相變材料/導熱翅片復合熱管理系統(tǒng)應用于三元體系鋰離子動力電池模組實驗研究

張江云，張國慶，陳炫莊，甄志誠

（廣東工業(yè)大學 材料與能源學院，廣東 廣州 510006）

隨著日益嚴峻的環(huán)境污染及資源短缺，新能源汽車因具有能源效率高和近乎零排放等優(yōu)點，近年來 呈現火爆式快速發(fā)展[1-3]。而動力電池作為新能源汽車的核心部件，其安全性能、動力性能、電化學性能及循環(huán)壽命都將直接影響整車的安全性能和續(xù)航里程，在所有的影響因素里面，安全性處于重中之重[4-6]。三元動力電池模組由于具有高能量密度而成為目前國內外知名動力電池企業(yè)在研的主流技術路線[7]，但是三元正極體系的熱敏感性、熱穩(wěn)定的脆弱性將會導致其安全系數直線下降。尤其是在高倍率或長時間充放電過程中動力電池產生的高熱引起整個電池內部高溫[8-9]，熱量的迅速集聚進而形成“高熱?高溫?高熱”的惡性循環(huán)，最終導致電池模組發(fā)生熱失控，甚至引起燃燒爆炸等嚴重災害事故[10]。因此一個與動力電池模組相匹配的高效熱管理系統(tǒng)非常必要[11]。

目前主流電池熱管理系統(tǒng)主要分為空氣冷卻、液體和相變材料(phase change materials，PCM)冷卻[12-13]。前者由于系統(tǒng)簡單、便于維修和維護、成本低等優(yōu)勢被廣泛采用，國內更加傾向于空氣冷卻。但是較低的冷卻效率無法與日益增長的大規(guī)模動力電池系統(tǒng)相匹配，同時溫度一致性較差[14-15]，國外更加偏向于液體冷卻，尤其以特斯拉為首。液體冷卻技術雖然冷卻效果好[16-17]，但是存在結構復雜、剛性連接部件多、易泄露風險高、成本高、較難維護的不足。相變材料冷卻作為一種新型散熱方式，通過與電池組導熱絕緣接觸利用自身較高的相變潛熱和導熱性能吸收電池組放電產生的高熱，降低電池組處于高溫環(huán)境的時間，延緩熱失控，最大的優(yōu)勢在于控溫的同時可以保持良好的溫度一致性[18-19]。同時，在實際應用中相變材料散熱技術由于具有不需要額外消耗系統(tǒng)能量、結構簡單、易維護、減少運動部件及剛性連接件、散熱效果優(yōu)越等優(yōu)勢，已成為業(yè)界研究的熱點。Mehdi等[20]將復合相變材料應用于電池散熱，結果表明大電流放電條件下，電池的最高溫度維持在安全溫度范圍內；Tauseef等[21]重點研究石蠟/泡沫銅復合相變材料的散熱效果，并對增強純石蠟導熱性能的添加劑進行了匯總和對比分析；Huang等[22]將相變材料用于電池模組熱管理研究，測試結果表明，10 C放電倍率下電池組最高溫度可以下降18 ℃。近些年隨著電動汽車對于動力系統(tǒng)的整體性能要求的不斷提升，尤其是安全性能，實際在進行熱管理系統(tǒng)的設計時，采用復合熱管理系統(tǒng)，比如相變材料?空氣散熱、相變材料?液體散熱等，提升整個系統(tǒng)的運行安全[23-25]。

本文以自然對流電池模組為對照組，在此基礎上利用石蠟/石墨/AlN/環(huán)氧樹脂復合相變材料作為傳熱介質開發(fā)相變材料熱管理電池組，系統(tǒng)研究相變材料對于電池模組的散熱性能影響機理。本文提出了一種相變材料/導熱翅片復合熱管理系統(tǒng)，即在相變材料模組的基礎上，在電池組正負極處安裝強化散熱用低肋翅片，進一步對整個模組的正負極部位進行均溫和散熱，提升整個系統(tǒng)的熱安全性。并通過室溫(25 ℃)和高溫(45 ℃)工況條件下對3種不同熱管理方式的電池組分別進行0.5，1.0，1.5 C恒定放電倍率實驗和充放電循環(huán)不間斷測試，驗證和評估3種熱管理系統(tǒng)在階段性和連續(xù)電化學反應時的控溫和均溫效果。此論文研究內容將極大提升三元化學體系動力鋰電池的熱安全性能，并為后續(xù)熱管理系統(tǒng)的設計提供高度理論及數據支撐。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

實驗所用同一批電芯購置于深圳葆盛力科技有限公司，具體技術指標如表1所示。

表1 電芯的技術指標Table 1 Technical indicators of the cell

1.2 電池模組的組裝過程

電池模組由30個進口18650型三元電芯并聯組成，自然對流電池組的組裝過程如下：(1) 對同一批電芯進行分容和一致性測試，選取30個一致性良好的電芯用于組裝電池模組；(2) 在選取電芯的幾何位置表面布置一條熱電偶(OMEGA T型熱電偶，誤差±0.1 ℃)，用于采集電芯充放電過程中的溫度；(3) 將布有熱電偶的電芯分別裝在事先加工好的蜂窩狀的導熱絕緣外殼(阻燃等級：V-0；導熱系數: 1.29 W/(m·K)；體積電阻率：0.696 9×1011Ω·m)，模塊的孔徑為18.5 mm，高度為65 mm；(4) 利用點焊機對電芯進行并聯連接，為了防止正負極處電流過大，特焊接銅散熱片進行分流。在上述模組的基礎上，對導熱絕緣外殼除了入口處的外表面進行密封，將已經制備好的熔融狀態(tài)下的含20% AlN的石蠟/石墨/AlN/環(huán)氧樹脂復合相變材料(熔點：47 ℃；相變潛熱：116.61 J/g；導熱系數：1.34 W/(m·K))通過導熱絕緣外殼上的入口灌注進電池模組，需要注意的是在5 min最短時間內灌注完，并進行不同角度的輕微搖晃，確保液體PCM均勻流向模組的任何空隙，最后對入口進行密封。在相變材料模組的基礎上，安裝導熱翅片，具體的安裝過程如圖1所示?；趯ΨQ原則，選取模組的1/4為溫度測試區(qū)域，電池模組中熱電偶的分布如圖2所示。電池模組和所用鋁散熱翅片的技術規(guī)格參數分別如表2和表3所示。

圖1 相變材料/散熱翅片電池組的組裝過程Fig.1 Assembly process of battery module adopting PCM coupling with low fins cooling system

圖2 熱電偶排布Fig.2 Arrangement of the thermocouples

1.3 測試原理

實驗測試所用的設備包括一臺BTH-80 C恒溫箱，用于提供實驗所涉及的室溫和高溫環(huán)境；一臺50V120A-NTF充放電測試儀，用于對電池組進行正常的充放電和循環(huán)實驗，并進行電壓、電流、充放電容量等基礎電化學性能檢測；一臺34970A型溫度巡檢儀，用于實時采集和監(jiān)控電池模組充放電過程中的溫度數據，采集間隙為1 s；一臺裝有測試軟件的電腦，實驗測試平臺如圖3所示。

表2 三元電池模組的技術規(guī)格參數Table 2 Technical parameters of the ternary power battery modules

表3 鋁散熱翅片的技術性能Table 3 Technical performance of Al heat-dissipation low fins

圖3 測試實驗平臺Fig.3 Testing scheme of experiment platform

1.4 恒流充放電實驗

將電池放置在對應溫度定值運行的恒溫箱中，待電池組各測溫點溫度差異在某一穩(wěn)定的小范圍內且均接近定值的溫度時，在室溫(25 ℃)和高溫(45 ℃)兩種工況下分別對電池組進行恒流恒壓充電。具體充電過程為：先使用1 C恒流充電，待電壓達到充電截止電壓4.25 V時，結束恒流充電過程。然后開始恒壓(4.25 V)充電過程，待截止電流達到7.2 A時，整個電池組充電完成。擱置30 min，待各測溫點溫度一致且均接近定制運行的溫度時，分別對電池組進行不同倍率(0.5，1.0，1.5 C)的恒流放電測試，待放電截止電壓為2.75 V時，放電結束。放電結束后，擱置至少20 min，使電池組完全冷卻。

1.5 充放電循環(huán)實驗

為了驗證電池組持續(xù)充放電過程中的產熱效應，電池組在室溫和高溫環(huán)境條件下，分別對3個具有不同散熱方式的電池組進行充放電循環(huán)實驗。一個充放電循環(huán)的具體操作流程為：(1) 擱置10 min；(2) 在特定的環(huán)境條件下對電池組進行1 C充電，整個充電過程包括恒流和恒壓充電階段。前者充電截止電壓為4.25 V，后者充電截止電流為7.2 A；(3) 擱置30 min；(4) 對電池組分別進行1.0 C和1.5 C恒定倍率放電，放電截止電壓為2.75 V；(5) 擱置20 min，一次充放電循環(huán)結束；(6) 充放電循環(huán)次數為3次。

2 結果與討論

2.1 室溫工況下不同放電倍率冷卻效果對比

圖4表明在室溫環(huán)境條件下，0.5 C放電倍率下，PCM/翅片的最高溫度達到最低值，為28.79 ℃，與自然對流和PCM冷卻測試結果相比，分別降低13.0%和11.4%；隨著放電電流的持續(xù)升高，PCM/翅片復合熱管理方式依然將電池組的最高溫度控制到最低值。當放電倍率為1.0 C時，PCM/翅片的最高溫度分別減少7.08 ℃和2.07 ℃；當放電電流繼續(xù)升高至將近100 A(1.5 C)時，PCM/翅片的最高溫度分別下降9.51 ℃和2.54 ℃，主要原因在于PCM快速吸收了電池組產生的高溫高熱，而且電池模組強化散熱翅片進一步將正負極處熱量快速散熱至周圍環(huán)境中，使得電池組的最高溫度快速降低，進而降低了電池模組的升溫速率和產熱效率，最終提升了電池組的運行安全。

對于電池組而言，均衡溫度比控制溫度更加重要。圖5表明當放電電流為0.5 C時，PCM/翅片電池模組的最大溫差與其他兩個電池模組相比，分別下降2.34 ℃和1.1 ℃；伴隨著電流的增加，1.5 C恒定倍率放電實驗時，PCM/翅片電池模組的最大溫差與其他兩個電池模組相比分別降低2.14 ℃和1.65 ℃。主要原因在于相變材料與每個電芯的側面均勻接觸使得電池模組的溫度一致性得到提升，但是有了散熱翅片的輔助，對于模組正負極處進行強化散熱，整個電池組的溫度分布更加均勻。

圖4 多種散熱方式下不同放電倍率最高溫度對比(25 ℃)Fig.4 Comparison of the maximum temperature of power battery modules with different cooling systems at various discharge rates(25 ℃)

圖5 多種散熱方式下不同放電倍率溫度一致性對比(25 ℃)Fig.5 Comparison of the temperature consistency of power battery modules with different cooling systems at various discharge rates(25 ℃)

2.2 室溫工況下充放電循環(huán)散熱效果對比

圖6表明在室溫工況下，隨著電化學反應的不斷進行，采用自然對流散熱技術的電池組溫升速率最高，采用相變材料散熱技術的次之，相變材料已經使得電池組在充放電循環(huán)過程中的最高溫度有所降低，但是相變材料耦合散熱翅片復合熱管理技術在相變材料測試結果基礎上，電池組的溫升速率大幅度降低，進行到第3次循環(huán)時，最高溫度降低3.6%，達到35.79 ℃。結果表明，在電池組持續(xù)進行電化學反應時，在循環(huán)的中后期，相變材料和散熱翅片共同作用使得電池模組的產熱速率下降，有利于使得電池組擺脫周圍持續(xù)的高溫環(huán)境，進一步提升其安全性能、電化學性能和服役壽命。

圖6 1.0 C充放電循環(huán)溫升速率對比(25 ℃)Fig.6 Contrast of temperature rising rate under 1.0 C chargedischarge cycle condition(25 ℃)

圖7關注的是充放電循環(huán)時的溫度一致性分布，室溫條件下當放電電流較小時，電池組的產熱量及溫升速率相對比較慢，此時僅僅自然冷卻電池組就可以將電池組的最高溫差控制在4 ℃以內，而相變材料的加入進一步優(yōu)化了溫度一致性，最大溫差進一步降低至3.6 ℃以內，散熱翅片的安裝使得電池組正負極處與散熱片進行熱傳導，并與周圍環(huán)境進行熱對流，拉平了整個電池組的溫度，最終電池組最大溫差指標維持在2.7 ℃以內。尤其電池組在持續(xù)爬坡、大電流放電等特殊工況運行時，電池組的溫度一致性分布尤為重要，進而使電池組內每個電芯的散熱邊界條件一致，有助于整個電池模組熱安全性能、續(xù)駛里程、服役性能等性能的提升。

圖7 1.0 C充放電循環(huán)溫度一致性對比(25 ℃)Fig.7 Comparison of the temperature uniformity under 1.0 C charge-discharge cycle condition(25 ℃)

圖8研究了大電流(將近100 A)放電情況下，電池組充放電循環(huán)時溫度的變化規(guī)律，結果表明隨著放電電流的增加，采用空氣作為散熱介質的電池組最高溫升達到9.18 ℃，在實際應用時，溫差過大導致的溫度分布嚴重不均勻將直接影響電池組乃至新能源汽車的綜合性能，尤其是安全性能。而采用相變材料散熱技術的電池組即使在循環(huán)結束后最大溫差持續(xù)降低至5.71 ℃，維持在6 ℃以內，但是仍然超過了電池組一致性指標5 ℃以內范圍。有了散熱翅片與相變材料的共同參與，電池組的溫度得到了有效的控制，維持在43 ℃以內，最大溫差維持在4 ℃以內。測試結果無疑對于電池組后續(xù)熱管理系統(tǒng)的設計提供設計依據及理論指導，加速三元電池組在實際推廣應用時的產業(yè)化。

圖8 1.5 C充放電循環(huán)產熱性能比較(25 ℃)Fig.8 Comparative analysis of heat generation properties under 1.5 C charge-discharge cycle(25 ℃)

2.3 高溫工況下不同放電倍率散熱效果對比

圖9表明隨著環(huán)境溫度的升高，即使在不同的放電電流下，3種不同熱管理技術的電池模組表現出和室溫環(huán)境相同的變化趨勢。對于3.6 V/66 Ah的電池模組，自然對流散熱方式已經遠遠不能滿足電池組的散熱需求，當放電倍率為1.5 C時，最高溫度為68.56 ℃，最大溫差達到6.83 ℃，遠遠超過了電池模組溫度一致性(5 ℃以內)的指標。而PCM散熱方式可以有效的控制電池組運行的最高溫度，并保持良好的溫度一致性，即使在將近100 A(1.5 C)放電電流下，最大溫差降低為2.7 ℃(見表4)。而散熱翅片的加入使得整個相變材料電池組的產熱速率和溫升梯度得到了進一步的降低，將電池模組的最大溫差控制在2 ℃以內，極大地均衡了電池模組內所有電芯的放電溫度并提升溫度一致性。

圖9 多種熱管理方式下電池模組不同放電電流的最高溫度對比(45 ℃)Fig.9 Contrast study of the maximum temperature of power battery modules installing different cooling systems with different discharge current (45 ℃)

表4 不同散熱方式下電池模組溫度隨著放電電流的變化規(guī)律(45 ℃)Table 4 Variations principle of battery module temperature with discharge current adopting different heat dissipation modes(45 ℃)

2.4 高溫工況下充放電循環(huán)冷卻效果對比

圖10和圖11分別分析了高溫試驗條件下，放電倍率分別是1.0 C和1.5 C時充放電循環(huán)過程中的溫度變化規(guī)律。圖10測試結果表明第3次循環(huán)(1.0 C放電)結束后自然對流電池組最高溫差達到5.19 ℃，而相變材料散熱電池組最大溫差達到3.21 ℃，相變材料/翅片的電池模組溫度分布更加一致均勻，在整個循環(huán)過程中最大溫差一致維持在1 ℃以內。對于電化學反應過程中的溫度變化，相變材料/翅片電池模組循環(huán)結束時的最高溫度與自然對流相比，降低了3.5 ℃。當放電倍率增加至1.5 C時，循環(huán)結束后相變材料/翅片電池模組溫度最大值為59.08 ℃，與自然對流和相變材料電池模組相比，分別降低8.48 ℃和3.66 ℃，均衡溫度方面，相變材料/翅片電池模組與自然對流和相變材料電池模組相比，最大溫差分別降低5.31 ℃和1.95 ℃，達到3.11 ℃。散熱翅片充分發(fā)揮了積極的強化傳熱作用，將電池產熱量的核心部位正負極處的高溫高熱及時地與周圍環(huán)境熱交換，電池模組側面通過相變材料吸收產生熱量，這樣使得電池組全方位地進行高效率散熱，最終使得安全性大幅度提升，主要表現在升溫速率及溫度分布一致性的技術指標。

圖10 1.0 C充放電循環(huán)最高溫度和最大溫差(45 ℃)Fig.10 Maximum temperature and maximum temperature difference of 1.0 C cycle at higher temperature(45 ℃)

2.5 相變材料/導熱翅片散熱系統(tǒng)隨著放電電流的變化散熱規(guī)律

在室溫(25 ℃)和高溫(45 ℃)實驗環(huán)境條件下，隨著放電電流的增加，相變材料耦合導熱翅片復合熱管理系統(tǒng)的控溫和均溫變化規(guī)律具體如表5和圖12所示。

表5表明在室溫條件下，隨著放電電流的上升，1.5 C(將近100 A)高放電倍率下最高溫度達到42.63 ℃，相變材料/導熱翅片復合熱管理系統(tǒng)可以有效地控制電池組的最高溫度，使其維持在安全運行溫度范圍內。當實驗環(huán)境條件升至高溫45 ℃時，控制溫度的同時可以合理有效均衡電池組內每個電芯的最高溫度，使最大溫差維持在1.0 ℃以內。均衡性能在室溫和高溫充放電循環(huán)過程中表現得尤為顯著，具體如圖12所示，即使在高溫惡劣環(huán)境條件下當放電電流將近100 A(1.5 C)時，電池組的最大溫差依然維持在5 ℃以內，滿足電池組均溫性能的散熱指標。因此相變材料耦合導熱翅片復合冷卻系統(tǒng)應用在動力電池模組中，可以強化散熱效率，有效提升動力電池模組的熱安全性能，從而提升續(xù)駛里程及服役壽命。

圖11 1.5 C充放電循環(huán)最高溫度和最大溫差(45 ℃)Fig.11 Maximum temperature and maximum temperature difference of 1.5 C cycle at higher temperature(45 ℃)

表5 不同放電電流下相變材料/導熱翅片的控溫和均溫效果對比Table 5 Comparison of controlling and balancing temperature effect of battery module employing PCM/low fins composite cooling technology at various discharge rates

3 結論

本文主要研究自然對流、相變材料和相變材料/翅片3種不同的熱管理系統(tǒng)對于同樣技術規(guī)格的18650電池模組的傳熱規(guī)律影響。進而將電池模組在室溫(25 ℃)、高溫(45 ℃)2種環(huán)境條件下分別進行0.5，1.0，1.5 C恒定放電倍率實驗和充放電循環(huán)測試，對不同工作溫度、不同放電倍率、不同散熱方式電池組的溫升速率及產熱速率進行了對比分析，所得結論如下。

圖12 充放電循環(huán)過程中相變材料/導熱翅片的控溫和均溫變化規(guī)律Fig.12 Variations regulations of controlling and balancing temperature effect of battery module employing PCM/low fins composite cooling technology during the chargedischarge cycles process

(1) 文章所涉及的3種熱管理技術中，相變材料/導熱翅片復合熱管理系統(tǒng)可以實現高效的溫度控制，高溫45 ℃條件下，1.5 C放電時最高溫度達到53.13 ℃，與自然對流電池組相比，降低15.43 ℃；1.5 C充放電循環(huán)結束時，與其他2種散熱方式相比，最高溫度分別下降8.48 ℃和3.66 ℃。

(2) 相變材料/導熱翅片在控制電池組最高溫度的同時，具有良好的均衡溫度的能力。尤其是在高溫實驗條件下的大電流放電及充放電循環(huán)實驗進程中，散熱效果尤為顯著，45 ℃下1.5 C放電時最大溫差僅為1.51 ℃，即使在將近100 A(1.5 C)大電流放電循環(huán)結束后最大溫差仍可維持在3.11 ℃，滿足動力電池組最大溫差5 ℃以內的散熱需求。

(3) 相變材料耦合導熱翅片復合熱管理技術由于具有高效快速的降溫及均溫優(yōu)勢，顯著提升整個動力電池模組乃至新能源汽車整車的熱安全性，尤其是目前主流的三元化學體系動力電池模組，勢必在未來動力電池組熱管理發(fā)展領域具有良好的應用前景。