DOI Link:
https://doi.org/10.1016/j.rser.2024.115268
Googlescholar:
https://scholar.google.com/citations?user=2CyIGzcAAAAJ&hl=en&oi=ao
ScienceDirect:
https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=26422988300
UniversityWeb:
https://www.rmit.edu.au/profiles/k/hamid-khayyam
3. 收录日期
1. 科学问题
如何优化浸没冷却技术以提高电池热管理效率、抑制热失控、选择合适的冷却液，并确保其长期稳定性与成本效益。
GA
2. Review 背景
2.1 引言与背景
电动车（EV）通过减少碳排放及实现回收、减少和再利用，促进了循环经济。
欧盟电池立法支持循环经济，确保电池经济贡献。
多项研究致力于构建循环经济模型，推动低碳经济向EV的转型。
EV市场销售增长迅速，2023年预计同比增长35%。
锂离子电池因其高比能量、低自放电率、长寿命和高转化率，成为储能的首选。
2.2 关键问题
1. 技术挑战
EV面临成本、寿命、充电时间、能量密度、安全性及可靠性问题。
快速充放电导致电池发热和寿命缩短，要求更优的冷却系统。
电池性能在15 °C–35 °C温度范围内最佳，温差需控制在5 °C以内。
2. 政策与市场发展
大部分政策针对轻型车辆，混合动力汽车（HEV）及插电式混合动力汽车（PHEV）通过电池降低油耗及排放。
2022年，27个国家签署协议，计划2040年实现中重型车辆100%零排放。
3. 电池热管理系统（BTMS）
BTMS确保安全运行、延长寿命并防止热失控。
主动与被动BTMS（如空气、液体、热管及相变材料）可有效控制锂离子电池温度。
浸没冷却（IC）因其高传热效率成为更优选择，可直接接触冷却液，减少热阻，提升温度均匀性。
2.3 实际应用
浸没冷却系统（IC）的优点包括高传热效率、良好的温度均匀性及更高的热稳定性，已引起EV制造商的关注。
关键改进方向包括选择合适的介电冷却液及应对快充、长寿命和热失控条件下的热效应。
3. 研究结果
3.1 快速充放电中的挑战
Fig. 1
2023年和2024年不同车型的最大直流充电功率的增长情况。
充电产生的热量会降低电池性能，并可能导致热失控。
Fig. 1. Market trends for high power charging (peak values) for years 2023–2024.
1. 热量生成（Fig. 2）
锂离子电池在充放电过程中，通过化学反应和电荷转移产生热量：
可逆热由熵变化产生，不可逆热由焦耳效应和化学反应引起，占比超过70%。
热量生成与充放电速率（C-rate）、电池状态（SOC）范围及循环温度密切相关。
如果热量不能迅速散失，电池会因发热导致退化。
2. 电池退化（Fig. 2）
电池性能下降主要由内部物理或化学副反应引起：
固体电解质界面（SEI）增厚及裂缝加剧，导致锂离子损失和电解液分解。
电极结构破坏、材料相变及活性物质溶解加速电池老化。
高放电电流引发体积变化及相变效应，例如锰酸锂电极的Jahn-Teller畸变。
非线性老化常见于快速充电环境，由于SEI形成显著降低电池容量。
3. 温度影响（Fig. 2）
温度是电池老化的主要因素：
高温加速SEI生长及电池容量损失，遵循Arrhenius定律。
低温限制锂离子插层动力学，并可能导致锂沉积和容量降低。
高温会引发SEI分解、相变及电解液降解；低温下电池容量和功率显著降低。
长时间高温操作（如55 °C）会加速电池老化，电池寿命显著缩短。
4. 热失控（Fig. 3）
热失控（TR）是电池最严重的故障形式，由过充、内部短路或机械损伤引起：
SEI分解、再生及电极-电解液的氧化还原反应产生连锁热反应。
温度达到90 °C后，链式反应引发温度快速上升；120 °C时电解液开始分解，产生大量热量。
聚烯烃隔膜熔化引起热收缩及短路，进一步加剧热失控。
热失控可能因快速充电或环境温度升高而触发，甚至在低于临界充放电速率下发生。
Fig. 2. Heat generation and degradation in Li-Ion Cells
3.2 电池热建模的进展
1. 电池热性能建模（Fig. 4 (A)）
(1) 简单热模型特点：
利用能量平衡方程预测电池热量产生。
忽略极化和其他电化学特性，实验中通常通过恒定充放电速率测定终端电压、开路电压温度导数及SOC。
(2) Bernardi模型：
提供一个能量平衡方程，包含不可逆焦耳加热和可逆熵变两部分。
电化学热模型包含多个电阻-电容元件，以分析电池化学反应中的极化效应。
2. Thevenin模型（Fig. 4 (A)）
(1) 特点：
通过在Rint模型中引入两个并联RC网络，构建二阶Thevenin模型。
UOCV表示电池开路电压，电阻则表示欧姆电阻。
(2) 优势：
提供对电池内部化学反应的极化效应更直观的理解。
3. 电化学-热模型（Fig. 4 (B)）
(1) 特点：
结合电化学与热模型，解释电池充放电行为。
模型包含集流体、正负极及隔膜，通过数值模拟提供精确结果，无需复杂实验。
(2) Newman伪二维模型：
模拟电解质与固体相的扩散效应及Butler-Volmer动力学。
模型热量影响热模型，并传递空间温度变化，实现模型耦合。
(3) 应用：
通过不同简化和维度的三种耦合模型，验证了其在电池热管理系统建模中的关键性作用。
Fig. 4. (A) Electro-thermal modeling for heat generation calculations; (B) Electrochemical-thermal model schematic diagram.
3.3 电动汽车热设计考虑
1. 电池热管理系统（BTMS）（Fig. 5）
(1)作用：维持电池的安全工作温度范围，确保可靠性。
(2)方法：主要包括主动冷却（空气和液体冷却）和被动冷却（相变材料和热管冷却）。
(3)液体冷却优先于空气冷却，因为其更能均匀化电池组温度。
2. 空气冷却（Fig. 5）
(1)优势：设计简单、占用空间小、成本低、易维护且无泄漏风险。
(2)分类：自然对流和强制对流。
强制对流通过风扇实现更好的温度均匀性，但增加了压力损耗、重量和能耗。
(3)局限性：
空气导热率低，导致冷却能力有限，适合低密度电池。
对于大容量电池需要更大的流道和风扇，增加成本和噪音。
3. 相变材料（PCM）冷却（Fig. 5）
(1)优势：
高潜热可在相变过程中维持恒定温度，确保良好的温度均匀性和低能耗。
(2)局限性：
导热率低，难以应对快速充放电产生的高热量。
自然对流下热量排放效果差，相变引起的体积膨胀也是一大挑战。
(3)解决方案：
结合主动冷却或加入导热添加剂（如膨胀石墨）提高热导率。
4. 热管冷却（Fig. 5）
(1)优势：
热管的高导热率和相变能力适用于多种热管理应用。
不同类型（如管状、平板、振荡式等）可满足不同需求。
(2)局限性：
热管昂贵且结构复杂，铜材增加体积和成本。
最大传输能力及热管数量优化是设计的关键难点。
5. 间接液体冷却（Fig. 5）
(1)优势：
冷却液通过冷板与电池换热，提供比空气和PCM更好的散热和温度均匀性。
(2)局限性：
冷却通道材料的热阻和电绝缘涂层限制其性能。
系统复杂度高，占用空间大，建设和维护成本较高。
冷却液（如乙二醇/水混合物）泄漏风险可能导致短路问题。
(3)挑战：无法在高应力条件下保持温度均匀性和安全工作温度范围，对快速充电应用形成障碍。
Fig. 5. Battery thermal management system technologies
3.4 电池浸没式冷却作为电动车技术的下一次革命
1. 单相浸没冷却
(1) 原理与特点（Fig. 6, Fig. 7）
单相浸没冷却通过非导电介电液体与电池直接接触，减少了热阻并提高了热传递效率。其低压降设计降低了能耗，并能显著提升电池的温度均匀性和安全性。
Fig. 6. (A) Schematic diagrams of single-phase immersion cooling; (B) Schematic diagrams of two-phase immersion cooling
Fig. 7. Single-phase immersion cooling process mechanisms and heat transfer characteristics.
(2) 全浸没冷却（Fig. 8, Fig. 9）
研究表明，单相浸没冷却在4C放电率下吸收了53.8%的热量，显著降低了最高温度。
实验显示，与间接冷却相比，浸没冷却的温度下降了52%，并且压力损失减少了92%。
数据表明，在快速充放电条件下，浸没冷却将最高温度降低到27.3 °C，优于空气冷却。
多种介电冷却液如FC-72、HFE-7100和矿物油均表现出显著的温度均匀化效果，在不同放电率下能有效控制电池的最高温度。
Fig. 8. Schematic diagram of single-phase immersion cooling system setup
Fig. 9. Single-phase immersion cooling strategies
(3) 部分浸没冷却
工业开发的直接表面冷却技术利用不同高度的表面接触优化温控性能。
研究结果显示，去离子水作为介电液体时温差最低，并显著减少了流体的压力损失和功耗。
与完全浸没相比，部分浸没的降温效果较弱，但可以通过优化流量、流道设计等改善其性能。
2. 两相浸没冷却
(1) 原理与特点（Fig. 10, Fig. 11）
两相浸没冷却利用液体的蒸发潜热实现高效热传递。相比单相浸没冷却，其热传导系数更高，温度均匀性更好。
(3) 研究进展与应用（Fig. 12）
数据显示，两相冷却可在高充放电速率（10C、20C）下有效保持电池温度均匀性。
对比结果表明，两相冷却在10C放电率下可将最高温度控制在35 °C以下，而单相冷却则达到了65 °C。
实验结果指出，两相冷却在能耗上比空气冷却降低了40.37%，并显著提高了热传导效率。
进一步分析表明，增加气泡直径和分离频率能提高对流换热效率，优化冷却性能。
3. 关键总结
单相与两相浸没冷却均展现出显著的温度控制能力，但两相冷却在高C率和快速充电条件下的性能更为优越。
不同介电液体的性能对冷却效果有显著影响，可通过优化液体种类、流量和结构设计进一步提高冷却效率。
浸没冷却技术为电动车电池组的热管理提供了高效且可持续的解决方案，未来研究应进一步探索其实际应用潜力和经济性。
Fig. 10. (A) Two-phase boiling curve; (B) bubble diagram of LIB; (C) Temperature response at different C-rates; (D) boiling heat transfer schematic.
Fig. 11. Schematic diagram of two-phase immersion cooled BTMS.
Fig. 12. Dielectric thermo-physical properties.
3.5 浸没冷却的介电液体
1. 选择介电冷却液的关键因素
电气绝缘要求：浸没冷却需要非导电性，以防止液体与电池直接接触引发短路或故障。
热传导性能：较高的热导率有助于更快散热，降低功耗与冷却负载。
体积比热容：较高的体积比热容提升单位体积液体的热吸收能力。
粘度与能耗：较低的粘度减少流体摩擦，提高热传递效率，降低能量消耗。
环境友好性：低全球变暖潜值（GWP）与臭氧消耗潜值（ODP）。
2. 主要介电液体类型及其特性
(1)碳氢化合物
特点：应用广泛，适合单相浸没冷却；例如矿物油，具有高热传导效率和非易燃特性。
优势：与空气冷却相比，在相同功率条件下效率提升1.5~3倍。
典型流体：PAO（聚α烯烃）具备更高的抗氧化稳定性、热导率及耐温性，广泛用于电池浸没冷却。
(2)氟碳化合物
特点：热稳定性高、化学惰性强，适合快速充放电场景。
研究进展：HFO-1336、HFE-7100等新型氟碳化合物展现出低GWP、高防火能力，并被用于控制热失控。
挑战：高成本、潜在健康风险及回收处理问题。
(3)酯类液体
特点：可生物降解，低成本，高闪点，耐湿性优异。
应用实例：合成酯如Midel 7131具有较高AC击穿电压，抗氧化性能优于天然酯。
商业流体：MIVOLT DF7展示出低粘度、高降解性和极低浇点（-75 °C）。
(4)氢氟烯烃（HFO）
特点：多功能特性，可替代氟碳和氟醚，非易燃，零ODP和低GWP。
代表流体：SF33和SF49，沸点分别为33 °C和49 °C，适合快速充放电条件下的热管理。
(5)硅油
特点：阻燃、抗氧化、稳定性高，适用于需要长期耐用的冷却系统。
优点：低火灾风险、无毒无腐蚀，价格适中，具备良好的热和介电性能。
3. 关键总结
不同介电液体在热管理性能、环境友好性和适用场景方面各具优势。
研究需结合电池材料、热负载及环境要求选择最优冷却液。
HFO、酯类液体和氟碳化合物在未来浸没冷却电池组的热管理中展现出较大潜力。
3.6 探索浸没冷却的关键问题与未来方向
浸没冷却（IC）技术作为一种新兴的热管理技术，在快速充电和提高热效率方面表现出色。
像梅赛德斯-AMG C63和科尼赛克Regera等高性能车辆已应用此技术，且Koenigsegg Regera的800V电池系统比典型电动汽车的功率释放速度快10倍。
7.1. 电池组温度均匀化（Fig. 13）
单相浸没冷却：单相浸没冷却能够有效降低电池组的最大温度，保持在安全的工作温度范围内，并减小单体电池之间的温差。
高C-rate时的挑战：在高C-rate充放电过程中，电池组内的温度差异增大，难以维持温度均匀性，这影响了电池的长寿命。
温度均匀化方法：通过冷却流体流向和结构的优化可有效实现电池组的温度均匀性。通过U形表面冷却设计，显著降低了功耗并实现了27.72°C的最大温度和0.65°C的温差。研究：从上到下的流体流动方式可获得最优的温差（5.15°C）。
Fig. 13.
7.2. 介质液体相变对电池组的影响
两相浸没冷却的优势：两相浸没冷却利用液体-气体相变的潜热效应，有效稳定电池组温度。
冷却压力调节：冷却液的压力变化对相变过程和温度均匀性有显著影响，压力过高或过低均会影响电池组的散热性能。合理的冷却压力需低于电池安全阀压力。
未来研究方向：两相冷却系统需要优化相变过程的控制，避免从核沸腾到膜沸腾的相变，以保持最佳的热管理效果。
Fig. 14. Abusive test with different cooling techniques with a module of 9 cylindrical cells
7.3. 电池安全与热失控（Fig. 14）
热失控防护：电池的放热过程可能导致热失控（TR），浸没冷却技术能够有效防止热失控的传播。
介质液体的安全性：介质液体具有较高的击穿电压（通常大于30 kV），能够避免外部短路和电池损坏。与空气冷却相比，浸没冷却系统能更好地防止热失控的传播。
实验结果：浸没冷却系统（IC 1和IC 2）能有效防止热失控和热传播，尤其是IC 1使用PAO冷却液能抑制热传播，而IC 2在电池屏蔽上使用新型介质液体，无热失控现象。
Fig. 15. Ideal properties for battery immersion coolant.Fig. 15. Ideal properties for battery immersion coolant.
7.4. 浸没冷却液选择（Fig. 15）
冷却液的关键性质：选择适合的冷却液不仅要考虑热物理性质，还要考虑电阻率、电气耗散因子、介电常数等因素。
冷却液的环境与安全性：浸没冷却液应具备低毒性、化学稳定性、材料兼容性以及热稳定性等特性。
纳米流体的应用：研究表明，添加纳米颗粒（如Al2O3、TiO2等）可以提高冷却液的热导率，并改善电气绝缘性，提升冷却性能。
7.5. 浸没冷却液对锂离子电池的影响
材料兼容性：研究评估了浸没冷却液与电池构建材料之间的兼容性，发现无明显危害。研究表明电池在硅油中的操作未出现容量变化。
长期影响：虽然在密封条件下，浸没冷却液不会影响电池性能，但如果电池安全阀打开，冷却液渗入电池内部，会导致容量下降和性能衰退。
7.6. 介质冷却液老化与稳定性
老化研究：介质冷却液在使用过程中会发生老化，影响其电气绝缘性能和热物理特性。研究发现，矿物油的电气阻抗随时间下降，但仍在允许范围内。
液体污染物的影响：液体中的水分和杂质会降低冷却液的击穿电压，影响其绝缘能力。
7.7. 浸没冷却中的核沸腾
核沸腾机理：两相浸没冷却的热传导机制较为复杂，涉及气泡生长、共沸等非线性相互作用。研究表明，气泡合并可以提高热传递效率，增加热流密度。
气泡合并效应：研究表明，气泡合并可以提高热传递效率，改善冷却效果。
7.8. 浸没冷却的经济性
成本效益分析：尽管浸没冷却技术相对较贵，但与传统的空气冷却系统相比，具有更高的热效率和更低的生命周期成本。
降低成本的途径：通过大规模生产浸没冷却液和冷却系统，能够显著降低冷却液的成本，促进其在电动汽车中的应用。
未来发展：浸没冷却系统的成本和性能优势使其在未来电动汽车的热管理系统中具有巨大的发展潜力。
4. 重要结论
浸没冷却的优势：浸没冷却能有效降低热接触阻力，提高热传导效率，单相冷却适用于高比热容需求，双相冷却利用相变潜热增强热传导。
提升电池安全性：浸没冷却能抑制热失控，减少燃烧和爆炸风险，并限制热失控蔓延至邻近电池。
冷却液特性：浸没冷却液应具备非可燃、绝缘、低黏度等特性，确保安全与高效冷却。
双相浸没冷却效果：双相浸没冷却通过气泡生成和合并提高热传导效率，需进一步研究其在电池中的应用效果。
成本与效益：浸没冷却在成本、能源消耗和空间占用方面优于传统冷却方式，提升系统效率并减少基础设施需求。
