嘉实多（Castrol）电池浸泡式冷却技术

2021年至2023年，嘉实多和Virtual Vehicle Research对间接冷却技术和浸没冷却技术的性能进行了比较分析。这项研究部分由COMET K2卓越技术能力中心资助。

本研究将通过间接水-乙二醇基板冷却（water-glycol baseplate cooling）的电池冷却与越来越流行的浸没冷却（mmersion cooling）系统进行了比较。

评估热传播阻力的热流体的设计和测试过程

由于ICE冷却系统的大量技术遗留，水-乙二醇间接冷却已经成为当今电动汽车架构中使用的主要冷却概念。然而，浸没冷却在解决新一代电动汽车快速充电期间的温度管理要求和提高高级电动汽车性能方面越来越被视为更有效。

虽然目前的大多数电池组都是使用基板中通道内的水乙二醇基冷却剂进行热管理的，以调节电池的温度，但介电Castrol ON EV热流体（Castrol ON EV thermal fluid）是专门为浸没冷却而配制的。这使得在一系列操作条件下，在高和低环境温度下，能够显著改善热管理和出色的电气保护，从而延长电池寿命。

Castrol ON EV热流体粘度与水乙二醇

业内普遍认为，浸没液比水乙二醇粘性大得多。嘉实多的第一代ON EV热流体也是如此，嘉实多客户成功使用了这种热流体。嘉实多继续开发更多的液体，生产出嘉实多的第二代浸没液体，在30°C–2.9cSt的温度下表现出与水乙二醇液体相似的粘度，而50:50的水乙二醇的粘度为2.7cSt。两代Castrol ON EV热流体之间粘度的降低降低了浸没冷却电池系统所需的泵功率，从而提高了效率。

在30°C以下，第二代EV热流体的粘度甚至低于水乙二醇。这意味着，与基于水乙二醇的系统相比，嘉实多的第二代ON EV热流体需要类似或更低的泵送功率，从而优化了温度管理过程的效率和有效性。

分析重点是确定最佳的电池冷却解决方案，包括采用浸没冷却的方式增加冷却面积但降低流体的热性能更好，还是采用间接冷却的方式降低冷却面积并提高流体的热特性更好。

此外，Virtual Vehicle Research还研究了冷却汇流排（busbar）可能带来的额外好处——热环境如何影响电芯的电气性能和老化，以及流体闪点是否与安全性能有关。

（T） 快速充电耐久性测试期间中心电池的温度；（B） 单元在模组内的位置

为了支持这项研究，用7个NCA镍钴铝（nickel-cobalt-aluminum）21700圆柱形电芯设计和构建了浸入式和间接式微型模组。

浸没冷却的小型模组采用直接汇流排冷却，并通过计算流体动力学（CFD）进行设计和优化，以实现传热和最大限度地降低压降。

然后对微型模组进行性能和耐久性测试，以分析其热性能和电气性能，并进行热传播测试。性能和耐用性测试条件是为了复制真实的快速充电场景，即在3C充电速率下充电10-90%，相当于不到20分钟的充电时间。

性能分析发现，浸没冷却改善了快速充电时电芯的热梯度（thermal gradient）和峰值温度，第二代嘉实多ON EV热流体将表面电芯热梯度降至1.5°C以下。

耐久性评估表明，浸没冷却可以从电芯中提取更多性能。浸入式冷却模组通过恒流充电获得的容量比间接冷却模组高25%，尽管存在更高的电应力（electrical stress），其降级率（degradation rate）仍低16%。值得注意的是，嘉实多和Virtual Vehicle Research预计，随着充电率的提高，这种差异将增大。

试验期间和试验后的间接渗透试验

为了衡量浸没和间接冷却系统的安全性，嘉实多和虚拟车辆设计了一系列热失控（thermal runaway）测试。这些测试是在氧气有限的密封室中进行的，以观察任何故障，并确保模组不发生完全损坏。

使用钉子穿透方法来引发中心电池的热失控。热失控会导致热传播，受损电芯的热量通过对流和传导传递到相邻电芯，这一过程可能导致整个电池组的灾难性故障。

在测试过程中，间接冷却微型模组起火并继续燃烧，直到测试室内的氧气耗尽。如果有足够的氧气，整个模组很可能已经被摧毁。相比之下，浸没冷却模组在减缓热传播方面被证明是有效的，尽管它没有针对安全性进行优化。散热而非流体的闪点决定了浸没冷却系统的安全性。有效的散热是排气管理和将热量从受损电池中传导出去的流体的结合。

浸入式模组预测试、测试期间和测试后

Castrol ON EV热流体的开发旨在通过直接冷却单个电芯来帮助避免热传播的风险，在这些电芯中，高温会因过度充电或短路而导致不可逆故障。使用浸没冷却系统，可以更好地对单个电池的热事件进行热管理。因此，如果发生这种情况，它们可以在源头进行灭火（quench），这与间接冷却系统不同。

总之，Castrol和Virtual Vehicle的分析强调，通过Castrol ON EV热流体的浸入式冷却能够实现持续的超快充电和热传播缓解。与间接冷却替代方案相比，浸没冷却方法在峰值温度、电芯之间和电池之内梯度以及散热方面明显显示出优越的热性能。

此外，通过浸没冷却获得更高的性能并不以容量为代价。研究表明，通过将数据外推到更高的能量密度电池和更高的充电率，浸没系统和间接系统之间的差异将变得更加明显。

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