鈦酸鋰方形軟包鋰電池冷卻效果研究

張林浩，石振剛，楊 軍，陶 鵬，李春海

(1.國網(wǎng)河北省電力有限公司營銷服務(wù)中心，河北石家莊 050000；2.武漢大學(xué)電氣與自動(dòng)化學(xué)院，湖北武漢 430072；3.石家莊科林電氣股份有限公司，河北石家莊 050000)

目前有關(guān)鋰電池?zé)峁芾矸绞降难芯恳呀?jīng)取得了大量的成果，其中包括熱管式冷卻、液體介質(zhì)冷卻、空氣介質(zhì)冷卻、相變材料包覆表面冷卻以及多種方式相結(jié)合的電池溫度控制技術(shù)[1]。以相變材料包覆鋰電池表面實(shí)現(xiàn)冷卻降溫的方法充分利用了相變材料潛熱高、熔點(diǎn)低和相變前后溫差較小的特性，通過相變將電池放電時(shí)產(chǎn)生的熱量快速吸收，從而有效降低電池溫度?；谙嘧儾牧系匿囯姵乩鋮s技術(shù)具有成本低、故障發(fā)生幾率小、溫度分布較為均勻等優(yōu)點(diǎn)[2]。

當(dāng)采用純相變材料作為電池冷卻的熱導(dǎo)體時(shí)，可能會(huì)使電池的溫度超出可承受極限值，其原因包括以下幾點(diǎn)[3]：首先，電池溫度上升過快，尤其是電池在高放電倍率下工作時(shí)的最后階段；其次，電池所處的環(huán)境溫度過高；第三，相變材料的包覆面積過?。坏谒?，相變材料自身的導(dǎo)熱系數(shù)較低。此外，純相變材料熱導(dǎo)體還會(huì)導(dǎo)致電池整體及其各模塊的局部溫度存在較大差異，造成這種現(xiàn)象的主要原因有[4]：首先，鋰電池本身不同部位的產(chǎn)熱密度不同，特別是極耳位于同一個(gè)面上的大容量大尺寸的方形電池；其次，不同表面的散熱面積各不相同，這種情況通常在相變材料分布不均時(shí)發(fā)生；第三，降溫過程中產(chǎn)生邊緣效應(yīng)，相變材料作為熱導(dǎo)體促使鋰離子電池與周圍的空氣或物體進(jìn)行熱量交換，因此距離相變材料更近的邊緣處相對(duì)于距離較遠(yuǎn)的中心處具有更好的散熱條件。本文基于相變材料包覆冷卻技術(shù)實(shí)現(xiàn)鋰離子電池的溫度控制。電池放電時(shí)產(chǎn)生的熱量由相變材料吸收，但相變材料的散熱過程卻比較緩慢，考慮到混合液體冷卻技術(shù)降溫速度較快的優(yōu)點(diǎn)，最終采取相變材料與微通道鋁扁管協(xié)同冷卻的方法提高相變材料的散熱速度，以此來控制鋰離子電池在放電過程中的溫度。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)用電池與相變材料

本次研究過程中實(shí)驗(yàn)所用的電池為國產(chǎn)40 Ah 方形軟包鈦酸鋰離子電池，其具體規(guī)格參數(shù)如表1 所示。將3 塊相同的電池串聯(lián)到一起組成一個(gè)電池模塊。采用恒壓恒流電源進(jìn)行充電，充電過程分為兩個(gè)階段，第一階段采用恒流充電，倍率為1C，模塊電壓達(dá)到8.4 V 后進(jìn)入第二階段，進(jìn)行恒壓充電直至充滿。以恒流的方式進(jìn)行放電，為了進(jìn)行研究放電倍率需要調(diào)整為3 個(gè)不同的數(shù)值，分別為1C、2C、2.5C。

表1 實(shí)驗(yàn)用鋰離子電池的規(guī)格參數(shù)

實(shí)驗(yàn)所用的相變材料由天然油脂與熔融后的膨脹石墨復(fù)合而成，實(shí)驗(yàn)過程中共使用3 種規(guī)格的這種相變材料，其具體參數(shù)如表2 所示。相對(duì)于石蠟等純有機(jī)相變材料，該型復(fù)合相變材料具有更高的導(dǎo)熱系數(shù)。

表2 實(shí)驗(yàn)用復(fù)合相變材料的規(guī)格參數(shù)

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

電池冷卻實(shí)驗(yàn)裝置中，電池模塊中的3 塊鋰離子電池的兩個(gè)面均包覆了厚度為5 mm 的純相變材料層?；趶?fù)合相變材料與微通道鋁扁管協(xié)同冷卻的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1 所示，微通道鋁扁管穿插固定在兩塊電池之間電芯中心線兩側(cè)對(duì)稱位置，扁管中充滿循環(huán)流動(dòng)的去離子水，入口處冷卻水的溫度為25 ℃。

圖1 協(xié)同冷卻實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 熱電偶分布

實(shí)驗(yàn)過程中測溫用熱電偶在鋰離子電池表面的分布如圖2 所示。每塊電池的單側(cè)表面均布設(shè)5 個(gè)T 型熱電偶，共30 個(gè)，其中1 個(gè)布設(shè)在電芯中心的位置，2 個(gè)在極耳附近，其余2 個(gè)則布設(shè)在距離極耳較遠(yuǎn)處。正對(duì)電池表面觀察，按從上到下、從左到右的順序進(jìn)行編號(hào)，相鄰電池表面編號(hào)延續(xù)，從1 號(hào)編至30 號(hào)。使用數(shù)據(jù)采集器以2 s 的時(shí)間間隔進(jìn)行溫度值采集。這種編號(hào)模式有利于直觀地了解整個(gè)電池模塊在放電過程中出現(xiàn)的最高溫度及相應(yīng)的位置以及最大溫度差及其對(duì)應(yīng)的兩個(gè)位置。

圖2 熱電偶在電池模塊中的分布

所有熱電偶采集的溫度值記為θi，i=1，2，3，…，30，設(shè)最高溫度為θmax，最低溫度為θmin，則最大溫差Δθ=θmax-θmin，同時(shí)：

1.4 儀器與精度

測溫用銅-康銅T 型熱電偶分為兩種，一種是漆包線熱電偶(精度：±0.4 ℃)，另一種是鎧裝T 型熱電偶(精度：±0.5 ℃)。實(shí)驗(yàn)過程中使用漆包線熱電偶測量電池表面的溫度，使用鎧裝熱電偶測量微通道鋁扁管進(jìn)出口的溫度，所測得的數(shù)值經(jīng)由數(shù)據(jù)采集器發(fā)送到計(jì)算機(jī)中。去離子水的質(zhì)量流量使用液體質(zhì)量流量計(jì)測量(精度：±0.2 kg/h)，利用專用電池測試設(shè)備控制鋰離子電池的充放電。

2 純相變材料實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 電池模塊的溫度分布情況

以PCM35 相變材料包覆鋰離子電池表面。電池模塊以1C的放電倍率放電時(shí)電池表面測溫點(diǎn)的溫度變化情況如表3 所示。從整體上看，電池模塊放電過程中所有表面的溫度都是持續(xù)升高的，將具體位置的溫度進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，電池表面極耳附近位置的溫度比距離極耳較遠(yuǎn)處的溫度高出很多，極耳附近處的溫度已經(jīng)高于材料的相變溫度35 ℃，而距離極耳較遠(yuǎn)處以及電芯中心處的表面溫度則低于35 ℃，其原因在于方形鋰離子電池極耳附近的電芯處發(fā)熱密度大，同時(shí)由極耳所產(chǎn)生的歐姆熱也流向了電芯。在與周圍的空氣進(jìn)行對(duì)流換熱的過程中，電池模塊靠近中心處的溫度要高于外側(cè)邊緣處。

表3 放電時(shí)各表面溫度變化形勢 ℃

2.2 不同放電倍率條件下的冷卻性能

以PCM32 和PCM35 相變材料包覆鋰離子電池表面。分別以1C、2C、2.5C三個(gè)等級(jí)的放電倍率進(jìn)行放電，電池模塊中出現(xiàn)的最高溫度及不同位置的最大溫差如圖3 所示。由圖3(a)可見，電池的放電倍率越大，其溫度升幅也越大。以1C的放電倍率放電時(shí)，電池表面溫度一直低于40 ℃，且各位置的最大溫差均小于5 ℃。而當(dāng)放電倍率為2C和2.5C時(shí)，電池模塊中出現(xiàn)的最高溫度及不同位置的最大溫差均超出了限定值。由于放電倍率較高，造成通過電池集流體的電流過大，產(chǎn)生超出正常范圍的歐姆熱，從而大大提升了電池局部的溫度，尤其是極耳附近位置的產(chǎn)熱密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它位置。以PCM35 相變材料包覆鋰離子電池表面時(shí)以1C、2C、2.5C三個(gè)等級(jí)的放電倍率進(jìn)行放電，電池模塊中出現(xiàn)的最高溫度及不同位置的最大溫差如圖3(b)所示。由圖3 可知，PCM35 相變材料的冷卻效果優(yōu)于PCM32 相變材料。

圖3 不同放電倍率下電池表面最高溫度與最大溫差的變化

2.3 材料相變溫度對(duì)冷卻性能的影響

在材料相變溫度不同的條件下，電池模塊以2.5C的放電倍率放電時(shí)，模塊中出現(xiàn)的最高溫度及不同位置的最大溫差如圖4 所示。由圖4 可見，表面包覆相變溫度僅為32 ℃的PCM32 時(shí)電池模塊的最高溫度和最大溫差均未能得到有效控制，因此PCM32 相變材料并不適用。采用相變溫度為37 ℃的相變材料包覆后，在電池模塊的放電后期冷卻效果優(yōu)于相變溫度為35 ℃的材料。當(dāng)環(huán)境溫度較高時(shí)，材料的相變溫度如果太低極有可能造成材料失效，所以一般情況下都會(huì)選取相變溫度較高的材料。當(dāng)材料的相變溫度高于40 ℃時(shí)，在鋰離子電池的最佳工作溫度范圍內(nèi)，材料不會(huì)發(fā)生相變，此時(shí)其作用僅相當(dāng)于一種導(dǎo)熱介質(zhì)。

圖4 電池以2.5 C倍率放電時(shí)的溫度控制情況

2.4 包覆面積對(duì)冷卻性能的影響

對(duì)于電池表面極耳附近位置發(fā)熱量大、其余位置發(fā)熱量相對(duì)較小的情況，采取電池表面部分包覆相變材料的方法加以應(yīng)對(duì)，具體包覆方式如圖5(a)所示，僅用相變材料將極耳側(cè)的一半面積包覆即可。以PCM35 相變材料包覆鋰離子電池的表面。分別以1C、2C、2.5C的放電倍率進(jìn)行放電，電池模塊中出現(xiàn)的最高溫度及不同位置的最大溫差如圖5(b)所示。通過與圖3(b)對(duì)比可見，只包覆一半面積的方式在一定程度上改善了電池表面溫度差異較大的狀況，但模塊中的最高溫度有所提升，且電池以1C倍率放電時(shí)改善效果很小。

圖5 電池表面部分包覆PCM35材料后的最高溫度與最大溫差

3 復(fù)合冷卻實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 不同放電倍率條件下的冷卻性能

以PCM37 相變材料包覆鋰離子電池表面，微通道鋁扁管中去離子水的質(zhì)量流量為7.5 kg/h。分別以1C、2C、2.5C三個(gè)等級(jí)的放電倍率進(jìn)行放電。通過測試可知，電池放電時(shí)其表面最高溫度持續(xù)上升，在達(dá)到PCM37 材料的相變溫度37 ℃后電池的產(chǎn)熱密度仍在繼續(xù)增大，電池表面溫度上升的趨勢沒有因?yàn)椴牧系南嘧兌l(fā)生變化。結(jié)束放電后電池本身不再產(chǎn)生熱量，溫度降至37 ℃時(shí)下降趨勢變得非常緩慢。電池模塊中的最低溫度在電池放電時(shí)持續(xù)上升，放電結(jié)束后持續(xù)下降，但整個(gè)過程中都未超過37 ℃。1C、2C、2.5C三個(gè)等級(jí)的放電倍率下電池模塊的最高溫度分別為41.1、46.9和55.6 ℃，最低溫度分別為34.9、36.9 和37.0 ℃。電池以1C倍率放電時(shí)，模塊不同位置的最大溫差在前期以較快的速度上升，之后由于最高溫度和最低溫度的上升速度越來越接近，所以最大溫差的變化越來越小，整個(gè)過程中各位置的最大溫差為6.2 ℃。以2C倍率放電時(shí)，模塊不同位置的最大溫差在前期快速上升，接下來的一段時(shí)間基本保持不變，在放電后期再次以較快的速度上升直至放電結(jié)束，整個(gè)過程中各位置的最大溫差為10.1 ℃。電池以2.5C的倍率放電時(shí)，模塊最高溫度持續(xù)快速上升，最大溫差也隨之不斷擴(kuò)大，整個(gè)過程中的最大溫差高達(dá)18.6 ℃。

3.2 不同質(zhì)量流量條件下的冷卻性能

以PCM37 相變材料包覆鋰離子電池表面，電池以2C的倍率放電，在微通道鋁扁管中去離子水的質(zhì)量流量分別為7.5和5.2 kg/h 的條件下，測試電池模塊的溫度變化情況。通過對(duì)比可知，兩種質(zhì)量流量下模塊最高溫度與各位置的最大溫差沒有顯著差異。

在上述兩種質(zhì)量流量條件下，電池放電過程中及結(jié)束后的一段時(shí)間內(nèi)其中心位置的內(nèi)外兩側(cè)表面溫度變化情況如圖6 所示?？梢?，采用復(fù)合冷卻方式時(shí)中心位置內(nèi)側(cè)表面溫度要低于外側(cè)表面溫度，而采用純相變材料冷卻方式時(shí)，前者會(huì)高于后者，同時(shí)，放電過程中扁管中水的流量不同，內(nèi)側(cè)溫度不會(huì)產(chǎn)生大的變化，表明電池放電時(shí)冷卻水的功率小于電池所產(chǎn)生的熱量。

圖6 不同質(zhì)量流量條件下電池的溫度變化

3.3 相變溫度對(duì)冷卻性能的影響

以PCM35 相變材料包覆鋰離子電池表面，電池以1C的倍率放電，微通道鋁扁管中去離子水的質(zhì)量流量為7.5 kg/h，電池模塊的溫度變化情況如圖7 所示。通過與前文數(shù)據(jù)對(duì)比可知，PCM37 相變材料的冷卻性能優(yōu)于PCM35。以PCM35材料包覆的電池放電結(jié)束后最高溫度約為41 ℃，最大溫差約為12 ℃，以PCM37 材料包覆的電池放電結(jié)束后最高溫度約為41 ℃，但最大溫差僅為7 ℃。

圖7 不同相變溫度條件下電池表面溫度的變化

綜合以上數(shù)據(jù)可見，在相同放電倍率條件下，PCM37 相變材料的冷卻性能優(yōu)于PCM35，PCM32 最差；在相同相變材料條件下，以1C放電倍率進(jìn)行放電最能保證電池的安全；在相同相變材料和放電倍率條件下，包覆一半電池表面的方式能夠使電池散熱性能更好；相對(duì)純相變材料與外界自然換熱的方式，復(fù)合冷卻方式能夠加快電池的冷卻進(jìn)程。

4 結(jié)論

本文利用不同相變溫度的相變材料包覆方形軟包鋰離子電池表面，對(duì)電池的溫度控制情況進(jìn)行了研究。分別明確了不同放電倍率和表面包覆面積條件下以及采取復(fù)合冷卻方式時(shí)改變冷卻水流量對(duì)溫控效果的影響，最終形成如下結(jié)論：鋰離子電池放電時(shí)表面溫度局部差異較大，最高溫度通常出現(xiàn)在極耳附近的位置，放電倍率越高溫度的不均勻性越顯著；PCM37 相變材料的冷卻性能優(yōu)于PCM35 材料，PCM32材料的冷卻性能最差；采用部分包覆鋰離子電池表面的方式能夠使表面溫度分布不均勻的狀況得到緩解，但表面最高溫度會(huì)相應(yīng)提升；復(fù)合冷卻方法通過低溫液體的流動(dòng)帶走了大量的熱量，相對(duì)于純相變材料的冷卻方法能夠得到更好的冷卻效果。