熱管耦合風(fēng)冷在鋰離子電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的應(yīng)用

劉曉峰　陳凱強(qiáng)　劉文斌　李慶紅　張嵐

【摘? 要】功率型鋰離子電池具有功率密度高、充放電穩(wěn)定性好、循環(huán)壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車。隨著功率輸出的增加，發(fā)熱的增加會(huì)顯著影響電池性能，因此，電動(dòng)汽車中鋰離子電池的熱管理非常重要。而基于熱管的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、靈活、成本低、導(dǎo)熱系數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)，本文討論熱管耦合風(fēng)冷在鋰離子電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中的應(yīng)用，來增強(qiáng)鋰離子電池的熱性能。

【關(guān)鍵詞】鋰離子電池；熱管理系統(tǒng)；熱管；風(fēng)冷

中圖分類號(hào)：U463.633? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1003-8639（ 2023 ）09-0031-03

Application of Heat Pipe Coupled Air Cooling in the Thermal Management System of Lithium Ion Batteries

LIU Xiaofeng，CHEN Kaiqiang，LIU Wenbin，LI Qinghong，ZHANG Lan

（Vehicle Electrical Design Institute of Electronic and Electrical Design Department of China

National Heavy Duty Truck Group Automotive Research Institute，Jinan 250101，China）

【Abstract】Power Li-ion batteries with high power density，good charge/discharge stability and long cycle life have been widely used in electric vehicles. With the increase of power output，the increase of heat generation will significantly affect the battery performance，therefore，the thermal management of Li-ion batteries in electric vehicles is very important. The heat pipe-based battery thermal management system has the advantages of compact structure，flexibility，low cost and high thermal conductivity. This paper discusses the application of heat pipe coupled air cooling in the thermal management system of lithium-ion battery to enhance the thermal performance of lithium-ion battery.

【Key words】Lithium-ion battery；thermal management system；heat pipe；air cooling

作者簡(jiǎn)介

劉曉峰（1989—），男，工程師，主要從事商用車整車電器系統(tǒng)開發(fā)工作。

1? 前言

隨著工業(yè)的發(fā)展，傳統(tǒng)化石能源的消耗速度逐漸加快，生態(tài)環(huán)境問題日益嚴(yán)重，極大地威脅著人類健康和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。為了減少二氧化碳和其他溫室氣體的排放，世界主要國家和地區(qū)都制定了“碳達(dá)峰”和“碳中和”的目標(biāo)。產(chǎn)生較少二氧化碳的電動(dòng)汽車（EV）和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車作為新一代和內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力汽車的替代品被引入。動(dòng)力電池作為電動(dòng)汽車的核心，其技術(shù)也在不斷發(fā)展，在眾多電池中，鋰離子電池具有能量密度高、比能量高、自放電率低、循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。然而，鋰離子電池對(duì)其工作溫度非常敏感，尤其是在高放電速率下。鋰離子電池的最佳工作溫度范圍為25～40℃，而模塊中的溫差最好保持在5℃以下[1]。因此，設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)臒峁芾硐到y(tǒng)TMS，將電池溫度保持在最佳范圍內(nèi)并防止熱失控對(duì)于鋰離子電池的運(yùn)行至關(guān)重要。

根據(jù)不同的散熱需求，研究人員提出了風(fēng)冷、液冷、相變材料冷卻等多種電池?zé)峁芾砑夹g(shù)[2-7]。風(fēng)冷系統(tǒng)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用；液體冷卻因液體冷卻劑具有更高的傳熱系數(shù)，是一種更有效的冷卻系統(tǒng)，但會(huì)導(dǎo)致泄漏和短路風(fēng)險(xiǎn)；相變材料（PCM）可以成功地降低平均溫度，但存在成本高、長(zhǎng)期缺乏熱穩(wěn)定性、導(dǎo)熱系數(shù)低、熔化后泄漏等問題。熱管是眾所周知的熱超導(dǎo)體，具有許多優(yōu)點(diǎn)，包括低成本、高傳熱性能和效率[8]。此外，熱管幾何形狀靈活，分為傳統(tǒng)圓管、長(zhǎng)扁管和板式熱管，結(jié)構(gòu)緊湊，使用壽命長(zhǎng)。故基于熱管的冷卻技術(shù)近年來受到廣泛關(guān)注，本文研究使用熱管和空氣冷卻的冷卻技術(shù)的應(yīng)用。

2? 鋰離子電池?zé)岱治?/p>

2.1? 鋰離子電池結(jié)構(gòu)組成

鋰離子電池通常由正極、負(fù)極、電解液、隔膜、集電器和外殼組成，典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。電極是鋰離子電池內(nèi)部的關(guān)鍵部件，決定了電池的容量和能量密度。已經(jīng)開發(fā)出多種正極材料，這些材料根據(jù)其結(jié)構(gòu)一般可分為3種類型：層狀結(jié)構(gòu)、尖晶石結(jié)構(gòu)和橄欖石結(jié)構(gòu)[9]。層狀結(jié)構(gòu)材料是指那些具有層狀結(jié)構(gòu)的鋰過渡金屬氧化物，如LiCoO2和LiNiO2；尖晶石結(jié)構(gòu)材料通常指LiMn2O4；橄欖石結(jié)構(gòu)材料是含有鋰的過渡金屬磷酸鹽，例如LiFePO4和LiMnPO4。鋰離子電池的電解質(zhì)是含鋰鹽的非水溶液（例如LiPF6）溶解在有機(jī)液體混合物的溶劑中，例如碳酸乙烯酯（EC）、碳酸丙烯酯（PC）、碳酸二乙酯（DEC）或碳酸甲乙酯（EMC）。隔膜用于在內(nèi)部短路的情況下分離正極和負(fù)極。雖然鋰離子可以毫無阻礙地通過它，但隔膜是電絕緣體，這意味著電子被阻擋，在正常情況下不允許交叉。此外，當(dāng)電池內(nèi)部的溫度過高時(shí)，分離器將關(guān)閉電池，這就像一個(gè)熔斷絲，防止熱失控的發(fā)生。集流器的功能是收集電池產(chǎn)生的電流，它們一般是由負(fù)極的銅和正極的鋁分別制成。外殼是支撐整個(gè)電池的密封容器，原材料通常是鋼或鋁，以達(dá)到滿意的機(jī)械和熱物理性能。

2.2? 鋰離子電池工作原理

鋰離子電池的充電/放電過程就是鋰離子和電子的傳輸。在充電過程中，鋰離子從正極粒子中被提取出來，并通過電解質(zhì)和分離器流向負(fù)極。為了保持電力平衡，相同數(shù)量的電子同時(shí)在正電極顆粒表面釋放。然后這些電子被正極電流收集器收集，并通過外部電路到達(dá)負(fù)極，形成電荷電流。鋰離子與電子發(fā)生反應(yīng)，并最終夾雜在正電極材料中。在放電過程中，電化學(xué)過程與充電時(shí)的情況相反。等量的鋰離子和電子同時(shí)從負(fù)極逃出，并分別通過內(nèi)部和外部通道遷移回正極。

2.3? 鋰離子電池產(chǎn)熱分析

熱效應(yīng)引起的溫度變化極大地影響了鋰離子電池的性能，有必要找出熱源以輔助電池?zé)峁芾?，并預(yù)測(cè)電池溫度以警告異常情況。

鋰離子電池的產(chǎn)熱根據(jù)其產(chǎn)生原因包括可逆熱和不可逆熱[10]。可逆熱源于與電化學(xué)反應(yīng)相關(guān)的熵變化，因此，它也被稱為反應(yīng)熱或熵?zé)?。不可逆的熱量由活性極化熱和歐姆熱組成。其中，極化是電池開路電位和工作電位之間的偏差，而在固體-電解質(zhì)界面，有一個(gè)阻礙電荷轉(zhuǎn)移過程的阻力，在鋰的插層和去插層過程中，需要克服障礙的能量被稱為活性極化熱；歐姆熱或焦耳熱是由固體和電解質(zhì)階段的傳輸阻力引起的能量損失。由于電池內(nèi)部發(fā)熱過程的復(fù)雜性，已經(jīng)引入了各種方程，Karimi和Li[11]將局部發(fā)熱方程進(jìn)行簡(jiǎn)寫，具體如公式（4）所示。

3? 冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1? 鋰離子電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的要求

由于鋰離子電池對(duì)于溫度非常敏感，故對(duì)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)提出以下要求。

1）電池包層面，電池溫度需要保持在25℃和40℃之間，由于電池技術(shù)的改進(jìn)，可接受的性能和使用壽命的門檻被設(shè)定為50℃，以及在正常工作條件下不超過60℃的安全限制，以提供最佳的操作壽命和性能。

2）電池模組層面，需要確保溫度均勻性，即電池與電池之間的溫差需要低于5℃，否則將產(chǎn)生電化學(xué)不平衡，使整個(gè)電池組的性能惡化。

3）單體電池層面，單個(gè)電池的溫度梯度不應(yīng)超過3～5℃，以保證最佳性能。

熱管理系統(tǒng)BTMS除了必須滿足的這些基本要求之外，一個(gè)好的BTMS還需要滿足幾個(gè)要求，例如不僅能夠在極端環(huán)境中在高放電速率條件下安全運(yùn)行，并且保證功耗低，同時(shí)保持低復(fù)雜性和低成本。

3.2? 熱管耦合風(fēng)冷

由于空氣的傳熱系數(shù)低，空氣冷卻系統(tǒng)在某些情況下是不實(shí)用的，包括高環(huán)境溫度和高充電/放電倍率條件下，因此，利用有效導(dǎo)熱性好的熱管，與風(fēng)冷進(jìn)行耦合，去除熱管冷凝器處多余熱量，進(jìn)行有效的熱管理。

當(dāng)熱管的冷凝器不使用額外的組件時(shí)，熱量通過自由對(duì)流去除。自由對(duì)流是日產(chǎn)聆風(fēng)LeaF的首選熱管理系統(tǒng)（TMS），多年來一直是全球最暢銷的電動(dòng)汽車。圖2給出了使用自由對(duì)流冷卻熱管的BTMS設(shè)計(jì)示例。

強(qiáng)制空氣對(duì)流是電動(dòng)汽車時(shí)代初期最常見的TMS解決方案，因其簡(jiǎn)單性和低成本而被選中。但該技術(shù)有一個(gè)固有的缺點(diǎn)，熱介質(zhì)空氣的熱力學(xué)性能差。而利用熱管可以彌補(bǔ)上述限制，圖3給出了使用強(qiáng)制空氣對(duì)流冷卻熱管的BTMS設(shè)計(jì)示例。

4? 結(jié)論

全球已經(jīng)快速增長(zhǎng)的電動(dòng)汽車數(shù)量預(yù)計(jì)將在未來幾年進(jìn)一步增加，以實(shí)現(xiàn)國際商定的排放目標(biāo)并減少道路污染。為此，電動(dòng)汽車的性能需要在全電動(dòng)續(xù)航里程、充電時(shí)間和成本方面得到改善。而發(fā)熱是影響電池老化、安全性和容量的主要因素之一。此外，溫度不均勻性也會(huì)導(dǎo)致電池的老化，從而導(dǎo)致電池性能下降。為了避免這種不良行為，開發(fā)有效的BTMS至關(guān)重要。熱管耦合風(fēng)冷的熱管理技術(shù)具有被動(dòng)性和出色的熱性能，可以改善電動(dòng)汽車BTMS的當(dāng)前技術(shù)水平。

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（編輯? 楊? 景）