基于相變材料和液體換熱的鋰電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)

孔得朋， 杜 金， 平 平

（中國石油大學(xué)（華東）a.海洋油氣裝備及安全技術(shù)研究中心；b.化學(xué)工程學(xué)院，山東青島266580）

0 引 言

鋰離子電池具有比能量高、循環(huán)壽命長、環(huán)境污染小等卓越性能，目前已在便攜式電子設(shè)備領(lǐng)域成為主導(dǎo)電源，并在新能源電動(dòng)汽車與儲(chǔ)能領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景［1］。溫度是影響鋰離子電池性能的重要因素［2］，過高或過低的溫度均會(huì)影響電池的性能，縮短使用壽命，甚至引發(fā)安全事故。因此，有必要采用合理的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)對電池工作溫度加以控制，從而提高工作效率，保障其安全性。常見的鋰電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)分為被動(dòng)散熱、主動(dòng)散熱、被動(dòng)保溫、主動(dòng)加熱等方式［3-14］。大部分熱管理系統(tǒng)只能應(yīng)對高溫或低溫中的一種工況，無法兼顧不同環(huán)境溫度，并且功耗較大，監(jiān)控狀態(tài)復(fù)雜［15-16］。為使鋰電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)適應(yīng)不同環(huán)境溫度，同時(shí)降低功耗，本文設(shè)計(jì)了一種基于相變材料（PCM）和液體換熱的低功耗鋰電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)。

1 工作原理及硬件設(shè)計(jì)

圖1 為熱管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，主要由溫度監(jiān)測、溫度控制、控制器等部分組成。溫度監(jiān)測模塊采集電池組內(nèi)單體電池、相變材料、換熱液體以及外界環(huán)境等的溫度信息，并將數(shù)據(jù)集中傳輸至控制器，是整個(gè)系統(tǒng)的信息輸入口；控制器模塊接收來自傳感器的溫度等信息，當(dāng)溫度值超過閾值時(shí)發(fā)出指令，控制溫控模塊對電池組進(jìn)行溫度調(diào)整；溫度控制模塊由換熱液體、制冷及加熱組件、散熱金屬管、冷卻風(fēng)扇等組成。該模塊通過PCM儲(chǔ)能和液體換熱的方式對電池組的溫度進(jìn)行調(diào)整，使電池組處于合理的工作溫度區(qū)間，從而提高充放電效率，延長使用壽命。

圖1 鋰離子電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.1 溫度監(jiān)測模塊

目前常用的溫度傳感器主要有熱電偶傳感器、熱敏電阻傳感器、熱電阻傳感器和集成電路熱敏傳感器。鋰電池組的溫度監(jiān)測需要準(zhǔn)確快速地獲取電池組各處的實(shí)時(shí)溫度，因此，鋰電池組的溫度監(jiān)測需要一種體積小巧、測量準(zhǔn)確快速、工作時(shí)間長、不易損壞的溫度傳感器。熱敏電阻傳感器的測量精度較高且體積小巧，控制方式簡單，具有較好的線性且重復(fù)度優(yōu)異，其工作范圍在-100 ～450 ℃，適合長期布設(shè)于電池組內(nèi)部。本系統(tǒng)中，熱敏電阻選用100 kΩ，精度±1%，B 值為3 950 的NTC熱敏電阻，熱敏電阻的溫度

式中：Rt為熱敏電阻在某溫度（T1）下的阻值；R 為熱敏電阻在常溫（T2＝25 ℃）下的標(biāo)稱阻值；B 值為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器的熱敏常數(shù)。

熱敏電阻的數(shù)量可根據(jù)電池組的規(guī)模調(diào)整。本系統(tǒng)使用4S3P 的鋰電池組進(jìn)行搭建，通過調(diào)整熱敏電阻的數(shù)量和位置，使用最少數(shù)量的熱敏電阻監(jiān)測電池組整體溫度。熱敏電阻分布如表1 和圖2 所示。

1.2 溫度控制模塊

為實(shí)現(xiàn)不同溫度環(huán)境下調(diào)整電池組溫度的功能，熱管理系統(tǒng)需同時(shí)具有冷卻和加熱功能。因此，溫度控制模塊選用帕爾貼和陶瓷加熱片對換熱液體進(jìn)行加熱和冷卻。帕爾貼片的基本工作原理為溫差電效應(yīng)。帕爾貼片與陶瓷加熱片通過PWM 轉(zhuǎn)電壓模塊與控制器相連，使用頻率為0 ～20 kHz的PWM信號(hào)源控制輸出DC 0 ～400 W 的實(shí)時(shí)功率?？刂破髯x取熱敏電阻溫度數(shù)據(jù)并計(jì)算控制帕爾貼與陶瓷加熱片需要輸出的實(shí)時(shí)功率。系統(tǒng)中的水泵采用相同的方式與控制器相連。

為降低液體循環(huán)的功耗，同時(shí)保證循環(huán)系統(tǒng)的換熱能力并減少電池溫度波動(dòng)，采用PCM與液體換熱耦合的熱管理結(jié)構(gòu)，熱管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3 所示。該結(jié)構(gòu)通過PCM在其相變溫度點(diǎn)附近吸收大量熱量的同時(shí)，維持溫度穩(wěn)定的特性和液體換熱方式能夠迅速釋放熱量的特性，保證電池組溫度處于合理范圍并且不發(fā)生劇烈波動(dòng)，同時(shí)降低能量消耗，提高溫度均一性。串聯(lián)連接的4 組電池的間距為3 mm，并聯(lián)連接的3 組電池的間距為10 mm，散熱金屬管的外徑為8 mm，壁厚0.5 mm。電池與電池之間填充相變材料，相變材料內(nèi)部鋪設(shè)金屬散熱管，散熱管呈S 型或U型分布環(huán)繞電池。電池組處于常溫或高溫環(huán)境中，溫度升高時(shí)，PCM在前期吸收絕大部分熱量，當(dāng)PCM 潛熱耗盡，液體換熱及制冷啟動(dòng)，將熱量釋放至外界環(huán)境，從而恢復(fù)PCM潛熱，使其能夠繼續(xù)維持電池組溫度。電池組處于低溫環(huán)境中，溫度較低時(shí)（＜10 ℃），液體換熱及加熱以較低功率運(yùn)行，以提高PCM 及電池組溫度，避免低溫造成的電池組容量及壽命衰減。

表1 熱敏電阻位置及數(shù)量分布表

圖2 熱敏電阻分布位置示意圖

圖3 PCM液管耦合結(jié)構(gòu)示意圖

為提高溫度控制模塊的換熱效率，采用傳熱效率高、成本低的乙二醇水溶液，50%濃度的水溶液在40℃時(shí)的比熱為3.358 kJ／（kg·K）。散熱金屬管材質(zhì)選用耐腐蝕、易加工、熱導(dǎo)率高的純鋁，其導(dǎo)熱系數(shù)為217.7 W／mK。

1.3 控制器模塊

控制器模塊是整個(gè)鋰電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的核心組件，電池組工作時(shí)的運(yùn)行數(shù)據(jù)匯總至控制器進(jìn)行分析，并控制相應(yīng)模塊，維持電池組溫度。本系統(tǒng)中，選用ATmega2560 主控芯片，該芯片可提供54 路數(shù)字輸入／輸出端口（其中15 個(gè)可以作為PWM輸出），16 路模擬輸入端口，4 路UART 串口，具有成本低，擴(kuò)展性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

控制器模塊及其組件的連接示意如圖4 所示?？刂破髯x取模擬量溫度信號(hào)，判斷電池組溫度是否需要調(diào)整，通過PWM 轉(zhuǎn)電壓模塊將模擬量控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，控制水泵，加熱器和制冷器的運(yùn)行。水泵、水箱、散熱器、金屬管等通過軟管連接，形成液體循環(huán)的回路，直接調(diào)整電池組的工作溫度。

圖4 熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及連接示意圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 控制器工作邏輯

熱管理系統(tǒng)控制器的工作邏輯如圖5 所示。

圖5 控制器工作邏輯圖

系統(tǒng)啟動(dòng)，讀取各點(diǎn)溫度及環(huán)境溫度Tatm，計(jì)算電池組平均溫度Tave，判斷電池組所處的溫度環(huán)境。當(dāng)設(shè)備處于低溫環(huán)境時(shí)，啟動(dòng)液體換熱對電池組進(jìn)行預(yù)熱，將電池組預(yù)熱至合適溫度T正常。當(dāng)設(shè)備處于常溫或高溫環(huán)境時(shí)，控制器監(jiān)測電池組各點(diǎn)溫度，一旦超過PCM相變溫度T臨界時(shí)液體換熱啟動(dòng)，將相變材料儲(chǔ)存的熱量傳遞至外界環(huán)境，恢復(fù)PCM潛熱。系統(tǒng)運(yùn)行過程中，控制器持續(xù)采集電池組各點(diǎn)溫度信息，用于換熱液體的控制，形成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。

2.2 溫度監(jiān)測與控制

根據(jù)熱敏電阻的測溫公式編寫測溫程序，測溫程序每秒采集一次溫度數(shù)據(jù)，每次采集12 組，同步采集電池組、環(huán)境及換熱液體的溫度。根據(jù)鋰電池組充放電過程中溫度及電壓的變化特征編寫控制帕爾貼片、陶瓷加熱片、水泵的控制代碼。用于獲取電池表面溫度測點(diǎn)的程序?yàn)椋?/p>

圖6 為使用LabVIEW 編寫的串口通信程序?？刂破魍ㄟ^串口通信的方式與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，控制器定時(shí)向上位機(jī)輸送數(shù)據(jù)，將電池組各點(diǎn)溫度實(shí)時(shí)顯示在上位機(jī)軟件中。圖7 為電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)上位機(jī)軟件。上位機(jī)軟件可實(shí)時(shí)觀察電池組充放電過程中的溫度變化趨勢，并對溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行保存便于后續(xù)分析。

圖6 LabVIEW串口通信程序框圖

圖7 熱管理系統(tǒng)上位機(jī)軟件界面

3 測試結(jié)果與討論

為驗(yàn)證該熱管理系統(tǒng)的效果，使用電池充放電循環(huán)儀對電池組進(jìn)行充放電循環(huán)測試，圖8 為鋰電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)測試平臺(tái)。在10、20、40 ℃的環(huán)境溫度下，使用0.5C／3C 的充放電倍率對電池組進(jìn)行循環(huán)測試。為模擬實(shí)際使用環(huán)境，測試前將電池組置于恒溫箱中，使電池組整體溫度接近設(shè)定環(huán)境溫度后開始測試。

圖8 熱管理系統(tǒng)測試平臺(tái)

圖9 所示為不同環(huán)境溫度下電池組的充放電循環(huán)溫度曲線。由圖9 可知，當(dāng)環(huán)境溫度為10 ℃時(shí)，為提高電池的放電效率，熱管理系統(tǒng)會(huì)在第1 次循環(huán)的放電階段對電池進(jìn)行預(yù)熱。從溫度曲線中可以觀察到，電池組溫度從10 ℃升高至20 ℃時(shí)的溫升速率較高，且電池組溫度一致性較好。隨后兩次循環(huán)測試中電池組最低溫度為20.3 ℃，處于電池的正常工作溫度范圍內(nèi)。由于PCM的儲(chǔ)能作用，加熱器前期釋放的熱量足夠維持電池組的正常工作溫度，無需額外消耗能量，以達(dá)到降低功耗的效果。

當(dāng)環(huán)境溫度為20 ℃時(shí)，電池組的最高溫度為37.8℃，最低溫度為22.8 ℃，除電池組正常充放電的溫度波動(dòng)外，未出現(xiàn)溫度異常情況。測試結(jié)果證明當(dāng)電池組處于低溫或常溫環(huán)境中時(shí)，PCM 液體換熱耦合的熱管理結(jié)構(gòu)能夠?qū)㈦姵亟M溫度維持在20 ～40 ℃的合理溫度區(qū)間，并提供較好的熱管理效果。

圖9 電池組循環(huán)溫度及液體流量曲線

當(dāng)環(huán)境溫度為40 ℃時(shí)，電池組的第1 次循環(huán)測試中出現(xiàn)溫度超過40 ℃的情況，其主要原因?yàn)檠h(huán)前電池組溫度已經(jīng)接近40 ℃，PCM的潛熱在測試前耗盡，導(dǎo)致無法進(jìn)一步吸收熱量，從而導(dǎo)致溫度超高。系統(tǒng)啟動(dòng)后，檢測到溫度較高，液體換熱隨之啟動(dòng)，釋放PCM潛熱，第1 次循環(huán)測試結(jié)束前電池組溫度下降至正常水平。隨后的兩次循環(huán)測試中，電池組溫度均未超過40 ℃，測試結(jié)果證明本系統(tǒng)在高溫環(huán)境中同樣能夠提供較好的熱管理效果。

4 結(jié) 語

針對鋰離子電池在極端溫度下容易引發(fā)電池性能衰退，甚至導(dǎo)致熱失控的問題，設(shè)計(jì)了用于多溫度環(huán)境下的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)。該系統(tǒng)采用PCM 液管耦合的主被動(dòng)熱管理結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對鋰電池組的溫度控制。電池組循環(huán)充放電測試證明該系統(tǒng)能夠有效地的對電池組進(jìn)行熱管理，減小電池的溫度波動(dòng)，同時(shí)具有體積較小、工作效率高、可擴(kuò)展性強(qiáng)的優(yōu)勢。