熱管用于鋰離子電池組散熱性能的研究

劉業(yè)鳳，夏鑫鑫，吳琪

（1.200093 上海市 上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院；2.200093 上海市 上海市動(dòng)力工程多相流動(dòng)與傳熱重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

0 引言

20 世紀(jì)末期，環(huán)境污染以及能源短缺已經(jīng)成為了兩大全球性的議題。其中運(yùn)輸交通行業(yè)則是導(dǎo)致環(huán)境污染以及能源短缺的主要因素之一[1]。為解決相應(yīng)環(huán)境能源問題，全球各國(guó)也紛紛重點(diǎn)研究新能源汽車，以期用新能源汽車逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)交通工具。動(dòng)力電池作為電動(dòng)汽車中最核心的部件，動(dòng)力電池技術(shù)的好壞決定著電動(dòng)汽車的續(xù)航里程。鋰離子電池由于其優(yōu)良的充放電特性，比能量高，循環(huán)壽命長(zhǎng)和環(huán)保無毒等優(yōu)點(diǎn)[2]，逐漸被各大造車廠商作為純電動(dòng)乘用車動(dòng)力電池的第一選擇。但是電動(dòng)汽車行駛過程中，溫度對(duì)于動(dòng)力電池性能影響尤為顯著[3]，溫度過高或過低都會(huì)影響動(dòng)力電池運(yùn)行性能[4]。對(duì)于鋰電池，最佳的運(yùn)行溫度一般保持在25～50 ℃之間，溫差小于5 ℃[5]。李策園[6]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)溫度對(duì)電池容量影響巨大，溫度低于-30 ℃時(shí)，電池放電容量?jī)H為標(biāo)稱容量的30%；溫度高于20 ℃時(shí)，電池可放出容量可達(dá)到標(biāo)稱容量的95%以上。電池包熱量堆積也會(huì)影響電池使用壽命。根據(jù)Arrhenius公式估算，溫度每上升1℃，電池的退化速率增加7%[7]。鋰離子電池在濫用的條件下，電池溫度可以達(dá)到700 ℃，導(dǎo)致電池著火甚至爆炸[8]。因此動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)（BTMS）的實(shí)驗(yàn)研究就顯得尤為重要。

近幾年，許多科學(xué)家提出將熱管技術(shù)應(yīng)用在電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中，利用其獨(dú)特優(yōu)異的的特性對(duì)電池組進(jìn)行降溫散熱。廣東工業(yè)大學(xué)張國(guó)慶[9]等人早在2008 年就對(duì)熱管用于動(dòng)力電池進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)與自然對(duì)流以及強(qiáng)制對(duì)流冷卻相比，熱管的冷卻效果十分明顯，電池持續(xù)放電后溫度也不會(huì)超過43 ℃；2012 年湖南大學(xué)胡小峰[10]利用無機(jī)超導(dǎo)熱管安裝在試驗(yàn)車輛上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，利用無機(jī)超導(dǎo)熱管可以將電池組溫度保持在45.5 ℃以下，可以滿足散熱裝置的設(shè)計(jì)要求，并與仿真模擬結(jié)果相比較，發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)相同，溫度差異不超過2.5 ℃，因此可以確定此仿真模擬的邊界條件正確性。

本文將熱管技術(shù)應(yīng)用于某國(guó)產(chǎn)21700 三元鋰離子電池模塊的散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在不同環(huán)境溫度、不同放電倍率下進(jìn)行電池模塊散熱實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明電池模塊均溫性及控溫性良好，滿足電池模塊散熱需求，同時(shí)也表明了熱管技術(shù)未來在新能源電動(dòng)汽車行業(yè)有很大的發(fā)展空間。

1 電池組熱管散熱結(jié)構(gòu)

電池組熱管散熱結(jié)構(gòu)中，對(duì)21700 型三元鋰離子單體電池和熱管散熱技術(shù)的研究是必不可少的，通過對(duì)鋰離子單體電池生熱特性的研究，不僅能夠?yàn)殡姵啬K的構(gòu)建提供合理依據(jù)，也可為之后對(duì)該電池模塊的模擬仿真提供合理的材料物性設(shè)置。將21700 單體電池通過鎳片連接成一組三并四串的電池模塊，選用市面上最為常見的燒結(jié)銅粉為吸液芯的熱管，啟動(dòng)溫度25 ℃，利用強(qiáng)制風(fēng)冷冷卻熱管冷凝段以達(dá)到散熱的效果。

1.1 鋰離子電池的熱物性

本文的單體電池材料選用的是市售可獲取的21700 型三元鋰離子電池，其標(biāo)稱容量為4 Ah，標(biāo)稱電壓為4 V，最大放電電流為3.0C（5～45 ℃）。根據(jù)HPPC內(nèi)阻測(cè)試原理，在15，25，35 ℃環(huán)境下，單體電池的內(nèi)阻平均值為 33，22，20 mΩ；當(dāng)環(huán)境溫度為35 ℃時(shí)，單體等效比熱容Cp=940 J(kg·K)。

1.2 熱管的選擇

由于近幾年，新能源汽車的飛速發(fā)展，電池技術(shù)的不斷進(jìn)步，許多科學(xué)家紛紛提出設(shè)想，將熱管技術(shù)使用在電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中，利用其獨(dú)特優(yōu)異的特性對(duì)電池組進(jìn)行降溫散熱。王建[11]等人通過建立動(dòng)力電池組的熱物理模型，利用Fluent 軟件對(duì)熱管散熱性能進(jìn)行研究，模擬結(jié)果顯示，在電動(dòng)汽車120 km/h 的速度下，熱管冷卻能夠比自然冷卻方式，電池多降低溫度4.6 ℃；曾健[12]設(shè)計(jì)了一種熱管散熱模塊用于動(dòng)力電池散熱，采用Fluent 軟件分析散熱模塊的散熱性能，發(fā)現(xiàn)符合風(fēng)冷翅片散熱模塊有效提高電池散熱性能，電池表面最高溫度降低4 ℃。故本文選取了燒結(jié)銅粉為吸液芯的熱管，啟動(dòng)溫度為25 ℃，利用強(qiáng)制風(fēng)冷冷卻熱管冷凝以達(dá)到散熱的效果。

2 散熱實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

本文所組裝小型電池模塊由12 個(gè)單體電池三并四串而成，如圖1 所示。整個(gè)電池模塊的電壓為16 V，容量為12 A·h。熱管使用燒結(jié)粉銅管，整體結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度127 mm，寬為8 mm，厚度為2 mm。內(nèi)補(bǔ)充液率0.1%，啟動(dòng)溫度為25 ℃，設(shè)置熱管冷凝段長(zhǎng)度60 mm。集熱板使用普通紫銅板進(jìn)行代替，單體電池之間縫隙則使用硅脂等導(dǎo)熱性能良好的材料進(jìn)行填充，電池模塊熱電偶使用較為常見的K 型熱電偶。參考模擬仿真結(jié)果，結(jié)果顯示電池模塊最高溫度和最低溫度出現(xiàn)在第2 橫排的4 節(jié)電池表面，因此將熱電偶貼附在電池模塊第2 排4 節(jié)電池表面，并在實(shí)驗(yàn)前對(duì)熱電偶進(jìn)行標(biāo)定。在熱管冷凝段采用軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行吹風(fēng)散熱處理，額定風(fēng)量為12 m3/min，轉(zhuǎn)速為2 600 r/min。制作一個(gè)200 mm×200 mm 的風(fēng)道，確保風(fēng)道風(fēng)速保持在5 m/s。將熱管冷凝段插入風(fēng)道中，用密封膠填充縫隙。電池部分則進(jìn)行保溫絕熱處理，保證電池組不與外界進(jìn)行接觸，降低散失到外界環(huán)境的熱量。

圖1 電池模塊結(jié)合熱管散熱裝置實(shí)物圖Fig.1 Battery module combined with heat pipe heat sink

電池散熱模塊放置在25±5 ℃的標(biāo)準(zhǔn)充電環(huán)境中，利用鋰離子電池專用的充電器對(duì)電池模塊進(jìn)行充電。充電完成后，將電池散熱模塊靜置在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試環(huán)境中，使用安捷倫檢測(cè)電池表面溫度變化，待電池模塊表面溫度穩(wěn)定之后，打開電子負(fù)載儀，設(shè)置不同放電電流，設(shè)置電池放電模式，啟動(dòng)電子負(fù)載儀，電池模塊恒流放電，直到截止電壓，放電過程結(jié)束。重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟，設(shè)置不同環(huán)境溫度以及不同放電倍率，繼續(xù)對(duì)電模塊放電。

2.1 電池模塊散熱性能分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，表1—表3 分別列出15，25，35 ℃下電池模塊不同放電倍率放電結(jié)束時(shí)的最高溫度及溫度差異。分析可知，在不同環(huán)境溫度下，電池結(jié)合熱管散熱模塊以不同放電倍率進(jìn)行放電測(cè)試。15 ℃下，電池散熱模塊1C 倍率放電過程中，模塊最高溫度為35.54 ℃，最大局部溫差7.69 ℃；1.5 ℃倍率放電過程中，模塊最高溫度可達(dá)到42.00 ℃，最大局部溫差則有8.68 ℃；而在2C 倍率放電過程中，模塊最高溫度可達(dá)到53.43 ℃，最大局部溫差14.21 ℃。在高溫高放電倍率工況下，模塊最高溫度可達(dá)到69.81 ℃，局部最大溫差也有8.68 ℃，最高溫度超過電池的最佳溫度范圍，卻依然可以保證電池模塊溫度保持在80 ℃以內(nèi)，確保電池模塊正常運(yùn)行。

表1 15 ℃下電池模塊不同放電倍率放電結(jié)束時(shí)的最高溫度及溫度差異Tab.1 Maximum temperature and temperature difference at the end of discharge of battery modules at different discharge rates at 15 ℃

表2 25 ℃下電池模塊不同放電倍率放電結(jié)束時(shí)的最高溫度及溫度差異Tab.2 Maximum temperature and temperature difference at the end of discharge of battery modules at different discharge rates at 25 ℃

表3 35 ℃下電池模塊不同放電倍率放電結(jié)束時(shí)的最高溫度及溫度差異Tab.3 Maximum temperature and temperature difference at the end of discharge of battery modules at different discharge rates at 35 ℃

2.2 不同環(huán)境溫度對(duì)電池散熱模塊溫度的影響

圖2—圖4 是在不同環(huán)境溫度下，電池散熱模塊分別以1.0C，1.5C，2.0C 的放電倍率進(jìn)行放電實(shí)驗(yàn)時(shí)電池散熱模塊表面最高溫度的變化。結(jié)果表明，環(huán)境溫度不同時(shí)，相同放電倍率下，電池散熱模塊的溫度變化趨勢(shì)也不相同。相同放電倍率下，環(huán)境溫度越低，電池散熱模塊放電完成后的溫升越大，溫度上升趨勢(shì)更為劇烈。根據(jù)鋰離子電池生熱機(jī)理，鋰離子電內(nèi)部電解液在低溫環(huán)境下黏度會(huì)變大，導(dǎo)致電導(dǎo)率下降惡化，使得SEI膜阻抗變大[13]，電池內(nèi)阻變大，生熱速率變大，電池溫升也變大。在低溫環(huán)境下，電池模塊放電初期生熱速率比在其他溫度環(huán)境下的生熱速率更大，溫升速度更快。溫度條件也會(huì)導(dǎo)致電池模塊容量變化，使得電池模塊放電時(shí)間不一致，環(huán)境溫度越低，電池模塊放電時(shí)間越短。

圖2 不同環(huán)境溫度下1.0C 放電時(shí)散熱模塊最高溫度變化Fig.2 The maximum temperature change of heat dissipation module during 1C discharge at different ambient temperatures

圖3 不同環(huán)境溫度下1.5C 放電時(shí)散熱模塊最高溫度變化Fig.3 The maximum temperature change of heat dissipation module during 1.5C discharge at different ambient temperatures

圖4 不同環(huán)境溫度下2.0C 放電時(shí)散熱模塊最高溫度變化Fig.4 The maximum temperature change of heat dissipation module during 2C discharge at different ambient temperatures

2.3 熱管冷凝段長(zhǎng)度對(duì)電池模塊散熱性能的影響

改變模塊中的熱管冷凝段長(zhǎng)度，熱管冷凝段長(zhǎng)度從60 mm 改短為40 mm，多出來的20 mm冷凝段進(jìn)行保溫處理，其他測(cè)試條件不改變。具體測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)整理之后，與不同長(zhǎng)度的電池模塊進(jìn)行散熱性能對(duì)比分析。通過對(duì)比兩種不同熱管冷凝段長(zhǎng)度的電池模塊，在不同放電倍率過程中的溫度變化情況?？梢钥闯?，改變熱管冷凝段長(zhǎng)度對(duì)電池模塊表面溫度會(huì)產(chǎn)生一定影響。不同電池模塊放電倍率下，較短的熱管冷凝段長(zhǎng)度使得模塊最高溫度比較長(zhǎng)冷凝長(zhǎng)度的模塊要高2～4℃，在1C 和1.5C 較低倍率下，不同長(zhǎng)度的模塊最高溫度相差分別為2.02，2.4 ℃；而在2C高放電倍率下，兩者最高溫度相差有3.05 ℃。冷凝段長(zhǎng)度增加，換熱面積變大，換熱量變大，因此在相同條件下，電池模塊最高溫度會(huì)降低。而熱管冷凝段長(zhǎng)度過小會(huì)導(dǎo)致散熱能力惡化[14]，甚至發(fā)生“干燒”現(xiàn)象，使得熱管傳熱效果惡化，電池模塊溫度得不到有效的散熱，因此在模塊高放電倍過程中，熱管長(zhǎng)度對(duì)電池模塊最高溫度產(chǎn)生的影響更為明顯。通過模擬軟件發(fā)現(xiàn)熱管冷凝段長(zhǎng)度為50 mm 時(shí)，基本可以滿足動(dòng)力鋰離子電池組散熱要求[15]。

3 仿真模型建立

由于電池生熱情況較為復(fù)雜，為更為精確地反映電池生熱過程，對(duì)模型做出如下簡(jiǎn)化假設(shè)：電池內(nèi)部各部分材料分布均勻，材料物性保持不變[15]；電池內(nèi)部生熱量分布均勻；忽略電池內(nèi)部電解液得對(duì)流換熱系數(shù)，電池表面對(duì)流換熱系數(shù)保持定值；忽略電池內(nèi)部輻射換熱[16]。通過Fluent 進(jìn)行仿真模擬時(shí)，其中電池模塊、銅板、熱管以及導(dǎo)熱硅脂作為固體計(jì)算域，設(shè)置邊界條件為第2 類邊界條件，建立導(dǎo)熱微分方程。電池散熱的空氣流動(dòng)區(qū)域作為流體計(jì)算域，只包含對(duì)熱管冷凝段的吹風(fēng)散熱，F(xiàn)luent 設(shè)置時(shí)選擇流體湍流模型，選用的是標(biāo)準(zhǔn)k-ε 模型：

通過CATIA 軟件進(jìn)行三維建模，如圖5 所示。對(duì)建立的電池模塊結(jié)合熱管散熱的三維模型導(dǎo)入ICEM CFD 軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)電池不同部分重新命名定義三維模型，定義模塊中各個(gè)不同的實(shí)體區(qū)域body，劃分出固體計(jì)算域以及流體計(jì)算域，重新命名各部分part，使用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并進(jìn)行網(wǎng)格質(zhì)量檢查。設(shè)置與實(shí)驗(yàn)相同的模擬條件后，定義電池材料參數(shù)，空氣流速設(shè)置為5 m/s，設(shè)置步長(zhǎng)為1 s，迭代步數(shù)20 步，每100 s自動(dòng)保存溫度信息，分別在15，25，35 ℃下模擬1C，1.5C，2C 放電倍率下的電池模塊散熱。

圖5 電池模塊三維模型圖Fig.5 Three-dimensional model of the battery module

4 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

由圖6、圖7 可以看出，實(shí)驗(yàn)和模擬數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)基本相似。不同放電倍率下實(shí)驗(yàn)溫度變化情況和模擬仿真得出的溫度變化情況基本吻合。1.0C 放電倍率下，模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果兩者之間的誤差沒超過5 ℃，溫度變化趨勢(shì)基本符合；1.5C放電倍率下，實(shí)驗(yàn)溫度比模擬仿真的溫度更高。主要原因是模擬仿真結(jié)果更為理想化，材料參數(shù)設(shè)置基本為定值不變，而在實(shí)驗(yàn)中，電池模塊中的填充材料以及熱管性能參數(shù)會(huì)變化，填充材料填充不均勻也會(huì)導(dǎo)致電池模塊和集熱板間產(chǎn)生接觸熱阻，惡化傳熱，降低散熱效果，導(dǎo)致電池模塊實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)產(chǎn)生差異；在2.0C 放電情況下，模塊溫度主要還是受電池內(nèi)阻變化影響，在放電初期和末期會(huì)產(chǎn)生上下波動(dòng)，而在本文的模擬仿真中設(shè)置的電池生熱速率為固定值，因此實(shí)驗(yàn)和模擬會(huì)有一定誤差。由實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果的對(duì)比，本文所使用的電池模型基本可以反映實(shí)體電池放電過程中的溫度變化，使用該電池模型可以進(jìn)一步節(jié)省實(shí)驗(yàn)成本，為實(shí)體電池測(cè)試提供理論基礎(chǔ)。

圖6 不同溫度下，1.5C 放電，電池模塊仿真模擬與實(shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)比關(guān)系Fig.6 Comparison of battery module simulation and experimental test under different temperatures,1.5C discharge

圖7 不同溫度下，2C 放電，電池模塊仿真模擬與實(shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)比關(guān)系Fig.7 Comparison of battery module simulation and experimental test under different temperatures,2.0C discharge

4 結(jié)論

本文通過搭建電池散熱模塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試不同環(huán)境溫度，不同放電倍率以及不同熱管長(zhǎng)度對(duì)電池散熱模塊溫度變化的影響，并與仿真模擬所得結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，得到如下結(jié)論：

（1）在不同環(huán)境溫度下，電池結(jié)合熱管散熱模塊以不同放電倍率進(jìn)行放電測(cè)試，電池模塊可正常運(yùn)行。

（2）相同放電倍率下，環(huán)境溫度越高，電池模塊溫升越高。

（3）將熱管冷凝段長(zhǎng)度減短之后，電池散熱模塊最高溫度則會(huì)上升。

（4）將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)結(jié)果比較分析發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果兩者溫度變化趨勢(shì)基本相似，可以確保電池模擬模型的準(zhǔn)確性，為未來的模擬測(cè)試提供較為準(zhǔn)確的模型數(shù)據(jù)，節(jié)省實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)間。

（5）由于在高溫高放電倍率下，電池散熱模塊的最高溫度也會(huì)達(dá)到68.91 ℃，超出電池最佳工作溫度范圍，為確保電池模塊在更為穩(wěn)定的狀態(tài)下運(yùn)行，可對(duì)模擬模型進(jìn)行改進(jìn)，使用PCM材料填充電池間隙，進(jìn)行電池組散熱優(yōu)化。