科技动态 | 海洋应用中的电池热管理

电池技术的发展产生了紧凑型储能系统，其输出的电压比以往任何时候都高。潜艇设备制造商利用这些新型动力源在最新一代设备中设计了高功率推进及其电子系统。对于高电压系统，整个电气系统的热管理就成了一个更重要的设计考虑因素。电池本身应保持在最佳工作温度范围内，而这一范围比较窄。动力电子装置可以产生超过传统风冷散热能力的温度。更困难的是，紧凑的潜艇设计通常没有足够的空间让传统风冷发挥有效的作用，而SLIC技术的冷却效率是风冷效率的2 000倍，并且可以在风冷不起作用的紧密空间中使用。

SLIC技术是一种将电池或电子组件直接浸没到非导电传热流体（Non-Conductive Heat Transfer Fluid）池中的冷却技术。冷却液作为电绝缘体，具有数万伏特的绝缘强度，因此高压电子元件可以顺利地浸入其中。任何类型的电子部件都可以浸没在冷却液中，无需任何保护覆层。在UAV中，整个电池和电气连接系统可浸没到冷却液中。然后，绝缘流体通过一个小泵循环到热交换器，在那里它被冷却，然后再循环回到热部件，不会产生沸腾、蒸汽或噪音现象。

在岸上电池和电子设备冷却系统中，热量可以通过一个小型散热器系统传递到空气中。在舰船和潜艇应用中，热交换器通常内置在船体中，或者直接通过船体将热量传递到水中。

如今，SLIC技术还被用于其他行业，冷却着数千种不同的电子和电气应用。电动汽车和重型航行器、电动水上摩托、固定式电池阵列和数据中心都使用了浸没式冷却技术。

浸没式冷却（Immersion Cooling）可以在狭小的空间内进行大量冷却。绝缘冷却剂的散热效率是空气的1 500-2 000倍。一个容积仅为20升的冷却系统可以冷却一千瓦以上的热量。

浸没式冷却的另一个优点是，它延长了电池和电子组件的寿命，因为它们不受灰尘、污染、水和振动的影响。此外，不会在潜艇艇体内排放热空气。

电池充放电会在电池内部产生热量，充放电周期越快，产生的热量就越多。由于电池只能在某些极端温度之间工作，如果没有热管理系统将其维持在特定工作范围内，它们将停止工作。电池冷却系统需要能够将电池组保持在20-40摄氏度温度范围内，并将每个电池单元内的温度变化保持在最低水平。

在Engineered Fluid公司进行的一系列实验中，浸没式冷却将电池保持在最佳温度的效率得到了证明。在这些实验中，一组Samsung Model 286s棱柱型94 aH电池进行了一系列快速充放电循环，一次是用强制风冷，另一次是浸没在Engineered Fluids公司的绝缘冷却剂中。通过这些数据，很容易看出浸没式冷却比风冷具有更大的优势：

图1.     电池冷却方式实验    

（图片来源：Engineered Fluids Inc）

浸泡在AmpCool冷却液中的电池在测试期间保持在最佳工作温度。

使用强制风冷的电池，其温度波动范围在20到37摄氏度，是均值附近标准差的5倍。浸没式冷却也保持了试验电池内部温度的稳定和均匀。风冷使得电池内部温度分层，降低了电池效率和使用寿命。

电池系统热管理的另一个方面是：温度过低时会导致无法有效使用电池系统。当电池温度接近5摄氏度时，锂离子电池的效率和安培-小时容量（换算成航程）会迅速下降；当温度低于5摄氏度时，电池性能会严重劣化。与其他冷却方法不同，SLIC技术可以很容易地将电池加热到它们的最佳温度范围，确保其高效充电、全范围容量和最长电池寿命。

电池热管理的另一个考虑因素是防火安全。当短路或过热时，锂离子电池可能进入“热失控”状态，发生剧烈的放热反应。失效电池的温度可达1 200摄氏度，并且经常会殃及相邻电池，使它们过热而导致失效。西南研究所（Southwest Research Institute）的一系列实验证明了浸没式冷却能从热失控事件中去除和吸收足够的热量，从而防止对相邻电池的损害。

9个锂离子电池以0.5 mm的间距组合为电池组。一个电池组采用风冷，另一个电池组浸泡在Engineered Fluid公司的AmpCool™液体中。在每个电池组中，用一根钉子穿过中间的一个电池，使其短路并引发热失控。

图2显示了实验的结果。在右图的风冷电池组中，被刺破的电池燃起了强烈火焰，很快就包围了电池组中的其他电池，将它们全部烧毁。在浸没在AmpCool冷却液中的电池组中（左图），被刺破的电池开始剧烈燃烧，但能量被冷却液吸收并遏制。相邻的电池不受影响，能够继续正常工作，只有被刺破的电池失效了。

图2.  该项实验已在其他电池和电池组配置上进行了复制，并证明了SLIC技术固有的防火安全性。     

（图片来源：Engineered Fluids Inc.）

图3.   波音公司交付的首艘Orca XLUUV 

 （图片来源:Boeing）

船用和潜艇电动航行载体有多组需要冷却、绝缘和保护的用电组件。除电池外，推进电机、充电组件、电子设备、导航和视觉系统等都在较高的温度和电压下工作。浸没式冷却能保护这些组件免受过热、腐蚀、污染、温度波动以及火灾和爆炸的威胁。浸没式冷却可以降低整个航行载体的重量，提高其可靠性。浸没式冷却是一种已被证明的安全、清洁的技术。