來源：寧波工程學院 同濟大學 江蘇大學
作者：江 毅 李超恩 溫小棟 于 航 劉東京
電池熱管理系統對電動汽車的安全性至關重要。隨著電池能量密度和放電功率的提高，傳統散熱方案已無法滿足當前電池散熱的要求。浸沒式液冷電池熱管理系統作為電動汽車動力電池組和動力系統的高效熱管理解決方案之一，正受到越來越多的關注。本文綜述了目前鋰離子電池浸沒式液冷技術，包括單相浸沒式液冷和兩相浸沒式液冷；探討了冷卻液種類、排布方式、流速、壓力等因素對性能的影響及浸沒式液冷效率的評價方法。同時，分析了目前浸沒式液冷技術在電池熱管理中的行業趨勢。最后，對于浸沒式液冷在鋰電池熱管理中的應用進行了展望，為開發更高功率、更安全和更持久的電動汽車提供參考。
關鍵詞：鋰電池熱管理；液冷；浸沒式液冷；單相浸沒式液冷；兩相浸沒式液冷；沸騰換熱
引言
隨著人們環保意識的不斷提高和能源危機的日益加深，新能源電動汽車已成為國內外關注的熱點。作為電動汽車的主要發展方向，鋰電池憑借其高能量密度、長壽命、低自放電等優勢備受青睞。然而，隨著電池能量密度的增加和更高功率充電技術的發展，動力鋰離子電池熱失控風險逐漸增大。研究表明，在極端溫度下（包括高溫和低溫），鋰離子電池容易出現熱失控現象，并且在充放電過程中會產生大量熱量并堆積，這些堆積會影響到其使用壽命并可能導致爆炸或火災事故。因此，電池熱管理系統（batterythermalmanagementsystem，BTMS）作為防止鋰離子電池過熱的關鍵技術，在學術界和工業界備受重視。
目前，針對鋰電池熱失控問題已經開發出了多種冷卻系統，主要包括空氣冷卻、液體冷卻、熱管冷卻、相變冷卻及其組合冷卻系統。其中，空氣冷卻可分為自然對流換熱和強制對流換熱。但由于其換熱效率低且熱傳導弛豫時間長等缺點，在高放電倍率下難以滿足大規模電池組的散熱需求。而具有高導熱性、結構穩定性、低維護成本和壽命長等特點的熱管冷卻在電池熱管理中備受關注。然而，熱管冷卻在快速溫度波動和惡劣環境條件下存在局限性，并且缺乏簡單通用的傳熱模型來準確預測模塊和電池組的散熱性能，因此尚未商業化應用。近年來，相變冷卻也得到了廣泛研究，但由于相變材料成本較高且導熱系數較低，并需要與其他散熱方案相結合使用，使其難以落地應用。隨著電池能量密度的逐漸提高與散熱需求增加，液體冷卻技術越來越受到學術界和工業界的重視。根據冷卻液是否直接接觸到電池，可將其分為直接液冷或間接液冷。直接液冷又稱為浸沒式液冷，是目前最有效的散熱技術之一，具有高效散熱、節能降耗、節約空間和穩定低噪等優點。該冷卻系統把電池浸泡在非導電的電介質中，使其得到均勻的熱量傳導，從而保證了電池組溫度的均勻性。由于換熱介質與電池直接接觸，降低了接觸熱阻，進一步提高了換熱效率。此外，這種冷卻方法還可以降低系統的復雜性。4種不同冷卻方式及其優缺點如圖1所示。隨著技術發展出現了許多組合系統。
目前，雖然已有大量關于浸沒式液冷用于數據中心的報道，但對其在電池熱管理方面缺乏綜述。本文分析和介紹了基于浸沒式液冷技術的電池熱管理，包括冷卻液種類、排布方式、流速、壓力等因素對電池散熱效率的影響，并探討了該技術所面臨的前景和挑戰。
1 浸沒式電池液冷技術
根據不同的換熱機理，浸沒式液冷系統可分為單相和兩相浸沒式液冷系統。其工作原理如圖 2 所示。
在單相浸沒式液冷系統中，通過外部散熱器循環散熱的冷卻液始終保持液態。為了滿足單相浸沒式液冷的要求，需要選擇具有高沸點、低黏度、高導熱系數、不易揮發和兼容性好的冷卻液，并避免頻繁補充。在兩相浸沒式液冷過程中，隨著電池表面溫度升高，冷卻液發生相變并依靠液體沸騰快速帶走熱量。沸騰換熱性能隨著溫度的上升而快速提高，并吸收大量潛熱以實現快速傳遞熱量。當冷卻液蒸發后遇到冷凝器表面時會凝結成為液體重新回到腔體內。由于冷卻液發生相變，對容器的密封性有一定的要求。
1.1 單相浸沒式液冷技術
單相浸沒式液冷中可應用的工質包括氫氟醚、硅油和烴類等。與兩相浸沒式液冷相比，由于工質不發生相變，因此其冷卻系統更為簡單。理想的冷卻工質應具備良好的絕緣性、高比熱容和導熱系數、良好的阻燃性能、低成本，以及適宜的工作溫度、較長的壽命、無腐蝕性、低密度和低黏度等特點。
氫氟醚是電子浸沒式液冷中最為常見的工作介質，近年來也被廣泛應用于電池熱管理系統。其中3M公司開發的Novec系列產品應用較為廣泛。由于其較好的兼容性，沸點較高的Novec介質可用于單相浸沒式液冷。
近年來，碳氫化合物在電池浸沒式液冷系統中備受關注，包括礦物油、多烯烴（PAO）和其他合成碳氫化合物油。其中，礦物油由于成低本、低毒性及工作范圍廣的特點，常被應用于單相浸沒式液冷系統中。Liu等人通過實驗研究了動態充放電循環的電池在靜態和流動的礦物油冷卻下的熱響應，如圖3a所示。實驗研究表明，提高礦物油的流速可有效降低電池表面溫度，然而由于冷卻能力有限，隨著流速進一步提高，降溫效果逐漸減弱。理論分析表明，礦物油在傳熱過程中存在著混合對流現象：在低雷諾數情況下，自然對流起主導作用；隨著雷諾數增加，強制對流效應與自然對流效應相當甚至超過前者；在4C（C為最大容量）放電倍率條件下，自然對流始終主導傳熱過程。Satyanarayana等人對比了自然空氣冷卻、強制空氣冷卻、礦物油冷卻和導熱油冷卻4種不同的冷卻方式，實驗裝置如圖3b所示。研究結果表明，在3C放電倍率下，配備強制空氣冷卻、導熱油冷卻和礦物油冷卻的電池模塊的最高溫度分別降低了43.83%、49.17%和51.54%。在強制對流冷卻下電池組的最高放電倍率為1.5C；而在浸沒式冷卻條件下，電池組的最高放電倍率可達2C。Wang等人將單相浸沒式液冷與水冷系統相結合，即將電池浸沒在礦物油中，由礦物油吸收電池產生的熱量，并通過冷卻系統帶走礦物油中的熱量（如圖3c所示）。研究結果表明，與自然對流冷卻和單相浸沒式液冷相比，耦合系統使得電池能夠在最佳工作溫度下分別延長150.3%和45.7%的工作時間。
此外，增大電池間隔、流速及采用具有高導熱系數和低運動黏度的工作介質可以提高系統的冷卻性能。Wang等人設計了一種用于鋰離子軟包電池的浸沒式液冷系統。該系統采用高絕緣性的10號變壓器油作為冷卻液，在主動和被動模式下均可運行。與Novec系列氟化液FC-72和HFE-7100相比，10號變壓器油具有更高的比熱容和導熱系數。實驗結果顯示，在2C放電倍率和25°C環境溫度下，浸沒式液冷方案展現出最佳的熱管理性能。與自然空氣冷卻相比，電池的最高溫度從58.3°C降至39.4°C，降幅達32.4%。Liu等人探究了10號變壓器油用于電池冷卻的可行性。研究表明，在2C放電倍率下，浸泡在靜止變壓器油液中的電池的最高溫度為37.4℃，遠遠低于自然空氣冷卻。當流量為15mL/min（雷諾數為0.59）時，整個系統達到最佳效能。
殼熱流體（應用于殼管式換熱器中的換熱介質）與許多常見的材料兼容，如橡膠、塑料和金屬，這些都是電動汽車熱管理系統中代表性的材料。然而，殼熱流體具有可燃性，如殼熱流體E5TM410的閃火點溫度為190°C。需要注意的是，增大流體的黏度會提高閃火點溫度。但高黏度不利于浸沒式液冷系統中換熱介質的擾動和對流。Han等人采用E5TM410作為冷卻介質對18650電池進行冷卻。在4C放電倍率下，電池組的最高溫度達到了60.2°C，需通過增加翅片和擋板來進一步提升電池組的熱均勻性。酯基介電冷卻劑作為礦物油的替代品，因其良好的降解性和低成本而廣泛應用于電力設備中。
酯基介電冷卻劑可分為天然酯類和人造酯類。與天然酯類相比，人造酯具有良好的抗氧化性，可以延長維護周期。但是合成酯存在閃火點溫度較低、易揮發等問題。Mehta等人從環保、消防安全、熱性能、介電性能等方面對新型天然酯與現有礦物油技術進行了評價和論述。結果表明，天然酯可用于變壓器。雖然已證明用于高壓電子器件的熱管理時，酯類介電冷卻劑具有與礦物油相似的特征，但它們在電池熱管理領域的應用仍處于空白。
硅油是另一種冷卻液，其黏度取決于硅氧烷單體鏈的長度，在高溫和低溫下具有較好的耐溫性能。Sun等人對太陽能電池進行了直接液體冷卻實驗，以解決線性聚光光伏系統中的散熱問題。研究結果表明，在硅油進口溫度為15°C，雷諾數從13602到2720變化時，可以將電池溫度控制在20~31°C范圍內。該方法可直接應用于鋰電池的冷卻。Matsuoka等人比較了單相浸沒式冷卻劑（包括硅油50cSt和20cSt、大豆油、全氟化合物Novec3283和Novec43）在數據中心服務器冷卻方面的應用效果。研究發現，在單相浸沒式液冷中，對流換熱起著重要作用。因此，較小黏度的冷卻液會獲得更好的降溫效果。
超純水作為非導電介質亦可作為換熱介質。Celen采用超純水作為換熱介質對軟包鋰電池進行冷卻。研究結果表明，在4C的放電倍率下，空氣和超純水冷卻方式下電池組的最高溫度分別為45°C和33°C。通過超純水浸沒式液冷技術，電池組的平均和最高表面溫度可以分別降低28%和25%。Luo等人通過實驗和模擬研究了超純水浸沒式電池熱管理系統，并設計了一種特殊的密封結構以防止水和電池電極接觸。研究發現，在3C的放電倍率下，較小的水流量（200mL/min）也能確保電池組的最高溫度低于50°C。然而，良好的冷卻能力將增大電池組的溫差。當水流量小于1000mL/min時，很難將電池組的溫差降低到5°C以下。由于超純水沒法長時間保持高電阻率狀態，因此該技術需要進一步研究。
1.2 兩相浸沒式液冷技術
低沸點的Novec介質常用于兩相浸沒式液冷。Gils等人對Novec7000工質在18650電池熱調節中的應用進行了研究，包括熱均勻性和降溫效果。兩相浸沒式液冷系統本質上是基于內部沸騰原理，其冷卻效率取決于工質在沸騰過程中所處的狀態。圖4展示了氟化液池內的沸騰曲線，應盡可能使沸騰發生在充分發展階段，此時系統具有較高的沸騰效率。
Giammichele等人采用Novec7000工質直接冷卻18650電池，測試了3種不同放電倍率下的電池熱響應。Hirano等人通過實驗研究了Novec7000工質對軟包鋰電池的冷卻效果，并在10組電池之間加入泡沫金屬增強換熱，同時和空氣冷卻做了比較。空氣冷卻工況下，10C放電倍率時電池溫度達到80℃，20C放電倍率下電池溫度可達到90℃。在沸騰換熱作用下，電池溫度始終保持在35℃以下。Wu等人提出了一種基于Novec7000工質的沸騰冷卻系統來管理20A·h大型軟包鋰離子電池的溫度。實驗結果表明，在靜態模式下，該系統具有優異的降溫和改善整個模塊內部溫度均勻性的能力，在4C放電倍率下也是如此。通過采用間歇流動模式，可將溫度峰值和最大溫差分別控制在36°C和2°C以下。Wang等人設計了基于HFE-7000換熱介質的電池熱管理系統（60節18650電池），換熱介質的強制對流在控制整個電池模塊溫度方面起到了主導作用。當換熱介質的入口速度為0.3m/s時，電池溫度在5C放電倍率下可保持在35.1℃以下。而電池與電池之間主要是兩相沸騰和局部擾動起到主導作用，電池與電池之間的溫差不超過3.71℃。可以看出，在兩相浸沒式液冷系統中，同時存在單相浸沒式液冷的傳熱行為，使得其具備對流和沸騰耦合換熱特性。
Li等人提出了基于沸點為33.4°C的SF33的浸沒式液冷系統，并將其與強制空氣冷卻（FAC）系統在不同放電倍率和動態負載條件下進行了比較。結果發現，即使在7C放電倍率下，浸沒式液冷系統也能夠把電池溫度控制在34.5°C以下。Goodarzi等人采用R141b制冷劑作為換熱工質實現兩相浸沒式電池冷卻。研究結果表明，增加制冷劑的填充量、降低電池倉的壓力可降低電池組的最高溫度，減小電池之間的溫差和電池內部的溫差；而室外溫度升高會導致電池組的最高溫度升高。相變過程中的高潛熱吸收使電池組的最高溫度下降。近些年，隨著國產冷卻劑的發展，其在電池冷卻中也得到廣泛應用。Li等人提出了基于ENASOLVFS49（沸點為49℃）的新型電池熱管理系統，如圖5所示，測試了電池組在快速充電條件下的溫度響應，并與空氣冷卻方式進行了對比。結果顯示，浸沒式液冷系統具有良好的散熱效果，在2C和3C充電倍率下電池組的峰值溫度分別降低7.7℃和19.6℃，且相應消耗能量分別僅為空氣冷卻方式的14.41%和40.37%。
為進一步提升冷卻液的性能，有研究者將多種冷卻劑混合使用。Wang等人采用R1233ZD(E)/乙醇混合冷卻工質進行浸沒式液冷實驗研究，并分析了不同放電倍率、不同R1233ZD(E)填充率和不同入口速度下，壁面沸騰和強制對流耦合作用對電池換熱的影響。研究結果表明，當低沸點的R1233ZD(E)混入到乙醇中時，壁面沸騰換熱得到有效加強，使得電池模塊的溫度均勻性提高了57.0%。此外，R1233ZD(E)的體積分數影響沸騰換熱效率；而液相強制對流換熱則在降低電池模塊溫度方面起主導作用，并隨著制冷劑入口流速的增大強制對流換熱作用增強。表1總結了鋰電池浸沒式液冷系統部分常用冷卻液的物性參數。無論是單相還是兩相浸沒式液冷系統，在關注熱物性參數之余還應考慮環保評價參數，如臭氧消耗潛能值（ODP）和全球變暖潛能值（GWP）。
1.3 模擬研究
近些年，許多研究者嘗試通過數值模擬（如Fluent、COMSOL軟件等）對浸沒式液冷系統進行優化與性能研究。Jithin等人利用數值模擬比較了去離子水、礦物油和工程流體（AmpCoolAC-100）在浸沒式電池熱管理中的降溫效果。結果表明，所有冷卻工質均能有效控制鋰電池的溫度，具有良好的均勻性。高比熱容和導熱系數及低黏度的冷卻介質有助于獲得更好的降溫效果。Al-Zareer等人采用COMSOL模擬計算了圓柱形電池的間距對池內沸騰換熱的影響，結果發現減小電池間距會提高電池的最高溫度，但會提高電池表面溫度的均勻性。因此，在設計浸沒式液冷系統時應考慮電池的間距和排列方式。
Al-Zareer等人采用COMSOL軟件模擬計算了方形電池和圓柱形電池在池內沸騰中的散熱效果。研究結果表明，浸沒式液冷更適用于圓柱形電池，當冷卻液填充量為30%時，電池的最高溫度可降低18.6℃；而方形電池則更適合使用冷板換熱方法，使冷卻液在金屬板內流動。
Dubey等人采用Fluent模擬研究了浸沒式液冷與冷板液冷技術的冷卻性能。研究發現，在低放電倍率下，2種技術的換熱性能相近；而在高放電倍率下，浸沒式液冷具有更好的換熱效果。此外，提高換熱介質的流速可以改善電池溫度的均勻度。Amalesh等人采用Fluent數值模擬研究了液體冷卻、空氣冷卻、相變材料（PCM）冷卻、混合冷卻（結合液冷和PCM冷卻）在10A·h電池組快速充放電過程中的熱響應。研究結果表明，8C放電倍率下，采用液冷劑STO-50的浸沒式系統具有最優的散熱效果，能夠始終將電池溫度控制在40℃以下。Tan等人提出了一種采用氫氟醚（HFE-6120）作為冷卻液的新型冷卻系統，并通過Fluent模擬對其關鍵參數進行了數值分析。結果表明，使用HFE-6120冷卻劑的直接液冷系統可以將最大溫差和溫度標準差分別減小18.1%和25.0%。
目前，越來越多的研究者采用模擬軟件對浸沒式液冷的熱設計方案進行研究，以期獲得最佳換熱效果。Han等人利用Fluent模擬了不同形狀（圓形、矩形和三角形）的散熱片對浸沒式液冷電池換熱效率的影響。結果顯示，在各種散熱片結構下均可實現電池組的對稱溫度分布和較好溫度均勻性。與基礎結構相比，圓形、矩形和三角形散熱片結構使電池組最高溫度分別降低了2.41%、2.57%和4.45%，其中三角形散熱片結構表現出最佳散熱效果。SureshPatil等人模擬研究了在浸沒式液冷條件下添加擾流板對換熱效果的影響。研究結果表明，在3C放電倍率下，與空氣冷卻相比，浸沒式液冷能夠將電池組的最高溫度降低46.8%，而添加擾流板后可進一步降低9.3%。Zha等人通過模擬研究了完全浸沒式液冷和噴淋液冷2種方式的冷卻效果。結果表明，在560mL/min冷卻劑流量下，噴淋液冷的冷卻溫度比完全浸沒式液冷降低3.9℃。
盡管已有不少研究者基于商業軟件對浸沒式液冷系統的性能進行了研究，但在模擬過程中往往采用簡化的電池模型，較少考慮電池內部的化學反應與產熱之間的耦合影響，從而降低了模擬的精確度。此外，在模擬兩相浸沒式液冷時，即池內沸騰換熱時，使用商業軟件通常難以準確描述如此復雜的換熱過程，進一步影響了模擬結果的精度。
1.4 系統評價方法
作為電池熱管理技術的一個主要類別，國內外對浸沒式液冷技術已有不少研究。然而，對于各種類型的浸沒式液冷技術的評價標準還處于探索階段。Xu等人綜述了鋰離子電池液冷系統的系統性評估和比較方法，提出了多目標優化方法的通用框架用于設計電池熱管理系統（BTMS），并對各種類型的液冷BTMS進行了統一和全面的評估。最后，重建和數值模擬了幾個典型的基于液冷的BTMS，并通過5個指標（溫度均勻度、最高溫度、壓降、配件質量占總系統質量之比、成本水平）進行了綜合評估。
熱管理系統對電池的性能、安全和壽命的影響不容忽視。Koster等人對2個相同的18650電池組采用空氣冷卻和浸沒式液冷系統進行了耐久性實驗。研究表明，在浸沒式液冷系統中，電池組各單元之間的最大溫差為1.5℃，而空氣冷卻系統中的溫差可以達到15℃。浸沒式液冷的均勻化電池溫度分布使得電池在600次循環后，電池容量的衰減比空氣冷卻減少3.3%。
冷卻液的兼容性是另一個不可忽視的評價因素。Li等人對5種碳氟化合物基冷卻液（HFO-1336、BTP、C6F-ketone、HFE-7100和F7A）與電池的兼容性進行了研究。研究結果表明，無論是在冷卻效果還是在電池健康狀態方面，直接液體冷卻方法均優于自然空氣冷卻方法。對于低沸點冷卻劑，液體/蒸汽兩相冷卻比高沸點冷卻劑的單相冷卻具有更強的熱控制能力。通過熱失控抑制實驗可以得出結論：基于氟碳化合物的直接液體冷卻技術能夠有效地抑制或避免電池發生熱失控現象。除了碳氟化合物BTP冷卻液，所有其他類型的冷卻液都與電池具有良好兼容性。
在BTMS設計中，考慮到多維特性，對于各種類型的基于液冷的BTMS采用多樣化的評價標準至關重要。因此，實現全面挖掘整個系統性能所需的多目標優化設計是必不可少的。然而，在當前研究中，多目標優化過程和統一評估體系仍需要進一步完善和總結。
2 行業趨勢
近些年，浸沒式液冷技術在電動汽車和儲能工業界得到了不少應用。Ricardo公司展示了一種浸沒式電池熱管理模塊，實現了高達3.9C的充電倍率。研究發現，該方法可以保證電池溫度控制在30℃左右。與間接冷卻的冷板相比，浸沒式液冷在模塊層面可降低8%的成本，在車輛層面可降低6.5%的成本。這主要歸功于幾個因素，其中最重要的是通過減小銅母線厚度節省了成本。浸沒式液冷電池已經開始應用于高端豪華跑車中。邁凱倫公司首次在Speedtail跑車上采用了浸沒式液冷電池技術。Speedtail總輸出功率可達775kW，而電池組的功率密度僅為5.2kW/kg。奧迪和奔馳分別于2019年和2021年推出了適用于自家超級跑車的高性能（兩相浸沒式液冷）電池組。特斯拉申請了一個名為“電池冷卻劑外套”的專利，描述了一個具有集成框架結構的電池模塊，以容納被冷卻液浸泡的電池單元。國內方面，安徽新寧能源科技有限公司在其一個關于電池模塊的專利中采用了浸沒式液冷來提高電池的散熱效率和安全性。2023年3月6日，全球首個浸沒式液冷儲能站——南方電網梅州寶湖儲能站正式投入運營。浸沒式液冷技術大多集中于工業界的會議演講和網絡討論上，各組織都在該領域擁有知識產權，然而尚未將其發表于科學文獻中。
3 結論與展望
隨著電動汽車和儲能行業的快速發展，解決儲能電池的安全問題已成為當務之急。本文綜述了浸沒式液冷電池熱管理技術，包括單相和兩相浸沒式液冷的相關研究及行業趨勢，得出以下結論：
（1）適合做浸沒式液冷的冷卻劑包括氫氟醚、碳氫化合物、酯和硅油等。較低的黏度和密度及較高的導熱系數和比熱容有助于提高液冷效率。3M公司的Novec系列氟化液在電池熱管理中得到了廣泛的應用，碳氫化合物基冷卻劑也具有良好的應用場景。然而，仍需重視冷卻液對電池及相關電子元件的腐蝕性，并進行長期觀察監測。
（2）相較于單相浸沒式液冷系統，兩相浸沒式液冷系統具備更優異的換熱效率。兩相浸沒式液冷的散熱性能隨溫度非線性變化，在設計過程中應避免使沸騰處于過熱狀態。此外，在考慮換熱過程時還需將電池內部的化學反應與外界溫度變化耦合起來進行深入研究，以獲取更準確的模擬結果。
（3）目前尚缺乏綜合考慮電池熱管理系統多維特性評價指標方面的探討。現有指標主要集中在對熱響應狀態的評估上，并未充分考慮到冷卻液對電池壽命的影響及其與電子元件之間的兼容性。
盡管電子設備的液冷技術研究已有幾十年歷史，但其在電池熱管理領域的應用時間并不長，并未得到廣泛商業化應用。因此，電池浸沒式液冷技術的應用發展需要持續探索實踐，同時也面臨著多種問題和挑戰。以下可能是未來電池熱管理液冷研究的發展方向：
（1）目前已有的換熱介質生產技術均掌握在歐美國家，例如3M公司的Novec系列。自主開發高效冷卻液是我國解決浸沒式液冷技術研究中的重點，是重要的“卡脖子”關鍵技術。
（2）開發結構簡單、壓力可調的兩相浸沒式液冷系統，通過監測電池狀態，實時調整電池包內的壓力來調節換熱效率；同時應考慮電池安全性，當電池受到破壞時，冷卻液能夠起到防止熱失控的效果。
（3）研究浸沒式液冷對不同鋰電池壽命的影響，了解低溫性能；研究浸沒式冷卻系統的長期材料兼容性和穩定性、安全性和冷卻液材料的可持續性。