十四醇軟包鋰電池散熱特性實驗分析

胡尚尚，劉道平，楊亮，2

（1上海理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，上海200093；2上海市動力工程多相流動與傳熱重點實驗室，上海200093）

鋰電池因其儲能密度大、效率高和節(jié)能環(huán)保，在功率型和能量型儲能領(lǐng)域得到越來越多的關(guān)注[1]，特別是在電子移動設(shè)備使用過程中廣泛應(yīng)用[2]。伴隨著可便攜式移動電子設(shè)備和電動交通工具的快速發(fā)展，人們需要不斷提高鋰離子電池的能量密度。目前，電動汽車等大功率以及電網(wǎng)儲能等大容量電池核心技術(shù)被國外企業(yè)占有，使得國內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展受到制約較多[3-4]。

軟包裝三元聚合物鋰離子電池作為高比能量儲能單元已成為國內(nèi)外鋰電池領(lǐng)域的研究開發(fā)熱點，不僅應(yīng)用于后備電源等小中型設(shè)備領(lǐng)域，也被應(yīng)用于電動車、大型儲能電站等高能量需求領(lǐng)域[5-9]。電池內(nèi)部發(fā)生劇烈化學(xué)反應(yīng)，進而產(chǎn)生更多熱量，熱量不能及時散出時可能會導(dǎo)致電池發(fā)生鼓包、漏液、冒煙等現(xiàn)象，嚴(yán)重時還會導(dǎo)致燃燒甚至爆炸事故。因此，采用合理有效的散熱措施控制單體電池在適宜溫度范圍內(nèi)工作，有利于提升電池循環(huán)壽命及熱安全性能，進而對提高電池成組整體性能具有重要意義。

相變式電池?zé)峁芾砑夹g(shù)主要利用相變材料（PCM）相變過程中吸收或者釋放大量潛熱對電池進行熱管理，而且在相變過程中PCM 溫度保持不變或變化范圍很小[10]。迄今為止，PCM已經(jīng)應(yīng)用于許多領(lǐng)域，其儲熱和傳熱特性、制備和表征以及數(shù)學(xué)模擬工作也受到了眾多研究學(xué)者的充分關(guān)注。Sellan 等[11]采用電加熱模擬電池放電特性，通過實驗分析了恒定生熱速率、變生熱速率、環(huán)境溫度以及周期環(huán)境溫度工況下的PCM 熱管理系統(tǒng)性能。安治國等[12]建立了電動汽車鋰離子電池的三維熱仿真模型，在仿真研究的基礎(chǔ)上對電池組散熱系統(tǒng)的電池排布與泡沫鋁孔隙率進行了有交互作用的正交試驗，確定了電池組散熱系統(tǒng)的最優(yōu)參數(shù)。王子緣[13]針對46.8V/8.8A·h電池模組開發(fā)過程中的電性能篩選、產(chǎn)熱評估、模組及熱管理設(shè)計等關(guān)鍵環(huán)節(jié)進行研究。結(jié)果表明，電池模組放電倍率越大，PCM 熱管理的降溫和均溫能力越顯著。Mahmoud等[14]比較了主動空氣冷卻和PCM冷卻對高功率鋰電池的熱管理效果，PCM 冷卻使電池溫度保持在55℃以下，尤其是當(dāng)電池的工作溫度或環(huán)境溫度較高（40～45℃）時，氣體冷卻失效。李一[15]在空氣冷卻、純石蠟冷卻和石蠟泡沫銅復(fù)合相變材料冷卻這3 種熱管理方式下，探究了鋰電池組散熱實驗，研究了鋰電池組的表面最高溫度和溫升在不同放電倍率時的變化，結(jié)果表明復(fù)合相變材料冷卻方式優(yōu)勢突出，具有更好的控溫和均溫效果。

相變材料眾多，在電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中可依據(jù)相變溫度及實際系統(tǒng)設(shè)計需要進行選材。以十四醇為相變材料具有市場價格低廉、相變焓值（220 kJ/kg）較高的優(yōu)點[16]，并且十四醇是一種對環(huán)境無毒無害的相變環(huán)保材料。本文以十四醇為相變控溫材料，將其填充于軟包鋰電池散熱系統(tǒng)中，針對軟包方形聚合物鋰電池自身的結(jié)構(gòu)與生熱特點，研究該相變體系對電池放電的控溫特性，以期實現(xiàn)對電池放電時工作溫度的有效控制。

1 實驗部分

1.1 實驗材料與裝置

本文所用發(fā)熱電子元件為90mm×64mm的扁平方形軟包聚合物鋰電池，其標(biāo)稱容量為8000mA·h。有機相變控溫材料采用十四醇（C14H30O，相變區(qū)間為38～40℃），其純度大于99.9%。

實驗裝置示意流程如圖1所示，主要包括電池控溫腔體、電池充放電儀（ZKE EBC-A10H/EBDA20H）、Agilent 數(shù)據(jù)采集儀（34972A）和恒溫水浴箱。系統(tǒng)溫度采用K 型熱電偶測量，測量精度為±0.01℃。環(huán)境溫度由恒溫水浴箱控制，控溫精度為±0.01℃。

圖1 實驗裝置示意流程圖

基于相變材料散熱的軟包方形聚合物鋰電池控溫裝置由304鋼制造，外殼厚度2mm，內(nèi)部填充相變材料（十四醇，C14H30O），內(nèi)殼裝載電池，如圖2所示。圖3為聚合物鋰電池結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 鋰電池散熱控溫裝置

圖3 三元聚合物鋰電池結(jié)構(gòu)

1.2 實驗過程

對單體方形電池進行測溫實驗時，由于電池兩極耳同側(cè)結(jié)構(gòu)，且極耳片材料不同（正極Al，負(fù)極Cu），因此電池為非軸對稱結(jié)構(gòu)，需測量的9 個溫度點如圖4所示。其中，測點5在電池中心，測點1、4、7位于電池負(fù)極極耳側(cè)，測點3、6、9位于電池正極極耳側(cè)，測點2、8是與電池中心點對齊。

圖4 鋰電池溫度特征點布置示意圖

電池放電實驗前，先將其置于恒溫水浴中，在25℃、30℃和35℃環(huán)境中，分別采用空氣自然冷卻和相變吸熱的方式進行控溫實驗。測點1～9 的溫度通過K型熱電偶測量，溫度信號由數(shù)據(jù)采集儀每隔10s記錄一次，取鋰電池表面中心最高溫度，并傳輸至計算機。單體電池在2A 恒定電流下充電至截止電壓（4.2V），然后轉(zhuǎn)恒壓充電至電流變?yōu)?.08A。鋰電池在0.6C、0.8C 和1.0C 放電倍率下（分別對應(yīng)電流4.8A、6.4A 和8.0A），放電至截止電壓2.75V。電池以空氣自然對流進行散熱冷卻，對流換熱系數(shù)取值是5W/(m2·K)。

2 數(shù)值模擬

根據(jù)相變材料散熱的聚合物鋰電池散熱裝置系統(tǒng)實物模型，在SolidWorks中建立散熱裝置及聚合物鋰電池散熱系統(tǒng)的三維有限元模型，如圖5 所示。通過ANSYS 數(shù)據(jù)自動導(dǎo)入接口導(dǎo)入該三維模型，并參照實驗中測溫點建立監(jiān)測節(jié)點。對以十四醇為相變材料散熱的鋰離子電池散熱控溫裝置的三維瞬態(tài)傳熱數(shù)學(xué)模型，作如下假設(shè)：①十四醇發(fā)生固-液相變時，因相變而引起的體積變化可以忽略；②忽略PCM 輻射對散熱的影響；③相變溫度取區(qū)間38～40℃，十四醇融化時沒有液體流動。

圖5 散熱控溫裝置系統(tǒng)模型示意圖

3 結(jié)果與討論

在散熱控溫裝置空腔內(nèi)填充相變材料C14H30O，用以吸收鋰電池產(chǎn)生的熱量。通過hotdisk測量得到C14H30O的密度為869kg/m3，熱導(dǎo)率為0.35W/(m·K)；圖6為十四醇的DSC曲線，經(jīng)過熱流率數(shù)據(jù)計算，得到相變潛熱為200kJ/kg，比熱容值為2069.92 J/(kg·K)。

圖6 C14H30O的DSC曲線圖

3.1 鋰電池放電溫升特性

圖7 為在0.6～1.0C 放電倍率下，聚合物鋰電池放電過程中溫度的變化情況。從圖中可以看出，3個放電倍率下鋰電池溫度逐漸增加，相比于低放電倍率，高放電倍率下鋰電池溫度增加較快。在0.6C 放電倍率下，鋰電池溫度逐漸增至48.99℃，已超過鋰電池最佳溫度45℃；而在0.8C 和1.0C 放電倍率下，鋰電池溫度近乎線性增加，溫度分別高達(dá)60.34℃和75.89℃，溫度超過45℃時長分別占據(jù)整個放電過程的70.7%和84%。因此，在高放電倍率下不利于鋰電池持續(xù)正常、安全放電，需要采取強化散熱措施以保證其持續(xù)正常、安全工作。

圖7 不同放電倍率下鋰電池溫度變化

圖8為不同環(huán)境溫度對鋰電池溫度變化特性的影響。在實驗環(huán)境溫度為25℃、30℃和35℃時，鋰電池以0.6C、0.8C 和1.0C 倍率進行放電。同一放電倍率工況下，雖然環(huán)境溫度不同，但鋰電池的溫度變化曲線隨時間變化趨勢一致，幾近平行曲線。如圖8(c)所示，在1.0C倍率放電時，鋰電池溫度分別達(dá)到70.01℃、75.89℃和79.34℃。此時鋰電池溫度與環(huán)境溫度相比分別上升45.01℃、45.89℃和44.30℃，并且超過45℃時長所占整個放電比例隨環(huán)境溫度的增加而增大。在放電過程中，放電電流的大小對鋰電池溫度變化影響顯著，且環(huán)境溫度變化對鋰電池溫度變化規(guī)律的影響較??；鋰電池最終溫度隨著環(huán)境溫度升高而升高，因此環(huán)境溫度可以決定鋰電池在放電過程中的最終溫度。

圖8 不同環(huán)境溫度對鋰電池?zé)崽匦缘挠绊?/p>

3.2 實驗分析散熱控溫裝置性能的影響

圖9 不同放電倍率工況下鋰電池溫度的變化情況

在實驗環(huán)境溫度保持在30℃時，選取散熱控溫裝置進行實驗測試，考察0.6C、0.8C 和1.0C 倍率放電條件下鋰電池溫度的變化情況，結(jié)果如圖9所示。通過對比得到：不同放電倍率工況下，基于散熱控溫裝置的鋰電池溫度變化曲線一致，隨著鋰電池不斷放電生熱，在鋰電池溫度升至相變材料相變溫度之前，溫度隨放電時間快速平穩(wěn)上升；達(dá)到相變溫度區(qū)間時，溫度上升速率明顯降低，出現(xiàn)低于40℃的溫度平臺，且三者的平臺時間隨放電倍率的增加而縮短，在此時間段內(nèi)鋰電池處于最佳運行溫度環(huán)境中；當(dāng)相變材料完全相變后，鋰電池溫度再次快速上升。由此可見，相變材料只在其相變區(qū)間內(nèi)起到散熱控溫作用，相比沒有散熱控溫裝置的工況，鋰電池以0.6C、0.8C 和1.0C 倍率放電時，溫度分別下降了1.21℃、8.89℃和17.45℃，散熱效果十分明顯，且放電電流越大，其冷卻效果就愈加明顯。

圖10 不同放電倍率下鋰電池的溫度平臺時長（Ta=30℃）

環(huán)境溫度保持30℃時，0.6C、0.8C和1.0C放電倍率下鋰電池的溫度平臺時長分別為58min、39min 和25min，如圖10 所示。隨著鋰電池不斷放電生熱，利用相變材料相變區(qū)間控溫的時長逐漸縮短。由此可見，相變材料利用其相變區(qū)間起散熱控溫作用的時長與放電倍率有關(guān)，放電倍率每增加0.2C 時，控溫時長分別縮短了19min、23min，說明相變區(qū)間控溫時長隨著放電倍率增大而減小。

在同一放電倍率下，不同環(huán)境溫度（25℃、30℃和35℃）中鋰電池溫度的變化情況見圖11。鋰電池溫度達(dá)到相變區(qū)間之前，溫度曲線上升趨勢一致，受環(huán)境溫度影響較?。浑S環(huán)境溫度的升高，觸發(fā)PCM 以潛熱進行散熱控溫開始時間越早。在0.6C、0.8C 和1.0C 放電倍率條件下，分別在放電38min、23min和16min后溫度變化趨勢迅速延緩至幾近平緩；而達(dá)到相變溫度區(qū)間時隨環(huán)境溫度的降低而滯后，相變區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)溫度平臺時間長度幾乎一致。如0.6C 倍率放電時，溫度平臺時長均為58min左右，幾乎不受環(huán)境溫度影響。

在環(huán)境溫度分別為25℃、30℃和35℃時，以1.0C 倍率放電時的溫度平臺變化情況見圖12。相變區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)溫度平臺的時間長度幾乎一致，溫度平臺時長分別為24min、25min和24min；并且時長最大時差小于2min，不受環(huán)境溫度影響。這是因為PCM 潛熱儲存熱量的能力與PCM 用量及鋰電池本身生熱量有關(guān)，與環(huán)境溫度基本無關(guān)。

3.3 模擬分析散熱控溫裝置性能的影響

在30℃環(huán)境下，通過數(shù)值模擬進行對比分析0.6～1.0C 放電倍率下的鋰電池溫度分布情況見圖13。在不同放電倍率條件下，該裝置都起到了冷卻和延緩鋰電池溫度升高的作用。鋰電池放電倍率越高，則鋰電池的溫升越高，散熱控溫時長縮短。其中，0.6C倍率放電時，相變材料散熱控溫時長達(dá)到60min，是整個放電過程的60%左右，鋰電池最終溫度為44.89℃。在0.8C 和1.0C 放電倍率時，相變材料控溫時長分別占整個放電過程的53%和42%，放電結(jié)束時溫度分別為50.95℃和57.92℃，與未使用散熱控溫裝置時相比，溫度分別下降了7.41℃和16.11℃，其中溫度超過45℃時長占比分別降低了55%和58%，可以看出該散熱控溫裝置有非常顯著的控溫效果，且其溫度變化趨勢也與實驗結(jié)果吻合。

圖11 不同環(huán)境溫度下鋰電池溫度隨時間的變化

圖12 放電倍率為1.0 C時的溫度平臺時長

圖13 模擬不同放電倍率下的鋰電池溫度分布

圖14 模擬散熱控溫裝置對鋰電池的影響

在不同的環(huán)境溫度條件下，選取0.8C 和1.0C倍率放電進行數(shù)值模擬仿真計算，鋰電池溫度變化情況如圖14 所示。相變控溫裝置都起到了冷卻和延緩鋰電池溫度升高的作用，但當(dāng)鋰電池放電倍率相同時，該裝置沒有改變鋰電池溫度變化趨勢與相變材料的控溫時長。在不同的環(huán)境溫度（25℃、30℃、35℃）中，以0.8C倍率放電時，鋰電池溫度的最終模擬值分別是42.76℃、50.94℃和53.83℃；以1.0C 倍率放電時，鋰電池溫度的最終模擬值分別達(dá)到52.06℃、57.93℃和65.14℃，并且高于45℃的時長，分別占放電時間的13%、25%和33%。在相變材料融化之前，鋰電池溫度隨環(huán)境溫度的增大而增加；當(dāng)溫度達(dá)到相變材料相變溫度點時，相變材料開始由固態(tài)融化成液態(tài)，此時因為PCM 的相變潛熱發(fā)揮作用，鋰電池溫度上升速度十分緩慢；當(dāng)相變材料相變結(jié)束時，鋰電池溫度再次快速上升，且在放電結(jié)束時刻達(dá)到最大溫度。

對模擬值與實驗值進行對比與誤差分析，由圖15(a)可以看出，實驗中得到的溫度變化曲線與數(shù)值模擬得到的曲線基本重合，誤差較大主要存在于放電初期與放電末期兩個階段。由圖15(b)可以發(fā)現(xiàn)，模擬結(jié)果與實驗結(jié)果兩者最大誤差依次是1.54℃、1.63℃和1.89℃。其中，在放電初期與放電末期誤差較大，是因為在這兩個階段，鋰電池內(nèi)阻較大，歐姆熱阻對于鋰電池溫度變化起主要作用；而在仿真計算中，鋰電池內(nèi)阻假設(shè)不變，但是最大誤差沒有超過2℃，因此可以驗證實驗值與模擬值吻合較好。

圖15 1.0 C倍率放電實驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對比圖

4 結(jié)論

在本文實驗研究中，以軟包方形聚合物鋰電池單體作為研究對象，以實驗與仿真相結(jié)合的方式，探究了不同放電工況對鋰電池表面溫度的影響和PCM 散熱控溫裝置的性能，為軟包聚合物鋰電池的熱管理提供一定參考，得出結(jié)論如下。

（1）不同放電倍率工況下，基于散熱控溫裝置進行熱管理的鋰電池溫度曲線呈“上升-平臺-上升”趨勢，放電倍率越大，其冷卻效果就越明顯，且相變材料只在其相變區(qū)間內(nèi)起到散熱控溫作用。

（2）不同環(huán)境溫度、同一放電倍率下，在鋰電池溫度達(dá)到相變區(qū)間之前，鋰電池溫度受環(huán)境溫度影響較小，達(dá)到相變溫度區(qū)間時間隨溫度的降低而滯后；相變區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)溫度平臺時長相等，不受環(huán)境溫度影響，與鋰電池本身生熱量有關(guān)。

（3）仿真模擬得到的結(jié)果與實驗結(jié)果最大誤差不超過2℃，該數(shù)值模型可以用于預(yù)測鋰電池在其他放電倍率、環(huán)境溫度中的溫度分布及變化趨勢。