鋰離子動(dòng)力電池相變冷卻實(shí)驗(yàn)研究

黃 瑞，洪文華，俞小莉，陳俊玄，李 智，何曉帆

鋰離子動(dòng)力電池相變冷卻實(shí)驗(yàn)研究

黃 瑞，洪文華，俞小莉，陳俊玄，李 智，何曉帆

（浙江大學(xué) 能源工程學(xué)院，浙江 杭州市 310027）

制備了石蠟/膨脹石墨復(fù)合相變材料，并測(cè)試其熱物性參數(shù)，搭建了相變冷卻鋰電池模塊充放電實(shí)驗(yàn)臺(tái)架。針對(duì)一個(gè)25并的鋰電池模塊，在低溫，常溫，高溫等不同工況下進(jìn)行電池充放電測(cè)試，得到電池模塊不同測(cè)點(diǎn)的溫升曲線，并探究了不同工況下放電結(jié)束時(shí)刻鋰電池的最高溫度和溫度分布均勻性情況。研究表明，相變冷卻對(duì)鋰電池模塊具有很好的控溫和均溫效果。

鋰電池；相變冷卻；實(shí)驗(yàn)研究

新能源汽車的開發(fā)和研究已經(jīng)成為世界范圍內(nèi)關(guān)注的熱點(diǎn)，鋰離子動(dòng)力電池（以下簡(jiǎn)稱鋰電池）是電動(dòng)汽車中應(yīng)用最多的動(dòng)力電池[1-2]。鋰電池散熱是否充分、溫度分布是否均勻直接影響電池的使用效率、循環(huán)壽命及安全性能，從而影響電動(dòng)車整車性能[3]。相比于風(fēng)冷、液冷等傳統(tǒng)冷卻方式，相變冷卻因相變材料潛熱大、散熱效率高、不需要額外消耗泵功等優(yōu)勢(shì)，成為一種充滿研究前景的冷卻方式[4-6]。因此，研究相變冷鋰電池卻對(duì)動(dòng)力電池?zé)峁芾砑夹g(shù)的進(jìn)步具有重要意義。

本文制備了石蠟/膨脹石墨復(fù)合相變材料并測(cè)試其熱物性參數(shù)，搭建了相變冷卻鋰電池模塊充放電實(shí)驗(yàn)臺(tái)架，針對(duì)一個(gè)25并的鋰電池模塊，在低溫，常溫，高溫等不同工況下進(jìn)行電池充放電測(cè)試，得到電池模塊不同測(cè)點(diǎn)的溫升曲線。并探究了不同工況下，相變冷卻鋰電池模塊放電過程中的溫升情況，以及放電結(jié)束時(shí)刻鋰電池的最高溫度和溫度分布均勻性情況。

1 復(fù)合相變材料的制備與熱物性表征

本文研究對(duì)象為18650圓柱形三元鋰電池構(gòu)成的5×5電池模塊，電池之間間隙為10 mm，模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個(gè)鋰電池模塊大小為150 mm′150 mm′65 mm，電池與電池之間均充滿相變材料冷卻介質(zhì)。

一般來說，應(yīng)用于電池?zé)峁芾淼南嘧儾牧鲜枪?液相變材料，主要包括金屬以及結(jié)晶水合鹽等無機(jī)相變材料和脂肪酸、石蠟等有機(jī)相變材料。

圖1 鋰電池模塊物理模型

相變材料的選取一般要滿足以下條件[7]：（1）合適的相變溫度；（2）較高的相變潛熱；（3）性能穩(wěn)定；（4）導(dǎo)熱性能好；（5）體積膨脹率?。唬?）成本低。本文選取工業(yè)石蠟作為電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的相變冷卻介質(zhì)，石蠟規(guī)格參數(shù)見表1。

表1 石蠟規(guī)格參數(shù)

由于純石蠟的導(dǎo)熱系數(shù)低，需要添加高導(dǎo)熱介質(zhì)以提高相變材料的導(dǎo)熱率。本文以膨脹石墨作為高導(dǎo)熱添加劑。石蠟/膨脹石墨復(fù)合相變材料制備工藝流程見圖2。

圖2 石蠟/膨脹石墨復(fù)合相變材料制備工藝流程

可膨脹石墨經(jīng)過恒溫烘干箱干燥一定時(shí)間后，每次取5.0 g置于600℃的箱式電阻爐中，高溫膨脹20 s，便可得到膨脹石墨。膨脹后的石墨體積增大200倍以上，疏松且密度很小。按照一定比例，用電子天平稱取石蠟和膨脹石墨；首先將固體石蠟顆粒在80~90 ℃恒溫水浴中熔化，將膨脹石墨分幾次加入到熔融態(tài)石蠟中，用玻璃棒手動(dòng)攪拌3 min使其初步混合；然后在恒溫水浴環(huán)境下用精密增力電動(dòng)攪拌器以2000 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌30 min，使兩種材料共混吸附，得到分散均勻的液態(tài)相變材料混合物；然后將分散好的液態(tài)混合物倒入預(yù)先準(zhǔn)備好的模具中，待樣品完全凝固并冷卻至室溫，脫模，機(jī)械加工打孔，最后制備得到的相變材料模塊如圖3所示。

圖3 石蠟/膨脹石墨復(fù)合相變模塊

對(duì)制備的相變模塊熱物性進(jìn)行表征，為仿真計(jì)算以及相變材料匹配優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試采用基于瞬態(tài)平面熱源法的Hot Disk導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀。瞬態(tài)平面熱源法測(cè)定材料熱物性的原理是基于無限大介質(zhì)中階躍加熱的圓盤形熱源產(chǎn)生的瞬態(tài)溫度響應(yīng)[8]。

實(shí)驗(yàn)中先制備兩塊大小相同的方形樣品，規(guī)格為20 mm′20 mm′5 mm；然后將一個(gè)Hot Disk探頭固定在兩塊樣品之間，使樣品光滑面與探頭接觸，調(diào)整壓緊螺栓使墊塊能夾緊樣品和探頭，減小接觸熱阻。圖4是測(cè)試時(shí)樣品和探頭形成的一個(gè)夾層結(jié)構(gòu)示意圖。其中探頭同時(shí)作為熱源和溫度傳感器[9]，最后通過測(cè)量分析可以得到樣品的導(dǎo)熱系數(shù)。

圖4 Hot Disk測(cè)試儀結(jié)構(gòu)示意圖

采用美國(guó)TA Instrument生產(chǎn)的Q200差示掃描量熱儀（圖5）對(duì)石蠟/石墨復(fù)合相變材料進(jìn)行差示掃描量熱法（differential scanning calorimetry, DSC）熱分析，獲得的DSC曲線見圖6。通過計(jì)算DSC曲線與底部直線圍成的面積即為復(fù)合相變材料實(shí)際潛熱值，曲線谷值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度即為復(fù)合相變材料的相變溫度點(diǎn)[10]。

圖5 Q200差示掃描量熱儀

圖6 DSC曲線

實(shí)驗(yàn)測(cè)得的石蠟/膨脹石墨復(fù)合相變材料的熱物性參數(shù)見表2。

表2 石蠟/膨脹石墨復(fù)合相變材料熱物性參數(shù)

2 相變冷卻電池模塊實(shí)驗(yàn)臺(tái)架的搭建和測(cè)試

通過搭建相變冷卻鋰電池模塊充放電實(shí)驗(yàn)臺(tái)架，研究相變冷卻對(duì)鋰電池的散熱效果。

2.1 鋰電池模塊組裝

本實(shí)驗(yàn)選用K型熱電偶作為電池溫度傳感器。K型熱電偶是一種被廣泛使用的金屬熱電偶，具有線性度和靈敏度高，熱電動(dòng)勢(shì)較大，穩(wěn)定性好，抗氧化性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[11]。用耐高溫導(dǎo)熱膠將標(biāo)定好的熱電偶的測(cè)溫端粘貼在電池側(cè)面中部，如圖7所示。

圖7 熱電偶在電池表面的布置

按照對(duì)稱原則，將序號(hào)為1、2、3、7、8、13的6個(gè)鋰電池（見圖8）按上述方法布置好熱電偶，待膠水固化后，再把25個(gè)18650鋰電池安裝到相變模塊中。將安裝好的鋰電池模塊，用鍍鎳鋼帶對(duì)電池的正極和負(fù)極分別進(jìn)行焊接，再使用兩塊銅排對(duì)正負(fù)極進(jìn)行匯流，形成一個(gè)25并鋰電池模塊，額定容量為60 Ah，如圖9所示。

圖8 組裝好的相變冷卻電池模塊

圖9 焊接好鍍鎳鋼帶的電池模塊

2.2 臺(tái)架搭建和充放電實(shí)驗(yàn)測(cè)試

將鋰電池模塊布置的熱電偶連接到溫度測(cè)試儀相應(yīng)的通道，鋰電池模塊通過動(dòng)力線與SOARING電池充放電儀連接，電池充放電儀通過串口線與上位機(jī)相連。整個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)見圖10，主要包含如下3個(gè)部分：

（1）電池充放電儀：采用SOARING高效回饋電池化成與分容系統(tǒng)，通過配套的上位機(jī)控制軟件編輯測(cè)試工步，可以實(shí)現(xiàn)各通道恒壓、恒流、恒功率等充放電模式，以及擱置、循環(huán)等模式；

（2）恒溫箱：采用HT-150L型可程式恒溫恒濕試驗(yàn)箱，作為鋰電池模塊的一個(gè)溫控系統(tǒng)，模擬鋰電池實(shí)際充放電所處的環(huán)境溫度；

（3）溫度測(cè)試儀：采用JK-16C型多路溫度測(cè)試儀按照每秒鐘讀取1個(gè)溫度數(shù)據(jù)的頻率進(jìn)行測(cè)試，溫度數(shù)據(jù)可以直接存儲(chǔ)在U盤中。

圖10 相變冷卻鋰電池模塊充放電實(shí)驗(yàn)臺(tái)架

具體實(shí)驗(yàn)步驟：

（1）將鋰電池模塊放入恒溫箱中，調(diào)節(jié)可控恒溫箱的溫度為5 ℃，將鋰電池模塊擱置30 min；

（2）待鋰電池溫度穩(wěn)定后，以0.5C倍率進(jìn)行恒流充電（30 A），當(dāng)充電時(shí)間為150 min或電池電壓≥4.15 V時(shí)，自動(dòng)跳轉(zhuǎn)下一步；

（3）擱置30 min，使電池溫度降到恒溫箱溫度；

（4）待電池溫度穩(wěn)定后，以1C倍率進(jìn)行恒流放電（60 A），當(dāng)放電時(shí)間為60 min跳轉(zhuǎn)下一步，同時(shí)記錄鋰電池模塊放電過程中各測(cè)點(diǎn)的溫度變化；

（5）擱置30 min，結(jié)束。

分別將步驟（4）中的恒流放電電流變?yōu)?C、3C、4C、5C，并且調(diào)整相應(yīng)的放電時(shí)間，放電截止電壓仍然為3.0 V，在重復(fù)步驟（2）、（3），獲得環(huán)境溫度為5℃下，相變冷卻鋰電池模塊不同放電倍率下各測(cè)點(diǎn)溫升情況。

然后在調(diào)節(jié)恒溫箱溫度為20 ℃和35 ℃，重復(fù)步驟（2）—（5）。

3 相變冷卻鋰電池模塊實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 電池溫升分析

在不同環(huán)境溫度和不同放電倍率下，中央測(cè)點(diǎn)13的溫升曲線見圖11，可以反映出整個(gè)鋰電池模塊的溫升情況。

從圖11可以得出以下幾個(gè)結(jié)論：

（1）同一環(huán)境溫度下，放電倍率越大，電池溫升速度越快，因?yàn)楦鶕?jù)Bernardi電池生熱速率公式[12]，電池生熱量隨放電電流的增大而增大；

（2）同一放電倍率下，環(huán)境溫度越低，電池溫度上升越快，因?yàn)殡姵販囟仍降?，電池歐姆內(nèi)阻、極化內(nèi)阻越大，電池生熱速率越大；

（3）在電池恒流放電過程中電池溫度持續(xù)上升，放電初期溫度上升較快，在相變點(diǎn)后電池溫升速率逐漸減小。

以環(huán)境溫度35 ℃為例，研究不同放電倍率下鋰電池模塊在放電過程中表面平均溫度的變化，結(jié)果見 圖12。

圖11 在不同溫度下和不同倍率放電時(shí)測(cè)點(diǎn)13的溫升

圖12 相變冷卻鋰電池模塊溫升曲線

從圖12中能看出，以5C放電為例，段還沒有達(dá)到相變材料的熔點(diǎn)，相變材料還是固態(tài)，相變材料以自身進(jìn)行吸熱，因此在放電初期電池升溫較快；當(dāng)放電到110 s時(shí)，電池表面平均溫度達(dá)到相變材料的熔點(diǎn)，即點(diǎn)，相變材料開始熔化，但是熔化的區(qū)域呈現(xiàn)的是一種糊狀區(qū)，動(dòng)力黏度還很大，相變傳熱方式還是導(dǎo)熱，相變材料在相變過程中因巨大的潛熱能力將電池散發(fā)的熱量存儲(chǔ)起來，此時(shí)鋰電池模塊的溫升速率顯著減緩；在110~580 s一段長(zhǎng)時(shí)間放電中，電池溫度維持在一個(gè)比較穩(wěn)定的范圍（44~ 47 ℃）內(nèi)，充分利用了相變潛熱的優(yōu)勢(shì)，使電池運(yùn)行在最佳工作溫度范圍。

階段，相變材料繼續(xù)吸熱，糊狀區(qū)繼續(xù)熔化，自然對(duì)流趨勢(shì)加大，熔化速度加快；但由于相變材料中熱量的傳遞主要以導(dǎo)熱為主，電池壁面附近的相變材料的吸熱速率要大于其傳熱到遠(yuǎn)處相變材料的速率，因此電池?zé)崃坎荒芗皶r(shí)被遠(yuǎn)處的相變材料所吸收，從580 s到放電結(jié)束時(shí)刻，電池溫度以較大速率上升。

鋰電池模塊分別以4C、3C、2C倍率進(jìn)行放電時(shí)，相變材料分別在170 s（點(diǎn)），290 s（點(diǎn)），690 s（點(diǎn)）開始發(fā)生相變。放電倍率越小，鋰電池表面平均溫度在相變點(diǎn)后變化得越平緩。因?yàn)榉烹婋娏髟叫?，電池生熱量越小，放電時(shí)間越長(zhǎng)，就有足夠的時(shí)間將熱量傳到遠(yuǎn)處的相變材料，所以在相變點(diǎn)后，電池產(chǎn)熱和散熱愈加趨向平衡，電池“恒溫”效果越明顯。

3.2 放電結(jié)束時(shí)刻各測(cè)點(diǎn)溫度特性分析

通常情況下，鋰電池工作的適宜溫度為20~50 ℃，電池組內(nèi)最大溫差應(yīng)低于5 ℃。在此溫度范圍內(nèi)電池可獲得最佳的工作性能和循環(huán)使用壽命[13]。因此，需要對(duì)相變冷卻鋰電池模塊的最高溫度和最大溫差進(jìn)行研究。在5 ℃、20 ℃、35 ℃3個(gè)環(huán)境溫度下，記錄鋰電池模塊不同倍率放電結(jié)束時(shí)刻，計(jì)算得到每種工況下各測(cè)點(diǎn)之間的最大溫差，得到各測(cè)點(diǎn)最高溫度和最大溫差隨放電倍率、環(huán)境溫度的變化曲線分別見圖13和圖14。

圖13 鋰電池模塊各測(cè)點(diǎn)最高溫度

圖14 鋰電池模塊各測(cè)點(diǎn)最大溫差

由圖13可知，鋰電池模塊測(cè)點(diǎn)最高溫度隨放電倍率的增大而增大；同一放電倍率下，鋰電池模塊測(cè)點(diǎn)最高溫度隨著環(huán)境溫度的升高而增大。在大倍率放電情況下，相變冷卻能將電池最高溫度控制在 50 ℃以下，充分利用了相變材料的潛熱、有很好的控溫效果。

由圖14可知，同一環(huán)境溫度下，各測(cè)點(diǎn)間的最大溫差隨著放電倍率的增大而增大；同一放電倍率下，各測(cè)點(diǎn)間的最大溫差隨著環(huán)境溫度的增大而增大。總體來說，在實(shí)驗(yàn)所測(cè)的溫度范圍內(nèi)，相變冷卻使得鋰電池模塊溫差控制在2 ℃以內(nèi)，鋰電池模塊具有較好的溫度分布均勻性。

4 結(jié)論

（1）相變冷卻能將電池最高溫度控制在50℃以下，有很好的控溫效果。同一環(huán)境溫度下，鋰電池模塊最高溫度隨放電倍率的增大而增大。同一放電倍率下，鋰電池模塊測(cè)點(diǎn)最高溫度隨著環(huán)境溫度的升高而增大；但是在高倍率放電時(shí)，環(huán)境溫度對(duì)鋰電池模塊最高溫度的影響較小。

（2）相變冷卻使得鋰電池模塊溫差控制在2℃以內(nèi)，有很好的均溫效果。同一環(huán)境溫度下，各測(cè)點(diǎn)間的最大溫差隨著放電倍率的增大而增大。同一放電倍率下，各測(cè)點(diǎn)間的最大溫差隨著環(huán)境溫度的增大而增大。

（3）放電倍率越小，在相變點(diǎn)后，鋰電池模塊恒溫效果越明顯。

[1] 各國(guó)禁售燃油車時(shí)間表出爐新能源汽車成大勢(shì)所趨[J/OL]. 電動(dòng)汽車時(shí)代，(2018-03-12). https://item.btime.com/m_ 951403f6deb432283.

[2] WU M S, LIU KH, WANG YY, et al. Heat dissipation Design for Lithium-ion batteries[J]. Journal of Power Sources, 2002, 109(1): 160–166.

[3] 趙衛(wèi)兵. 電動(dòng)車鋰電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)研究[D]. 長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2014.

[4] 劉霞，匡勇，錢振. 電池?zé)峁芾碛孟嘧儍?chǔ)能材料的研究進(jìn)展[J]. 儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)，2015, 4(4): 365–370.

[5] 凌子夜. 基于膨脹石墨基復(fù)合相變材料的動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)性能研究[D]. 廣州：華南理工大學(xué)，2016.

[6] 饒中浩. 基于固液相變傳熱介質(zhì)的動(dòng)力電池?zé)峁芾硌芯縖D]. 廣州：華南理工大學(xué)，2013.

[7] 張江云. 基于相變散熱的動(dòng)力電池?zé)峁芾砑夹g(shù)研究[D]. 廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2013.

[8] 孫亮亮. 利用瞬態(tài)平面熱源法測(cè)定材料的導(dǎo)熱系數(shù)[C]//中國(guó)工程熱物理學(xué)會(huì)年會(huì). 2006.

[9] 黃犢子. 采用HOTDISK測(cè)量材料導(dǎo)熱系數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 化工學(xué)報(bào)，2003, 54(增刊): 67–70.

[10] 王子緣. 46. 8V/8. 8Ah電池模組開發(fā)過程中的熱性能研究[D]. 廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2018.

[11] 嚴(yán)佳佳. 基于相變散熱的動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)研究[D].合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2017.

[12] BERNARDI D, PAWLIKOWSKI E, NEWMAN J. A general energy balance for battery systems[J]. Journal of the Electrochemical Society, 1985(1): 5–12.

[13] 江超. 純電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池組熱特性研究[D]. 合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2015.

Experimental study on phase change cooling of lithium ion power battery

HUANG Rui, HONG Wenhua, YU Xiaoli, CHEN Junxuan, LI Zhi, HE Xiaofan

(College of Energy Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)

The paraffin/expanded graphite composite phase change material is prepared, and its thermophysical parameters are tested. The charging and discharging test bench of phase change cooling lithium battery module is built. For a 25-parallel lithium battery module, the battery charging and discharging tests are carried out under different working conditions, such as low temperature, normal temperature and high temperature. The temperature rising curves at different measuring points of the battery module are obtained, and the uniformity of the maximum temperature and temperature distribution of the lithium battery at the end of charging under different working conditions is explored. The results show that phase change cooling has good temperature control and uniform effect on lithium battery module.

lithium battery; phase change cooling; experimental study

TM912

A

1002-4956(2019)10-0081-05

10.16791/j.cnki.sjg.2019.10.019

2019-01-28

教育部高等學(xué)校能源動(dòng)力類新工科研究與實(shí)踐重點(diǎn)項(xiàng)目（NDXGK2017Z-15）；浙江省科協(xié)育才工程項(xiàng)目（2018YCGC015）

黃瑞（1985—），男，浙江臺(tái)州，碩士，助理研究員，主要研究方向?yàn)槠嚰皠?dòng)力機(jī)械試驗(yàn)技術(shù)。E-mail: hrss@zju.edu.cn