通过部分直接液体冷却延长电动汽车电池寿命：一种新型热管理策略

《World Electric Vehicle Journal》：Extending EV Battery Lifespan Through Partial Direct Liquid Cooling: A Novel Thermal Management Strategy

　　

本研究提出了一项实验评估，探讨热管理策略如何影响锂离子电池模块的退化动力学。为增强系统级的温度控制，研究人员开发了一种新颖的部分直接液体冷却（Partial Direct Liquid Cooling，DLC）配置，在电池表面与介电液之间建立了直接物理接触。通过与当前电动汽车中的基准技术——传统间接液体冷却（Indirect Liquid Cooling，ILC）进行严谨的对比分析，验证了所提出的DLC设计在减缓电池老化方面的有效性。实验数据表明，所提出的部分DLC策略显著增强了电池系统的热控制能力，使其在相同的电热应力条件下保持在最佳温度范围内。除了提供比传统策略更高的热管理控制外，对测得的容量衰减趋势进行线性外推显示，电池耐久性预计提高67.4%，凸显了所提出的部分DLC策略在显著延长系统寿命和承受极端运行条件方面的潜力。此外，ILC子系统出现了严重退化，内阻增加24%，而所提出的部分DLC系统则表现出显著的韧性，保持稳定的电阻特性。这些发现验证了所提出的部分直接液体冷却策略作为电动出行应用中高性能热管理解决方案的技术可行性。

电动汽车（Electric Vehicle，EV）的全球普及被视为减少高能耗城市中心温室气体排放的关键路径。在EV中，锂离子电池（Lithium-Ion Battery，LiB）因其高比能量、低自放电率和长循环寿命而成为主流的车载储能装置。然而，LiB对运行条件高度敏感，尤其是温度、电荷状态（State of Charge，SOC）和电流倍率（C-rate）等参数，它们通过耦合的电化学-物理退化机制加速电池容量衰减和内阻增长。温度是决定LiB老化速率的核心因素：最佳工作温度窗口为15–35°C。超出该窗口，高温会以类阿伦尼乌斯方式加速阳极表面固体电解质界面（Solid Electrolyte Interphase，SEI）膜的增厚，不可逆地消耗可循环锂并阻碍固态离子传输；低温则增加电解液粘度、降低石墨晶格中锂的扩散速率，充电时易诱发析锂，进而引发枝晶生长和热失控风险。因此，有效的电池热管理系统（Battery Thermal Management System，BTMS）对于保障电池安全包线和服务寿命至关重要。

当前车用电动力系统的主流热管理策略为间接液体冷却（Indirect Liquid Cooling，ILC），其采用铝冷板配合高导热换热流体。然而，ILC架构存在固有局限性：电池高压电芯与导电冷板之间需要电气绝缘，引入了包括导热界面材料（Thermal Interface Material，TIM）和模块结构性外壳在内的多层界面热阻网络，严重制约了有效传热容量，使系统难以在严苛工作条件下同时满足高性能输出和长寿命需求。为克服ILC的缺陷，直接液体冷却（Direct Liquid Cooling，DLC）策略渐受关注。DLC利用介电液与电芯直接接触，消除了多层界面热阻，从而显著提升电芯级散热能力。其中，全浸没式冷却虽控温能力优异，但所需介电液体积大、粘度较高，会导致系统泵功耗和重量显著增加，降低电芯组级别的净能量密度。

为协调直接接触散热效率与系统质量之间的矛盾，研究人员提出了本论文的核心创新——部分DLC策略。该策略将介电液仅引导至电池电芯表面经优选的局部高热流密度区域，其余表面保持干燥结构边界，从而在保留直接液体冷却传热优点的同时，最大限度减少冷却液用量和泵送能耗。前期工作中，研究人员已在电芯级原型上验证了该架构的可行性和热可扩展性，并在第38届国际电动汽车研讨会暨展览会（EVS38）上汇报了初步循环测试结果。本研究是上述会议工作的延伸，旨在通过模块级长期老化对比实验，直接量化不同冷却策略对电池模块老化轨迹的影响。

为系统评估部分DLC策略对电池寿命的改善程度，研究人员构建了两个基于相同电芯的电池模块：一个为采用部分DLC的六电芯原型模块（3s2p电学配置），另一个为商用的二十四电芯ILC模块（12s2p配置）。两者在同一CTS CS-40环境箱中，定义了相同的热边界条件（环境温度及流体入口温度均为20°C），施加完全一致的180 A电流充放电工况（1.5C/1.5C倍率，80%放电深度，DOD），并连续运行约1000次循环。研究人员在每140次循环后执行标准检查程序，通过三次1C倍率充放电循环测定模块容量，并利用60 s脉冲结合欧姆定律估算模块内阻。为保证两冷却策略间液压工况的可比性，研究人员以泵功耗相等为准则，通过测得ILC冷板在1.3 L/min流量下的0.50 W压力损失，折算至单电芯功率后确定部分DLC系统等效流量为1.45 L/min。测试期间，研究人员利用K型热电偶实时监测模块温度分布、流量计和压力变送器记录液压参数，并通过控制器局域网络（Controller Area Network，CAN）协议进行同步数据采集。

本研究得到的关键结果如下。

热性能演化：在老化测试初期和末期，ILC模块的平均温度从44°C升至46°C，最高温度由50°C升至53°C，模块内电芯间温差由4.5°C扩大至6°C，表明ILC策略在电芯间产生了不可忽略的不均匀热分布，且退化程度本身也随循环而加剧。相反，部分DLC模块在整个1000次循环期间平均温度稳定在27.5°C，最高温度维持在34°C，且电芯本体峰值温度的最大波动仅为0.8°C，始终处于最优工作温度范围内，体现出显著优于传统策略的温度均匀性和循环稳定性。

内阻演化：相对内阻增长率计算结果（R_relative,n = R_n / R₀）显示，ILC模块在1000次循环后内阻上升了24%，且其增长并非严格线性——早期（0–467次循环）增长较缓，之后增速加快。相反，部分DLC模块的内阻保持平坦，甚至较初始值轻微下降约2%。内阻增长会加剧焦耳热效应，进一步劣化温度控制能力，增加电池过热与热失控风险，并加速电极及电解质等内部组件的退化。

容量演化：模块级容量数据（C_relative,n = C_n / C₀）显示，经过约1000次循环，ILC模块容量保持率降至约91%，而部分DLC模块仍保有约94%的初始容量。以容量衰减至初始值的80%（即寿命终止，End of Life，EOL）为判定基准，线性外推结果显示：ILC系统在指定严苛热工况下的估计寿命为1995次循环，而部分DLC系统为3340次循环，耐久性相对提升67.4%。其中DLC线性拟合方程SOH = ?5.989×10^?3·Cycles + 100（R²=0.95，95%置信区间2834–4115次循环）；ILC方程SOH = ?1.003×10^?2·Cycles + 100（R²=0.98，95%置信区间1827–2207次循环）。需要指出，上述EOL数值是基于约1000次实测循环的线性外推结果，应被视为寿命延长潜力的估算而非实验证明值。

在讨论部分，研究人员指出，部分DLC策略通过最小化冷却液体积来降低初始成本，并使系统集成到标准车辆维护周期中成为可能。基于烃类的介电液具有良好的介电强度和与标准电芯封装及密封材料的相容性，突出了其实用可行性。同时，该策略在不增加泵功耗的前提下实现了更优的热管理控制，并显著减缓缓了电芯退化。然而，本对比中ILC模块是包含24个电芯的商用子系统，而部分DLC原型仅含6个电芯，两者在电芯压缩力、电气配置以及电芯间热交互方面存在固有差异，这是模块级概念验证研究的已知限制，未来需在匹配的代表性尺度上进行验证。

论文发表于《World Electric Vehicle Journal》。综合上述实验证据，研究结论如下：一、在完全相同的高性能工作工况下，所提出的部分DLC策略提供更快、更精准的温度控制，系统平均温度为27.5°C，最高温度为34°C；而ILC电池模块的平均温度和最高温度分别达到44°C和50°C，显著差异凸显了部分DLC策略卓越的热管理能力。二、所提出的基于DLC的策略在1000次循环严苛运行条件下可将电池系统温度波动控制在+0.8°C以内；相比之下，基于ILC的模块电芯温度上升达3°C，表明该策略在整个运行寿命期内比传统ILC策略实现了更均匀的电芯热管理。三、基于烃类的介电液因其介电强度以及与标准电芯封装和密封材料的相容性，其实际应用已被论证为可行的；通过部分DLC策略最小化流体体积可降低初始成本，并能集成到标准车辆维护计划中。四、基于实测容量衰减趋势的线性外推，所提出的部分DLC策略预计相比ILC基准系统可使电池系统寿命延长约67.4%，表明该策略即使在严苛运行条件下也能通过将电池温度维持在最适工作范围内有效延缓电池系统老化。五、ILC子系统出现严重退化，内阻上升24%（平均每140次循环约增加4%），而DLC系统在相同的电热应力下保持了平坦的电阻特性，表现出显著的韧性。六、通过在不增加泵功耗的前提下提供优越的热管理控制并减少电芯退化，该方法代表了一种有说服力的传统策略替代方案，在电动汽车应用中具有广阔前景。