熱管在新能源裝置電池包的熱管理研究

馮麗源，周 碩，李彥成，汪 瑤，孫 艷，閆康平

(1. 四川大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，四川 成都 610065； 2.成都大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610106)

熱管在新能源裝置電池包的熱管理研究

馮麗源1，周 碩1，李彥成1，汪 瑤1，孫 艷2，閆康平1

(1. 四川大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，四川 成都 610065； 2.成都大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610106)

為保障新能源電池的安全、高效運(yùn)行和長(zhǎng)循環(huán)壽命，需要對(duì)電池包進(jìn)行有效熱管理.利用高導(dǎo)熱性的熱管制備了散熱裝置來(lái)對(duì)鋰離子電池包進(jìn)行熱管理，并在電池循環(huán)充放電條件下，研究3種散熱方式的熱影響規(guī)律.結(jié)果表明,熱管散熱裝置能有效降低電池包的溫度，同時(shí)減小電池包內(nèi)各個(gè)電池間的溫差；與自然對(duì)流散熱條件相對(duì)比，在強(qiáng)制對(duì)流條件下加裝熱管散熱裝置能將電池包內(nèi)最高溫度從78.1 ℃降低到48.6 ℃，電池包內(nèi)外電池間的溫差也保持在2.5 ℃以下.

鋰離子電池；圓柱形電池；熱管；熱管理；散熱

0 引 言

目前，鋰離子電池憑借其高容量比、無(wú)記憶性、可循環(huán)、易攜帶及低污染等優(yōu)勢(shì)廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品、電動(dòng)汽車(chē)等相關(guān)領(lǐng)域[1-2].但鋰離子電池在充放電過(guò)程中會(huì)發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)，吸收或釋放大量熱量[3-4]，可能出現(xiàn)過(guò)熱等安全問(wèn)題，而且當(dāng)鋰離子電池在高溫條件下持續(xù)工作時(shí)，其使用和循環(huán)壽命會(huì)迅速衰減導(dǎo)致電池失效[5-6].此外，在電池組中，各電池單體熱量的積累和傳遞不僅會(huì)擴(kuò)大單體的壁面溫差，還會(huì)使得各電池間的溫度差異增大，造成各電池單體的衰減速率不一致，從而導(dǎo)致電池組容量利用率降低，并且加快電池的損耗，如此惡性循環(huán)，最終使電池?fù)p壞[7-8].

近年來(lái)，研究者對(duì)熱管冷卻技術(shù)應(yīng)用于新能源的各種裝置進(jìn)行了大量研究，并取得了一些成果[9-14].其中，Rao等[13]采用平板熱管對(duì)不同功率的平板型電池進(jìn)行散熱實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于發(fā)熱功率小于30 W的電池，平板熱管不僅可以將電池溫度控制在50 ℃以?xún)?nèi)，而且電池表面的最大溫差維持在5 ℃以?xún)?nèi)；Zhao等[14]對(duì)熱管應(yīng)用于平板式鋰離子電池散熱的可行性進(jìn)行了探討，分析對(duì)比了熱管冷凝段在不同外部冷卻條件下熱管的散熱性能.針對(duì)圓柱形電池形狀的特殊性，利用熱管散熱存在接觸面積小、熱管散熱單獨(dú)使用效果不佳等問(wèn)題，本研究提出了一種采用由熱管、翅片和弧形銅片組成的散熱裝置對(duì)圓柱形電池包的熱管理方案，通過(guò)熱管散熱裝置將電池包中熱量導(dǎo)出，再利用恒定速度的風(fēng)加快熱管與環(huán)境的熱交換速率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電池包的有效熱管理.

1 裝置與方法

1.1 裝 置

實(shí)驗(yàn)所用電池為18650型三元鋰離子電池，電池參數(shù)見(jiàn)表1，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示.其中，電池組由3個(gè)性能相同的電池并排串聯(lián)組成，電池包由8個(gè)電池組以2×4的形式組合而成.

表1 18650型電池單體基本參數(shù)

圖1實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

目前，針對(duì)電池包的散熱效果測(cè)試主要分為2類(lèi)：不安裝熱管(自然對(duì)流散熱)和安裝熱管散熱裝置.在自然對(duì)流散熱條件下，電池組之間相互緊貼著；在采用有熱管散熱時(shí)，將熱管的蒸發(fā)端固定在電池包的中心位置，冷凝端露在電池包外面，通過(guò)與環(huán)境的熱交換將熱量釋放.在本研究中，為增加熱管與電池的接觸面積以增強(qiáng)散熱效果，在熱管上接有能夠完全貼合電池表面的弧形銅片，銅片尺寸為120 ° Φ18.5×55 mm；在熱管的冷凝段接有翅片增加散熱面積，并將微型風(fēng)扇固定在翅片上，加速熱管與環(huán)境的熱交換以加強(qiáng)散熱效果.散熱裝置效果圖如圖2所示.

圖2熱管散熱裝置示意圖

1.2 方 法

在實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)Nw Cal軟件控制BTS-CT-3008-15V3A-S1電池檢測(cè)設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)電池的充放電過(guò)程，同時(shí)采集電池的電流電壓、使用容量等數(shù)據(jù)，利用貼在電池表面的K型熱電偶探頭采集電池溫度數(shù)據(jù)并連接到JK-24U多路溫度測(cè)試儀上，得到溫度變化數(shù)據(jù).為了模擬電池在使用時(shí)相對(duì)封閉的條件，將電池包放在密閉環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試.實(shí)驗(yàn)階段環(huán)境溫度維持在(24±1) ℃.

對(duì)于電池包熱管散熱系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)采用2種散熱方式：自然對(duì)流以及強(qiáng)制對(duì)流散熱(恒定風(fēng)速).由于熱管在不同放置角度下工作效果相同，即熱管水平放置和豎直放置時(shí)散熱效果相同[14].為了方便操作，實(shí)驗(yàn)中將熱管水平放置.實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，將電池組置于在室溫25 ℃、截止電壓8.25 V的條件下以0.5C即1.3 A/h的電流進(jìn)行循環(huán)充放電5次，促使電池固態(tài)電解質(zhì)界面的形成并消除新電池的不可逆容量衰減.

2 結(jié)果與討論

2.1 散熱對(duì)電池包內(nèi)溫度的影響

在0.5C和1C放電倍率下，不加裝散熱裝置與將2種不同的散熱裝置加裝在電池包的中心位置時(shí)電池包內(nèi)的中心點(diǎn)(圖1中的點(diǎn)2)和邊緣點(diǎn)(圖1中的點(diǎn)5)的溫度分布分別如圖3所示.圖3中，ΔT為以環(huán)境溫度為基準(zhǔn)的溫升情況.由于焦耳熱(I2R)是電池產(chǎn)熱量的主要影響因素，電池的產(chǎn)熱量隨著電池放電量的增加而增加.在電池的放電過(guò)程中，電池的溫度呈上升趨勢(shì).

(a)0.5C放電電池包中心點(diǎn)；(b)0.5C放電電池包邊緣點(diǎn)；(c)1C放電電池包中心點(diǎn)；(d)1C放電電池包邊緣點(diǎn)

圖3電池在不同倍率下放電溫度變化曲線(xiàn)

由圖3對(duì)比是否加裝熱管散熱裝置時(shí)的電池包內(nèi)溫度可知，在放電過(guò)程中加裝熱管散熱裝置后電池包內(nèi)溫度下降明顯.熱管冷凝段加裝風(fēng)扇即熱管在強(qiáng)制對(duì)流散熱條件下的散熱效果最好，因?yàn)閺?qiáng)制對(duì)流環(huán)境加快了熱管的冷凝端與環(huán)境的熱交換，加速了熱管內(nèi)介質(zhì)的流動(dòng)，將電池包內(nèi)的熱量更快地導(dǎo)出并釋放到環(huán)境中.在放電過(guò)程中，中心點(diǎn)的最高溫度分別降低了13.7 ℃(0.5C)和15.0 ℃(1C)，邊緣點(diǎn)的最高溫度分別降低了9.1 ℃(0.5C)和5.8 ℃(1C).

2.2 電池包不同放電倍率下循環(huán)充放電的散熱效果

為了研究熱管散熱裝置的穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)中，電池分別以0.5C放電倍率和1C放電倍率的電流放電然后，以0.5C放電倍率的電流充電，如此循環(huán)5次，電池包中心點(diǎn)(圖1中點(diǎn)2)溫升情況如圖4所示.

由圖4可知，在多次循環(huán)充放電過(guò)程中，電池溫升呈波浪式變化，這與電池的充電與放電過(guò)程有關(guān).鋰離子電池放電比充電有更多的副反應(yīng)，電能轉(zhuǎn)換為熱能的比率更高[15]，所以溫升更大.在電池循環(huán)充放電5次的過(guò)程中，3次循環(huán)后電池溫度變化趨于穩(wěn)定，加裝熱管散熱裝置的電池包內(nèi)最高溫度明顯減小，其中在強(qiáng)制對(duì)流條件下加裝散熱裝置散熱效果最佳.與自然對(duì)流條件下不加裝散熱裝置相對(duì)比，在強(qiáng)制對(duì)流條件下加裝散熱裝置的電池包中心點(diǎn)的最高溫度分別降低了15.4 ℃(0.5C)和29.5℃(1C)，電池包內(nèi)的最高溫度被控制在50 ℃以?xún)?nèi).

(a)0.5C放電+0.5C充電；(b)1C放電+0.5C充電

圖4在不同倍率放電循環(huán)條件下電池包的溫度變化與電流對(duì)應(yīng)曲線(xiàn)

2.3 電池間溫差的控制

實(shí)驗(yàn)使用的電池包由24個(gè)單體電池組成，電池在工作過(guò)程中，每個(gè)電池的溫度均不同，電池之間的溫度存在一定的差異，這種溫度差異會(huì)影響電池的性能和電池包內(nèi)電池間的一致性.研究表明，鋰離子電池之間的溫差應(yīng)低于5 ℃[16].電池在不同放電倍率下的充放電循環(huán)實(shí)驗(yàn)中，電池包內(nèi)最大溫差和最大溫升如圖5所示.

圖5在不同倍率放電循環(huán)條件下電池包的最高溫升和最高溫差

由圖5可知，在電池包中增加熱管散熱裝置，不僅使電池的最大溫升降低，同時(shí)也降低了電池間的溫差.但是，熱管散熱裝置在自然對(duì)流條件下比在強(qiáng)制對(duì)流條件下電池間溫差的控制效果更好，這是由于熱管散熱裝置在強(qiáng)制對(duì)流條件下將熱量導(dǎo)出到環(huán)境中的速度較快，電池包邊緣電池的熱量不能及時(shí)傳遞到中間，使得電池包中間和邊緣電池的溫度存在一定差異，但此時(shí)的溫度差異遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于不加裝熱管散熱裝置的電池包中電池間的溫度差異.不論在自然對(duì)流條件還是強(qiáng)制對(duì)流條件下，利用熱管散熱裝置都能將電池包內(nèi)的溫差控制在2.5 ℃以下，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于5 ℃，能夠保證電池在使用時(shí)處于良好的溫度環(huán)境中.

3 結(jié) 論

本研究將熱管散熱裝置應(yīng)用到圓柱形鋰離子電池包的熱管理中，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析了不同散熱裝置、不同放電倍率下電池包的熱管理情況.同時(shí)，兼顧其安全性和可靠性的需求，在不同放電倍率循環(huán)過(guò)程中檢驗(yàn)了熱管散熱裝置的散熱效果和穩(wěn)定性，并比較了電池包內(nèi)的各電池間溫差，得到以下結(jié)論.

1)隨著放電倍率的增大，電池溫度逐漸升高，應(yīng)用熱管散熱裝置能夠有效降低電池溫度，尤其是大倍率放電情況下，最大溫升降低明顯.電池在1C放電倍率放電一次時(shí)，相對(duì)于不加裝散熱裝置的情況，電池包內(nèi)最大溫升降低了15 ℃，降溫比例達(dá)到42.8%.

2)熱管散熱管理裝置應(yīng)用在循環(huán)充放電情況下能滿(mǎn)足電池包安全性和可靠性的要求，電池在1C放電倍率放電循環(huán)時(shí)，與不加裝散熱裝置的情況對(duì)比，電池包在強(qiáng)制對(duì)流條件下加裝熱管散熱裝置后最高溫度從78.1 ℃降低到48.6 ℃，降溫比例達(dá)到55.5%.電池在充放電過(guò)程中各單體電池之間的溫差較大，利用熱管散熱裝置同時(shí)可以保證電池間溫差在2.5 ℃以下.

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ResearchonThermalManagementUsingHeatPipeforBatteryPackofNewEnergy

FENGLiyuan1,ZHOUShuo1,LIYancheng1,WANGYao1,SUNYan2,YANKangping1

(1.College of Chemical Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China; 2.School of Mechanical Engineering, Chengdu University, Chengdu 610106, China)

An effective thermal management for lithium-ion battery pack is required to ensure its security,high efficiency and long cycle life.In this paper,a cooling device using the high thermal conductivity of heat pipe is designed to achieve the thermal management of cylindrical lithium-ion battery pack,and the thermal influence law of three kinds of heat dissipation methods is discussed in the charge-discharge cycle test.It is proved that the cooling device can effectively decrease the temperature of battery pack and reduce the temperature difference of each cell in battery pack.Compared with cooling in natural convection,the temperature of battery pack cooling with heat pipe under the condition of forced convection can be decreased from 78.1 ℃ to 48.6 ℃,and the temperature difference of each cell in battery pack is also kept under 2.5 ℃.

lithium-ion battery;cylindrical battery;heat pipe;thermal management;heat dissipation

TM912.9

A

1004-5422(2017)04-0410-04

2017-10-03.

國(guó)家自然科學(xué)基金(21576170)資助項(xiàng)目.

馮麗源(1994 — )，女，碩士研究生，從事電化學(xué)與新能源材料研究.