國外船用鋰離子動力電池冷卻技術分析

劉 歡，宋 強，胡棋威

應用研究

國外船用鋰離子動力電池冷卻技術分析

劉 歡1，宋 強1，胡棋威2

（1. 92578部隊，北京 100161；2. 武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

動力電池合理的冷卻可以有效提高效率并延長其使用壽命。本文綜述了鋰離子動力電池冷卻發展的關鍵技術，考察了國外多家船用電池冷卻技術的優勢和特點，著重梳理了船用鋰離子動力電池冷卻技術發展的當前動向，以期為船用鋰電池熱管理的實際應用提供一定的參考價值。

鋰離子動力電池 電池冷卻 船舶動力

0 引言

船舶電力推進領域用鋰離子電池具有大能量密度與大功率密度的特點，鋰離子電池成組使用時，結構緊湊，發熱嚴重，進而導致電池組一致性變差、過熱，甚至“熱失控”[1]。因而，鋰離子電池組冷卻技術是保障鋰離子電池成組后性能發揮與安全的關鍵技術。

DNV GL（挪威船級社）于2016年開始，逐步規范了適用于船舶的鋰離子電池規范，已較為全面的規定了船用鋰離子電池的安全性設計要求與檢驗方法。目前，多個電池系統集成商具備DNV GL認證的高安全性船用電池系統，船用鋰離子電池組冷卻多以傳統風冷、液冷為主。

1 鋰電池主要冷卻技術

1.1 風冷技術

風冷技術使用空氣作為冷卻介質，通過直接對流換熱降低電池組工作溫度，再由外部冷源對升溫后的熱空氣進行冷卻。風冷結構相對簡單、維護方便、研發及制造成本較低，但是缺點也很明顯，空氣比熱容小，對流換熱系數較液冷差距較大，所以風冷技術的冷卻效率較低[2]。

Wang[3]對比用不同的風扇位置、電池間距和電池在風扇上的位置直接吹風冷卻，認為采用頂部風扇，軸對稱立方體布置，25節電池間距為1 mm，冷卻效果較好。如不改變電池組整體布局，采用氣流射流強化散熱方案，并設計最優的送風模塊結構氣流組織形式，也可以滿足電池組終溫與電池模組溫度的均勻性要求[4]。另外，往復式空氣冷卻系統通過調節電池組兩側的閥門，周期性地改變空氣的流動，可減小空氣流動造成的溫度差并降低最高溫度[5]。Lin[6]關注電池冷卻表面的選擇，當鋁外殼厚度從0 mm變為1 mm時?？梢栽鰪娎鋮s效果，電池溫升降低67.5%。

1.2 液冷技術

液冷通常使用液體作為冷卻介質，例如水、乙二醇、乙二醇混合溶液以及制冷劑等，液冷介質比熱容大、換熱系數高，但泵、管道以及冷端散熱器的存在也降低了液冷系統的可靠性。液冷分為直接冷卻和間接冷卻，直接冷卻方式是指將電池模塊完全浸沒在絕緣液體當中，例如通過將電池浸沒在電介質流體中[7]，目前實際車船動力上應用較少，間接冷卻方式是指在電池組之間設置冷卻盤管或者液冷板。

冷卻流道參數及流程布置對液冷換熱效果有重要影響，冷卻方式既要保證電池控制在適宜的溫度范圍內，又要保證電芯間溫度差。借助 CFD 分析某新能源汽車電池組的液冷板換熱效果，將液冷板內部格柵結構改進為板翅式結構，結果表明，雖然系統內流阻略有增大，但換熱功率提高 11.36%[8]。針對液冷板提出4個設計方案，分析不同流道參數及流程布置對平均溫度和溫度均勻性的影響，試驗結果表明，為滿足液冷板流阻和表面溫度均勻性要求，S型逆流流程布置在溫度均勻性方面最優[9]。通過對某車用鋰離子電池仿真計算認為，冷卻通道入口存在明顯的高速渦流，冷卻液流動不均勻，電池組及電池單體的溫度均勻性較差，對冷板結構進行優化后分析，發現冷卻通道流場速度分布較均勻，進出口出現的高速渦流減弱，電池組的溫差減小，電池組的溫度一致性得到明顯改善[10]。

1.3 熱管冷卻技術

熱管是一種充入適當液體工質的密封空心管，通過液體的相變換熱，熱管可以在沒有外部動力的情況下達到極高換熱系數，并實現遠距離快速冷卻。具有結構緊湊、形狀靈活、使用壽命長、維護費用低等優點[11]。相比于風冷及液冷，具有無外部耗功、高換熱系數的優勢。

電池用熱管換熱大多處于研究及試驗階段，多采用重力熱管。對熱管內部流動換熱特性對熱管整體結構進行優化，趙蘭萍[12]對比了與圓孔平板熱管和方形孔平板熱管，認為方形孔平板熱管可實現更高平均傳質率，以及更更大的換熱介質流速。Ren[13]提出一種新型的U型陣列微熱管，不僅可以有效控制電池溫升，還能保證電池良好的溫度均勻性。Yuan[14]提出一種熱管/冷板耦合結構HP-CP（heat pipe-cold plate），該結構使熱管不直接浸沒在冷卻液中，實驗研究表明，能夠滿足高放電功率下的冷卻需求，當電池以2C速率放電時，在30℃環境溫度和進水溫度下，該冷卻結構依然可以保持最高溫和最大溫差的要求。

1.4 相變材料冷卻電池技術

相變材料基于相變吸熱的原理，利用 PCM（相變材料）在低溫狀態下的熔化、升華過程以吸收電池放出的熱量，降低電池箱體的溫度。冷卻效率介于空氣冷卻和液體冷卻之間，相比風冷和液冷技術，相變材料冷卻技術可以保證電池組的溫度均勻，避免局部熱點的出現，且不需要運動部件和消耗電池額外的能量。

Mousavi[15]設計一種新型冷板&混合微通道冷板，冷板內添加PCM（正二十烷），結果表明，恒定和脈沖加熱條件下，電池方向對冷卻性能有顯著影響。在恒定發熱條件下，電池最高溫度的時間平均值與主動冷卻相比，混合冷卻系統減少了10.35 K。

相變材料相變潛熱值大，可實現更多的換熱，過冷現象不明顯，相變溫度范圍大，但也存在相變材料導熱系數小、封裝困難和不能循環流動等缺點。所以，PCM技術用于動力電池的冷卻，仍需要進一步研究[16]。

表1 不同熱管理方式的比較[17]

2 國外船用鋰離子電池應用及冷卻方案

2.1 加拿大Corvus Energy

2.1.1第一代儲能系統AT6500系列

AT6500系列是Corvus第一代儲能系統，該系統采用Kokam三元NMC動力電池，電池系統儲能1.5MWh，采用電池架結構形式，以陣列結構裝載電池模塊。

早期AT6500模塊采用強制冷卻進行模塊冷卻，后期Corvus增加液冷型AT6500模塊，使最大可用輸出功率增加2.5倍。AT6500模塊重65 kg，尺寸為590×330×381（mm，LWH），重量能量密度接近100 Wh/kg，體積能量密度僅87.3 Wh/L。AT6500儲能模塊采用NMC三元電芯，但模塊能量密度和LFP體系相當，可見船用電池系統為了保證系統安全性，會犧牲大量空間體積，來設置安全組件，保證熱失控不傳播。

2.1.2 Corvus Energy船用電池模塊系列化產品

Corvus Energy對水下、水面領域的小型、中型、大型船舶全面覆蓋。每種型號分功率應用和能量應用。Corvus系列化電池Pack參數匯總如表2所示。藍鯨ESS針對大型船舶能量型應用，逆戟鯨（Orca）針對中型船舶功率型應用，海豚（Dolphin）針對小型船舶設計。

藍鯨ESS針對大型船舶能量型應用，單電池系統儲能規模達20～50 MWh，最大持續放電倍率0.5C，單電池系統儲能規?？蛇_50 MWh，最大持續倍率0.5C。采用了自然風冷技術，同時Corvus專利的電芯級熱隔離技術，可保證在不依賴主動措施下阻止電池間熱失控。

逆戟鯨（Orca）ESS具備大倍率輸出能力，最大持續放電倍率3C，單電池系統儲能規?？蛇_10MWh。從2016年起。根據功率需求不同，分別采用了強制風冷和強制液冷兩種冷卻方式。

海豚（Dolphin）系列適用于小型船舶，均采用的強制風冷。E型（能量型）能量密度在Corvus系列中最高，達176Wh/kg，采用模塊化設計，安裝方式較為靈活，可適應對重量敏感的小型船舶獨特電池艙室。P型（功率型）峰值倍率達6C，適用于速度較快的小型船舶。

表2 Corvus系列化電池Pack參數匯總

2.2 瑞典-德國Leclanché

Leclanché為目前世界上最大的純電動渡船E-ferry供應了電池系統，E-ferry裝載了4.3 MWh鋰離子電池系統，充電功率為3.9 MW，推進功率為2× 750 kW。

Leclanché M2電池模塊主體由32個電池單體、多個高分子材料電池框、鋁導熱板堆疊而成。利用鋁導熱板良好的導熱性能和較大換熱面積，電池單體熱量由模塊底部冷板通過液冷方式帶走。

表3 E-ferry電池系統各級參數表

2.3 德國Akasol

德國Akasol公司有30年生產鋰離子電池系統的經驗，AKA System 15 OEM PRC鋰離子電池系統，已裝配在意大利Cerri Cantieri Navali（CCN）的混合動力超級游艇Vanadis上。

2.3.1 Akasol AKR電池系統

AKARACK 50PRC電池系統設計為機架結構，可裝載12層電池包。每個電池包額定150 Ah，儲能6.6 kWh，可選擇采用銅管液冷結構或翅片風冷結構，對應電池包最大功率分別為10 kW和5 kW，殼體集成了隔熱防護層。

2.3.2 AkasolOEM PRC電池系統

15 OEM 37 PRC電池包由15個電池模塊串聯組成，每個電池模塊由12個37Ah三元材料方形電池串聯組成。每個電池包儲能25 kWh，平均電壓661 V，最大持續放電功率50kW，重量238 kg，尺寸1700×700×150（L×W×H，mm）。電池包采用底部板式液冷結構，整體冷卻電池組。電池包外殼采用不銹鋼材料，集成了多層隔熱防護層。

2.3.3 AkasolAKM POC電池系統

15 AKM 53 POC電池包由15個電池模塊串聯組成，每個電池包儲能35.3 kWh，最大持續放電功率60 kW。電池包采用微流道冷板結構，通過模塊級液冷方式冷卻電池單體。電池包外殼采用不銹鋼材料，集成了多層隔熱防護層。

2.4 美國XALT

美國XALT Energy生產的三元軟包鋰離子電池，已廣泛用于商用公交車和重型卡車。XRS-2是XPAND電池系統的機架結構。XRS-2采用液冷，機架上的主風道為每個模塊分配冷卻流體，液冷系統與熱失控煙氣排放通道集成設計，煙氣排放通道在模塊泄壓口處形成密封結構，確保在極端情況下安全的排出煙氣。

表4 Akasol系列化電池包參數統計表

XPAND電池模塊由48個63 Ah三元軟包電池2并24串組成，平均電壓88.8V，儲能11.1 kWh，尺寸為784×343.1×316（L×W×H，mm），重100.75 kg（含機架）。每個模塊背部設置有兩個煙氣泄放接口，模塊采用微流道冷板設置與兩兩電池單體之間，將電池熱量疏導至外部主流道。

圖1 XPAND電池系統與XRS-2機架結構

3 結果及分析

鋰離子電池在船舶動力中的應用目前仍在起步階段，傳統的強制風冷、液冷依然是主流散熱方式，在船用鋰離子電池組上廣泛使用。對比兩種散熱方式，風冷由于氣體傳熱固有劣勢，易存在散熱不均的問題，冷卻效果和溫差的控制較難滿足鋰離子電池大規模成組要求，電池單體溫度均一性難以得到保證，通過優化冷卻流道設計和電池模塊排列設計，可以有效增加冷卻器與電池的接觸面積，加大換熱系數，從而減小電池體積。

液冷目前多采用間接接觸式冷卻，在冷卻液與電池間插入一層具有高導熱率的換熱部件，通過換熱部件傳熱進行冷卻。該方式可根據實際情況調整換熱部件的材質、形狀、尺寸以及冷卻液的種類，但是對管道的密封性要求較高，使得整個散熱系統的結構比較復雜，維護不便，所以一般電池模塊的防護等級需要高于風冷，并且需要額外消耗能量來推動冷卻液循環。

針對船舶的使用環境，船艙溫度通常在0～40℃，較為適宜，另外船舶空間通?？梢詽M足大體積電池的安裝要求，這些對于選擇風冷具有一定實際適應性。對比國外的船用鋰電池的冷卻方式，體積比能和重量比能并不明顯影響冷卻方式的選擇，合理的風冷設計可以有效達到換熱要求，但當電池體積較小時，液冷更能實現溫度的均一性，另外考慮到船舶使用條件下冷端換熱時冷卻水易得的現實條件，液冷換熱在船舶體積較小，安裝空間較為緊湊時，可以作為小體積鋰電池冷卻的首選。

4 結語

電池熱管理系統的設計目標是可靠、安全、低能耗，以可控和穩定的方式對電池進行冷卻。隨著電池的能量密度逐漸增加。船舶實際用途、工作環境、不同系統的性能、經濟特性等因素對未來電池熱管理系統的發展更加重要。根據實際情況，可將相應BTMS開發成多個子熱管理系統的集成，綜合多種系統的特點，更好地將其推廣到實際應用。就國外的船用現狀來看，新型冷卻技術并未應用于鋰電池散熱中，包括熱管冷卻、相變材料冷卻以及基于熱管和相變材料耦合冷卻等，這些新型技術可以更好地保證電池組的溫度均一性，并有效避免局部高溫，新型冷卻技術與傳統冷卻技術的耦合應用也是鋰離子電池冷卻技術發展的方向之一。

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Analysis on cooling technology of marine Lithium-ion battery

Liu Huan1, Song Qiang1, Hu Qiwei2

(1. Troop 92578 of the Chinese People’s Liberation Army, Beijing 100161, China; 2. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM912

A

1003-4862（2023）10-0018-05

2021-09-13

劉歡（1991-），女，工程師。研究方向：電池冷卻。E-mail：liu_huan3@163.com.

宋強（1981-），男，工程師。研究方向：動力電池。E-mail：truman718@163.com