基于液-風(fēng)復(fù)合冷卻方式的動(dòng)力電池試驗(yàn)研究

王鏡儒

四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 廣元 628040

動(dòng)力電池技術(shù)一直是制約新能源汽車(chē)快速發(fā)展的關(guān)鍵因素，攻克和突破動(dòng)力電池相關(guān)技術(shù)對(duì)加快新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)布局意義重大。因此，動(dòng)力電池?zé)峁芾砑夹g(shù)對(duì)動(dòng)力電池能否安全、高效、穩(wěn)定的工作顯得尤為重要。

方凱等[1]為解決動(dòng)力電池在夏季高溫時(shí)出現(xiàn)的單體之間溫差過(guò)大的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種新型風(fēng)冷電池箱體結(jié)構(gòu)，能夠在一定程度上改善電池組內(nèi)部的溫度特性。鄭海等[2]為提高動(dòng)力電池組的安全性，在電池底部布置液冷系統(tǒng)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和模擬研究，結(jié)果表明，此種方式能有效降低電池的最高溫度，但可能會(huì)造成電池上下表面溫差加大的問(wèn)題。安周建等[3]采用新型電子冷卻液NOVEC7000 作為工質(zhì)對(duì)電池組進(jìn)行液冷冷卻，研究結(jié)果顯示其能有效提高電池的冷卻效果。

基于上述研究，本文在復(fù)合冷卻思路的基礎(chǔ)上，提出將液冷冷卻與風(fēng)冷冷卻相結(jié)合，通過(guò)搭建試驗(yàn)臺(tái)并設(shè)計(jì)不同的試驗(yàn)方案，對(duì)三元鋰電池組的產(chǎn)熱特性進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)與方案

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

本試驗(yàn)以三元鋰離子電池為研究對(duì)象，單體電池的額定電壓和容量分別為3.6V 和2600mAh，電池組總電壓為18V，總?cè)萘繛?3Ah。試驗(yàn)裝置主要由液冷冷卻系統(tǒng)、風(fēng)冷冷卻系統(tǒng)、容量測(cè)試以及溫度采集裝置等組成，試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 試驗(yàn)裝置

（1）為了避免環(huán)境溫度變化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，以聚氨酯保溫板作為電池組的殼體，其厚度為20mm，箱體尺寸為400×300×200mm，如圖1 所示。

（2）液冷冷卻采用水作為冷卻液并使用風(fēng)冷冷凝器進(jìn)行降溫，同時(shí)在每組電池外部纏繞冷卻盤(pán)管，銅管外徑為6mm，內(nèi)徑為4mm，管路走向與電池軸線(xiàn)方向垂直，并均勻分布在電池外部，每組電池各纏繞銅管4 圈，進(jìn)出水管使用PVC 透明管。另外，電池箱內(nèi)共5 組電池，連接方式為5 并5 串，如圖2 所示。

圖2 電池箱內(nèi)部實(shí)物圖

（3）電池放電采用QTBC391 電池容量測(cè)試儀作為負(fù)載，并可對(duì)放電截止電壓和放電電流進(jìn)行控制。

（4）溫度采集裝置為YP5000 溫度記錄儀，使用編號(hào)為1 ～16 通道的K 型熱電偶并布置在電池軸向中部位置處，每1 分鐘采集一次，采集精度為0.1℃。

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)方案1：自由放電；方案2：自由放電+液冷冷卻；方案3：自由放電+風(fēng)冷冷卻；方案4：自由放電+液冷冷卻+風(fēng)冷冷卻。在試驗(yàn)過(guò)程中，將電池容量測(cè)試儀的放電電流設(shè)置為6A，放電截止電壓設(shè)置為17.5V，風(fēng)機(jī)風(fēng)速設(shè)置為最大即8m/s，保持電池箱內(nèi)的初始溫度維持在25℃±0.5℃范圍內(nèi)，并將Ⅱ號(hào)電池模塊作為對(duì)照組，不通入冷卻液，如圖2 所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在方案1 的放電測(cè)試過(guò)程中，將采集到的電池組放電終止時(shí)的各測(cè)試點(diǎn)溫度進(jìn)行整理，見(jiàn)表1 所示。

表1 電池組自由放電終止時(shí)的溫度

從上表可以看到，通道1 對(duì)應(yīng)的電池組總正極溫度最高為34.3 ℃，通道3 對(duì)應(yīng)的電池溫度最低為32 ℃，通道15 對(duì)應(yīng)的總負(fù)極溫度為32.9 ℃，通道16 對(duì)應(yīng)的箱內(nèi)溫度為27.9 ℃，說(shuō)明在自由放電時(shí)的電池產(chǎn)熱量聚集，造成電池箱內(nèi)的溫度升高。因此，為了更好地分析電池組的產(chǎn)熱特性，選擇通道1、通道4、通道5、通道6、通道7、通道12、通道14、通道15 對(duì)應(yīng)的8個(gè)特征溫度進(jìn)行研究。

2.1 液冷方式對(duì)電池冷卻效果的影響

將方案2 電池放電過(guò)程中的8 個(gè)特征溫度進(jìn)行整理，如圖3 所示。

圖3 液冷冷卻條件下的電池溫度變化

從上圖可以看到，通道4、5、6 對(duì)應(yīng)的電池放電終止溫度相較于其他通道明顯偏高，分別為31.3℃、30.8℃、30.4℃，而通道1 和通道15 對(duì)應(yīng)的總正極和總負(fù)極溫度分別為28.0℃和27.2℃，最大溫差為4.1℃，電池箱內(nèi)的溫度為26.2℃。與方案1 相比，通道1 對(duì)應(yīng)的電池溫度降低了6.3℃，通道15 對(duì)應(yīng)的電池溫度降低了5.7℃，通道4、5、6 對(duì)應(yīng)的電池溫度最大降低2℃，說(shuō)明有冷卻液通過(guò)的電池模塊溫度變化較大，并對(duì)未通入冷卻液的電池模塊溫度有所影響，同時(shí)使得電池箱內(nèi)的溫度也有所降低，起到了一定的冷卻降溫作用。

2.2 風(fēng)冷方式對(duì)電池冷卻效果的影響

同理，對(duì)按照方案3 進(jìn)行放電時(shí)的特征溫度進(jìn)行整理，如圖4 所示。

圖4 風(fēng)冷冷卻條件下的電池溫度變化

由圖4 可知，在整個(gè)風(fēng)冷冷卻過(guò)程中，8 個(gè)通道對(duì)應(yīng)的電池溫度變化波動(dòng)較大，且在放電結(jié)束時(shí)，通道14、15 對(duì)應(yīng)的電池溫度最高為26.7℃，通道1 對(duì)應(yīng)的電池溫度為26.6℃，通道5、6 對(duì)應(yīng)的電池溫度最低為25.8℃，最大溫差為0.9℃。

2.3 復(fù)合方式對(duì)電池冷卻效果的影響

同時(shí)開(kāi)啟液冷和風(fēng)冷兩種冷卻方式，在相同條件下進(jìn)行測(cè)試，將電池組放電終止后的特征溫度進(jìn)行整理，如圖5 所示。

圖5 復(fù)合冷卻條件下的電池溫度變化

在放電終止時(shí)，通道1 對(duì)應(yīng)的電池溫度仍然最高為26℃，通道15 對(duì)應(yīng)的電池溫度為25.8℃，通道4、5、6 對(duì)應(yīng)的電池溫度分別為25.9℃、25.6℃、25.5℃，與電池組總正極的溫差極小。在整個(gè)放電過(guò)程中，電池組經(jīng)歷了兩次較大的溫度變化，當(dāng)t=0 ～10min 時(shí)，8 個(gè)電池特征溫度均以較快速度下降，而后又繼續(xù)上升，同樣在t=35 ～40min 時(shí)，電池溫度又急劇下降，通道12 對(duì)應(yīng)的電池溫度最低僅為23.8℃，與電池總正極的溫差最大為2.8℃。

在放電初期的溫度快速下降，可考慮是由于電池內(nèi)部的產(chǎn)熱量遠(yuǎn)低于液冷和風(fēng)冷復(fù)合冷卻帶走的熱量，當(dāng)電池內(nèi)部的反應(yīng)持續(xù)一段時(shí)間后，電池組的總產(chǎn)熱量高于復(fù)合冷卻帶走的熱量，才會(huì)出現(xiàn)電池溫度的逐漸升高。在第二次出現(xiàn)溫度驟降時(shí)，是由于電池內(nèi)部的產(chǎn)熱量已達(dá)到最大數(shù)值，但此時(shí)的復(fù)合冷卻仍然在進(jìn)行工作，對(duì)電池組進(jìn)行持續(xù)降溫，使得電池內(nèi)部的反應(yīng)速率變緩，產(chǎn)生的熱量減少，復(fù)合冷卻帶走電池組的熱量增加，造成了電池組溫度的再次較大下降。

2.4 綜合分析

方案4與方案2相比，電池組的最高溫度下降了5.3℃，最低溫度下降了1.9℃，且在放電結(jié)束時(shí)的各電池溫度差異也較小，最大溫差僅為0.5℃，最小溫差僅為0.1℃，整個(gè)電池組存在較好的溫度場(chǎng)分布，說(shuō)明復(fù)合冷卻較液冷冷卻的效果要好。而方案4 與方案3 都存在溫度波動(dòng)較大的情況，主要原因在于電池箱內(nèi)部未設(shè)計(jì)冷卻風(fēng)道，使得流經(jīng)各電池模塊的冷卻氣流不均勻，雖然方案2 對(duì)應(yīng)的電池組整體溫度偏低，但溫度場(chǎng)分布并不理想，造成復(fù)合冷卻下的電池組溫度場(chǎng)分布優(yōu)于風(fēng)冷冷卻。

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)液冷和風(fēng)冷兩種方式下的單一和復(fù)合冷卻試驗(yàn)研究，可得到以下結(jié)論。

（1）液-風(fēng)復(fù)合冷卻相較于單一冷卻方式，能有效降低電池組的最高和最低溫度，較液冷冷卻方式分別降低5.3℃、1.9℃，較風(fēng)冷冷卻方式分別降低0.7℃、1.2℃；

（2）液-風(fēng)復(fù)合冷卻方式會(huì)使電池組的溫度出現(xiàn)較大的波動(dòng)，但其溫度場(chǎng)的分布從整體上看要優(yōu)于單一冷卻方式，電池單體之間的溫差也更小。