃。还有其他研究也表明，结合其他冷却方法，如空气冷却，可以进一步增强PCM的冷却效果。

 

图9 (a)采用复合相变材料冷却的软包锂离子电池 ；(b) 圆柱形LiFePO4电池的CPCM/空冷复合式散热模型；(c) 26650锂离子电池的CPCM/液冷复合式散热模型
这种技术不仅仅局限于实验室。事实上，某款电动飞机已经采用了PCM散热系统。尽管PCM具有轻便的优点，但其较高的成本限制了它的广泛应用。

 

在实际应用中，为了提高效果，PCM常与其他冷却方法结合。例如，增加翅片可以提高散热效率，而某些翅片结构可以用作支撑，防止PCM流动。当然，选择PCM时还需要考虑其他因素，如其熔化温度、安全性以及厚度等。

综上所述，尽管PCM在电池热管理中显示出巨大潜力，但仍然需要进一步的研究和优化，以确保它在实际应用中的高效和安全。

 

2.4 热电冷却技术

 

热电冷却是一种先进的主动式冷却技术，核心基于珀尔帖(Peltier)效应。简而言之，当电流通过特定材料时，它会在一侧吸收热量并在另一侧释放，从而达到冷却效果。这种技术的主要优势包括：无需制冷剂、低能耗、启动迅速、稳定性好、低噪音以及无需运动部件。但挑战也很明显，例如冷却效率不高，且制造大型设备时会遇到困难。
 

 

研究者为了优化这种技术在电池热管理系统中的应用，进行了大量实验。例如，有专家设计了一种结合铜网的双二氧化硅冷却板与风冷的系统，发现二氧化硅冷却板的厚度与电池的温度表现有关，确定1.5mm是最佳厚度。另一项研究结合了热电冷却与液体冷却，实验证明此结合方式可以有效提升冷却效果。

 

然而，尽管有这些积极的研究进展，热电冷却技术目前主要适用于小型电子设备，因为其制冷效果有限，且大面积应用存在技术难题。图11 (a) NCM软包电芯双面半导体铜网复合散热系统；(b) LiFePO4电芯底部TEC制冷与液冷板复合热管理示意图；(c) 基于TEC的复合散热结构及TEC实物图和示意图

 

在商业化进程中，热电冷却技术（TEC）已经在手机冷却器中找到了应用。这些冷却器中的TEC与其他冷却技术相结合，增强了冷却效果

综上所述，热电冷却技术与其他冷却技术的结合是其商业化应用的关键。例如，结合液体冷却可以实现更快的制冷并提高温度均匀性。此外，为了降低成本，TEC的制造工艺仍需进一步研究和优化。
闷气电池热管理系统 (BTMS) 的模型模拟电池热模型是我们优化电池热管理系统的关键助手。随着计算机技术的进步，诸如COMSOL多物理场和ANSYS Fluent等高效的锂电池仿真软件已被研发出来。通过这些工具，我们能够构建准确的电池热模型，预测电池在不同充放电环境下的温度表现。简言之，我们主要讨论两种模型：电-热耦合模型和电化学-热耦合模型。

 

 

 

电-热耦合模型是结合电池的等效电路与热的等效电路来评估电池在工作时的状态和温度的。

 

电化学-热耦合模型则更为深入，它是基于电池内部的电化学反应与传热特性构建的。随着技术的发展，这一模型已经从基础的一维扩展到了更复杂的三维模型。相比之下，这一模型提供了更精确的结果，特别是当考虑到电池内部的电化学反应时。例如，研究者利用这一模型研究了基于PCM的18650锂电池冷却系统的热性能。

 

有专家利用电化学-热耦合模型模拟了圆柱锂电池在1C放电倍率下的热行为。如图13所示，电池在放电初期和后期的温度快速上升，但在放电中期则相对稳定。与此同时，电池中央部分的应力明显高于其外围。

 

 

 

图13　基于电化学-热耦合模型模拟得到的电池(a)温度分布和(b)热应力分布
目前，由于三维电化学-热耦合模型需要较高的计算能力，研究者正在探寻方法简化它以降低计算成本。此外，电化学-热耦合模型与其他模型的结合，如与机械模型，可为我们提供更多的信息，比如应力是如何影响电池性能的。随着技术的不断进步，我们预期电池热管理会更趋向于智能化和集成化，同时多物理模型与预测技术的结合也将成为未来研究的重点。

 

结论和展望锂离子电池热管理技术在其广泛应用中起着至关重要的作用。未来，高效、环保、并且经济高效的解决方案将是技术发展的方向。借助目前的模拟软件，我们有了坚实的基础来进一步完善这些技术。针对本文中所讨论的各种冷却技术，我们得出以下结论和展望：

 

空气冷却：尽管空气冷却是一种经典技术，但其在高功率锂电池领域的应用已遇到局限性。预计在未来的大型储能电站和动力电池应用中，更高效的液冷技术将逐渐取代空气冷却。然而，对于小型电子设备和简易电动工具，空气冷却因其成本效益和简单性仍有其应用空间。

 

液体冷却：液冷技术有两种方式，直接和间接。冷却板技术已相当成熟并广泛应用于储能电站和电动汽车。浸没式液冷则展现出更出色的冷却效果，但其维护更为复杂。预计浸没式技术会被更多地应用于大型储能电站和高端电动汽车。

 

相变材料冷却(PCM)：PCM具备出色的热吸收和储存能力，由于其固有的导热限制，通常需要加入高成本的增强材料，这在某种程度上限制了其在大型电池应用中的普及。

 

热电冷却：作为新兴技术，热电冷却在某些小型设备，如手机中，已得到商业化应用。但其冷却效率相对较低，需要与其他技术结合使用。未来的发展重点应是提高冷却效率和降低成本。综上所述，目前并没有一种“一刀切”的冷却解决方案。看起来，未来的主要趋势是结合多种冷却技术，以便根据具体应用选择最合适的冷却方法，满足各种需求。