鋰電池液冷系統(tǒng)性能評價與對比

【研究背景】

鋰離子電池較高的溫度敏感性對其輸出特性以及壽命衰退有很大的影響。過高的溫度會加速電池老化并誘發(fā)熱失控，從而導致安全事故；而較低的溫度則會降低電池容量，易引發(fā)析鋰現(xiàn)象?；谝豪涞碾姵責峁芾硐到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述。由于熱管理系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)考慮多維特性，因此對各種類型的液冷系統(tǒng)制定統(tǒng)一的多樣化的評估標準至關(guān)重要。此外，多目標優(yōu)化設(shè)計對于充分利用系統(tǒng)的整體性能是必要的。然而，多目標優(yōu)化過程和統(tǒng)一的評價體系尚未得到很好的提煉和總結(jié)。

【工作介紹】

近日，西安交通大學梅雪松、徐俊課題組針對基于液冷的電池熱管理系統(tǒng)進行總結(jié)以及綜合評價。論文對目前廣泛使用的液冷系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀進行了介紹，并根據(jù)換熱特性進行歸類；此外，對系統(tǒng)的多目標優(yōu)化流程進行了歸納和分析。構(gòu)建了統(tǒng)一性評價方案對不同液冷系統(tǒng)進行了綜合評估，對高性能液冷系統(tǒng)今后的發(fā)展以及評估體系進行了展望。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密歇根大學德爾本分校Xuan Zhou教授。論文工作得到了國家自然科學基金（52075420）和國家重點研發(fā)計劃重點專項（2020YFB1708400）的支持。

【內(nèi)容表述】

1. 基于液冷的電池熱管理系統(tǒng)分析



圖1 基于液冷的電池熱管理系統(tǒng)分類

如圖1所示，根據(jù)冷卻液與電池的接觸方式，基于液冷的電池熱管理系統(tǒng)通?？煞譃槿N類型，即直接接觸型、間接接觸型和復合型。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，利用相變時大量的潛熱來增強傳熱，包括蒸發(fā)換熱、池沸騰和流動沸騰等。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，對于液冷板，電池組的熱特性和冷卻通道的設(shè)計關(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)，論文對其進行了分析和闡述。

2. 液冷系統(tǒng)的優(yōu)化分析

為進一步提升系統(tǒng)的綜合特性，很多研究對基于液冷的熱管理系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)布置、系統(tǒng)參數(shù)進行優(yōu)化，如圖2所示。論文對不同優(yōu)化方案進行分析，并對多目標優(yōu)化的流程進行總結(jié)和歸納，包括變量和目標設(shè)計、試驗空間的設(shè)計、代理模型的選取、多目標優(yōu)化方法的分析，為熱管理系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計提供了參考。



圖2 基于液冷系統(tǒng)的多目標優(yōu)化方法框架

3. 液冷系統(tǒng)統(tǒng)一評價體系的構(gòu)建

由于不同液冷系統(tǒng)都有其獨特的優(yōu)勢，且針對不同的電池系統(tǒng)，無法直觀地進行評估。論文嘗試利用一種電池，對不同類型的液冷電池熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行重構(gòu)，并設(shè)置相同的條件進行仿真分析，進而構(gòu)建統(tǒng)一的評價體系。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價指標，利用層次分析法進行評估。



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)評價結(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。每種類型都有獨特的優(yōu)勢，在評估結(jié)果中的沒有一個方案在所有特性均表現(xiàn)優(yōu)異。因此，在實際設(shè)計分析中有必要考慮應(yīng)用場景、可操作性等因素對不同方案進行選擇。



圖4 不同類型液冷系統(tǒng)評價結(jié)果

4. 未來液冷電池熱管理系統(tǒng)的展望

由于液冷電池熱管理系統(tǒng)的復雜性，在未來的系統(tǒng)設(shè)計和綜合 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，各項指標也存在很大差異。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。

本文旨在建立一個多維度、統(tǒng)一的評價體系，為新型熱管理系統(tǒng)的開發(fā)提供有價值的參考，綜合設(shè)計架構(gòu)如圖5所示。在以下幾方面需要進一步研究。首先，多元化評價體系應(yīng)進一步完善，多樣化、統(tǒng)一的評價標準可以有效地幫助研究人員設(shè)計一個新的體系。

在生產(chǎn)和運營過程中應(yīng)該考慮更多的維度。由于熱結(jié)構(gòu)和機械結(jié)構(gòu)相互影響，結(jié)構(gòu)強度在確保實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)計中應(yīng)考慮這一點。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。模型的準確性對優(yōu)化效果有很大影響。

然而，這與計算效率相沖突。因此，以低計算量進行大規(guī)模電池組的高精度溫度預測值得進一步研究。同時，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)計和智能控制，集成模型、數(shù)據(jù)驅(qū)動、實時交互等，加速構(gòu)建更智能、更高效的熱管理系統(tǒng)。



圖5 液冷電池熱管理系統(tǒng)綜合設(shè)計架構(gòu)

【結(jié)論】

基于液冷的電池熱管理系統(tǒng)作為目前使用最廣泛采用的方案，對于保持電池系統(tǒng)安全和特性至關(guān)重要。作為一個典型的復雜系統(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，實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計的協(xié)調(diào)優(yōu)化成為一個重大挑戰(zhàn)。

本文對所涵蓋的各種基于液冷方法進行了分析和總結(jié)，并對多目標優(yōu)化方法進行總結(jié)分析。嘗試建立了統(tǒng)一的評價標準以更全面的視角對不同類型進行評估。對各種改進計劃和新技術(shù)進行了展望，對未來基于液冷的電池熱管理的綜合設(shè)計提供參考。





審核編輯：劉清