锂离子电池作为我们生活中不可或缺的产品,从手机、电脑再到电动汽车都有它的身影。前段时间的iPhone15系列机型发布,就被网友怒喷发热严重。其实这背后的缘由是iPhone手机在热管理方面的缺陷,散热技术不够。
相比于电子科技类产品发热最厉害的芯片,电动汽车的发热部件是动力电池。因此,对动力电池热管理技术的研究是电池厂商以及车企而言都是最至关重要的项目之一。
散热技术最原始的方式是空气散热,而空气散热又分为两种:主动散热和被动散热。不论是主动散热还是被动散热,都是利用空气带走热量。被动散热相对而言最简单,主要设置进气口、通风路线和出气口,车辆在行驶时由空气与电池接触从而带走热量。
但是被动散热最大的弊端在于散热效率不够,一旦电池输入/输出功率更大发热增加,效果微乎其微。再比如说充电的时候车辆没有行驶又如何散热?因此,主动散热就通过增加风扇等设备吸进空气来加强空气流动性,提高散热效果。
比空气散热效果更好的是液冷技术,通过分布在电池里面或者表面的冷却液管道对动力电池进行热交换,散热更高效。液冷散热通过将冷却液管道或者冷却板(内部有冷却液)直接放置在动力电池里面,再通过相关部件使冷却液进行流动带走电池里面热量。
不过液冷散热的关键也是直接影响到动力电池散热效果的点,在于冷却液管道的设计、铺设以及冷却液流动方向,只有合理地形成回流通路并且实现均匀散热,才能确保动力电池整体散热保持在匀温的水平,不会出现一部分温度过低一部分温度过高进而影响电池健康。
例如包括特斯拉在内的多家新能源汽车的动力电池,都是在电池包内部使用的蛇形冷却管路,能够有效增加冷却管与电池的接触面积来提高冷却效果。
近年来有一种新兴的被动散热方式——相变材料散热技术。相变材料是一种冷却材料,在发生相变时能够吸收或释放大量的热量,还可以保持恒温控制周围的温度。我们生活中最常见的相变材料非水莫属,当温度低至0°C 时,水由液态变为固态(结冰放热);当温度高于0°C时水由固态变为液态(溶解吸热)。
基于相变吸热原理将相变材料运用到锂电池组中可以在一定程度上完成降温冷却,但相变材料本身仅仅是一种储热或者吸热的物质,自身无法对任何物质进行散热,因此还需要加入一些材料提高导热性,通过其他方式如空气散热、液冷散热将相变材料所吸收的热量散去。也就是说相变材料散热技术,其实能够更好的起到空气散热或者液冷散热技术的辅助作用,最大化发挥散热效果。
除了以上三种散热方式,还有一种主动式冷却技术——热电冷却,一种利用半导体材料的珀耳帖(Peltier)效应实现制冷或加热的能量转换技术。当接上直流电源后,热电制冷器件的一端热量会被吸收从而温度降低,而另一端的温度同时升高;另外,此现象是完全可逆的,只要改变电流方向,就可以使热量向相反的方向转移。
热电冷却技术优势很明显,无需制冷剂、低能耗、低噪音,但是若单独使用则冷却效率不高,用到动力电池上需要结合其他冷却技术才能发挥最大效率。
目前,不少公司基于热电冷却技术开发动力电池热管理系统,使用复合相变材料与热电半导体芯片相结合的方式,将热电半导体芯片嵌于电池箱体侧面,复合相变材料嵌于方形单体电池之间,以此解决电池热管理系统中单体电池的均温和快速冷却的问题。
空气散热技术作为最经典的技术,目前已经没办法满足动力电池散热的需求,已经被液冷技术所取代,液冷成为目前最为成熟且广泛应用于动力电池的冷却技术。但是随着电池热量、电池功率、充电速度的提升,液冷也会逐渐不足以满足电池的散热需求。
因此,新兴的相变材料散热技术与热电冷却技术具有很大潜力,不过都需要与其他技术相结合才能发挥出最佳效果。目前,没有绝对优质的散热技术,未来的技术趋势会以结合多种散热技术来满足多种的散热需求。