基于浸沒式冷卻的鋰離子電池實(shí)驗(yàn)研究

吳成會，梁才航

(桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣西桂林 541000)

汽車已經(jīng)成為日常生活的重要組成部分，給人們帶來了極大的便利，同時(shí)在一定程度上導(dǎo)致全球變暖、臭氧層破壞等環(huán)境問題。因此，在全球環(huán)境污染問題以及實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的背景下[1]，電動汽車將逐漸取代燃油汽車，成為未來交通出行的首選。鋰離子電池因其高比能量、高效率、長壽命和低自放電率等[2]優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于電動汽車。鋰離子電池的循環(huán)壽命、降解率、安全性和可靠性受到工作溫度的強(qiáng)烈影響。基于鋰離子動力電池自身的特點(diǎn)，適宜的工作溫度范圍比較狹窄，最佳工作溫度在20～40 ℃[3]。另外，對于電池組來說，電池之間的最大溫差應(yīng)控制在5 ℃以下，以防止單個(gè)電池性能迅速衰減，縮短電池組的壽命。過高或過低的工作溫度和過大的溫差將會直接影響鋰離子電池的性能和安全性。同時(shí)，充電和放電過程中產(chǎn)生的熱量會顯著提高電池的溫度，尤其是在持續(xù)充放電或大功率放電時(shí)。因此，一個(gè)有效的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)(battery thermal management system,BTMS)在調(diào)節(jié)電池溫升和溫差中是必不可少的。

根據(jù)冷卻介質(zhì)的不同，電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)可分為液體冷卻、空氣冷卻、相變冷卻?？諝饫鋮s系統(tǒng)具有質(zhì)量輕、構(gòu)造簡單、成本低等[4]優(yōu)點(diǎn)。但由于空氣比液體的導(dǎo)熱系數(shù)低、散熱慢，無法對電池在高倍率工況下產(chǎn)生的熱量進(jìn)行高效散熱，降低電池組最高溫度和保持溫度均勻性的能力較差。相變冷卻熱管理系統(tǒng)具有散熱效率好、溫度均勻性好的優(yōu)點(diǎn)，但是由于結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜、成本高等缺點(diǎn)而無法廣泛應(yīng)用。根據(jù)冷卻劑是否與電池接觸，液冷系統(tǒng)可分為直接液冷或間接液冷，通過選擇合適的冷卻工質(zhì)直接或間接與電池接觸從而帶走大量的熱量，能夠?qū)囯x子電池組最高溫度控制在安全的范圍內(nèi)以及很好地保障電池之間的溫度均勻性，且結(jié)構(gòu)緊湊但不復(fù)雜，有效地規(guī)避了熱失控等安全問題的發(fā)生。然而，間接液冷系統(tǒng)比直接液冷更加復(fù)雜，存在冷卻液泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，容易導(dǎo)致電氣短路、電池燃燒和爆炸。

直接液體冷卻，也稱為浸沒式冷卻，它將電池直接浸沒在電介質(zhì)冷卻劑中，如礦物油和硅油以及一些氟化液[5]，是一種高效的冷卻方式。在浸沒式冷卻中，電池產(chǎn)生的熱量可以直接有效地傳遞到冷卻劑中，降低了電池和冷卻劑之間的熱阻，使得電池表面溫度控制在適宜的范圍內(nèi)，并且電池的溫度比較均勻，從而對電池的循環(huán)壽命起到保護(hù)作用。浸沒式冷卻可以分為單相浸沒式冷卻與兩相浸沒式冷卻。與單相浸沒式冷卻相比，兩相浸沒式冷卻可以通過沸騰過程(液相到氣相的變化)，實(shí)現(xiàn)更高的傳熱效率。近年來有不少國內(nèi)外學(xué)者開展了基于兩相浸沒式冷卻的鋰離子動力電池的傳熱性能研究。Gils 等[6]以HFE7000 為冷卻工質(zhì)對鋰離子電池進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明：電池產(chǎn)生的熱量使得冷卻工質(zhì)沸騰，沸騰過程能夠讓電池溫度均勻化。Wu 等[5]設(shè)計(jì)了一種以HFE7000 為冷卻工質(zhì)的電動汽車電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，利用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究結(jié)合的方法對其傳熱性能進(jìn)行分析。結(jié)果表明，冷卻工質(zhì)在電池壁面上流動和沸騰，降低了熱接觸電阻，增強(qiáng)了傳熱過程，電池模塊的傳熱性能得到了提高；單體電池間的溫度均勻性主要取決于兩相湍流的形核沸騰吸熱和局部擾動；數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。Maan 等[7]通過改變冷卻工質(zhì)R134a 浸沒電池組的高度，研究該條件下對電池組散熱的影響，研究結(jié)果表明，隨著制冷劑浸沒高度的增加，電池組的散熱效果越好。安周建等[8]設(shè)計(jì)并搭建了以HFE7000 為冷卻工質(zhì)的電池冷卻實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并展開了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)有著良好的電池冷卻效果，在電池持續(xù)充放電過程中，冷卻工質(zhì)的沸騰能夠?qū)㈦姵氐谋砻孀畲鬁囟瓤刂圃?4～36 ℃。Pulugundla 等[9]的研究表明，與基于冷板的冷卻相比，即使在較高的充放電倍率情況下，浸沒式冷卻的圓柱形電池的溫度仍然是均勻的。Hirano等[10]利用HFE-7000 作為冷卻工質(zhì)，研究了浸沒式冷卻電池組的溫度變化。研究結(jié)果表明，電池組溫度能夠控制在35 ℃左右，接近HFE-7000 的沸點(diǎn)。

冷卻劑的性質(zhì)對電池的散熱性能有著非常重要的影響。OpteonTMSF33 是一種新型的電介質(zhì)流體，具有ODP 為零，不破壞臭氧層；GWP 值非常低，溫室效應(yīng)低；沸點(diǎn)為33 ℃，很適合在電池冷卻場合中使用。目前對于SF33 的浸沒式冷卻鋰離子電池的實(shí)驗(yàn)研究不多。本文搭建了以SF33 為冷卻工質(zhì)的浸沒式冷卻鋰電池的實(shí)驗(yàn)臺和風(fēng)冷式冷卻鋰電池的實(shí)驗(yàn)臺，實(shí)驗(yàn)研究兩種冷卻方式下對單體電池的散熱性能，并用可視化手段分析冷卻工質(zhì)SF33 的沸騰過程。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與研究對象

本研究中，建立了兩種冷卻方式的實(shí)驗(yàn)臺，兩種冷卻方式的實(shí)驗(yàn)流程圖如圖1 所示。實(shí)驗(yàn)中，采用雙向可編程直流電源對單體鋰離子電池進(jìn)行充放電；安捷倫數(shù)據(jù)采集儀對電池表面進(jìn)行溫度的采集，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X中。強(qiáng)制風(fēng)冷實(shí)驗(yàn)中風(fēng)速設(shè)置為2 m/s。浸沒式冷卻實(shí)驗(yàn)中，則是將電池放置在玻璃容器當(dāng)中，電池全部浸沒在SF33 冷卻工質(zhì)中。表1給出了OpteonTMSF33 的熱物性參數(shù)。

圖1 兩種冷卻方式的實(shí)驗(yàn)流程圖

表1 OpteonTM SF33的熱物性參數(shù)

實(shí)驗(yàn)選用18650 型鋰離子電池進(jìn)行研究分析，其參數(shù)如表2 所示。考慮圓柱型的對稱性，在電池的上中下三個(gè)位置進(jìn)行熱電偶的布置，如圖2 所示。為了減少系統(tǒng)誤差，在實(shí)驗(yàn)前對熱電偶進(jìn)行標(biāo)定。

圖2 熱電偶的布置

表2 鋰離子電池參數(shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 自然對流條件下電池的傳熱分析

為了能更好地分析浸沒式冷卻的散熱效果，需要對自然對流條件下電池的溫度變化情況進(jìn)行研究，分析在不同放電倍率下電池的產(chǎn)熱情況。實(shí)驗(yàn)過程中，首先將電池放置在溫度為30 ℃的環(huán)境中，通過電腦軟件控制儀器設(shè)置0.5C(1 A)電流對電池充電至4.2 V，然后再以4.2 V 電壓對電池充電至電流小于200 mA(1C/10)時(shí)截止，靜置60 min；然后以3C、5C放電倍率分別對電池進(jìn)行放電，記錄電池的溫度變化情況。

如圖3 所示，自然對流條件下，電池放電倍率為3C、5C時(shí)，最大溫度分別為48.72 和64.59 ℃，均超過了電池的安全工作溫度范圍。這對電池的安全和散熱性能有較大的影響。隨著放電倍率增大，電池最高溫度隨之上升，且在放電末期電池溫度迅速上升。這是因?yàn)樵诜烹娔┢阡囯x子電池的內(nèi)阻迅速增大，產(chǎn)熱量增大，從而導(dǎo)致溫度迅速上升。當(dāng)電池以3C倍率放電時(shí)，電池最大溫升為18.72 ℃，測點(diǎn)最大溫差為0.79 ℃；5C倍率放電時(shí)，電池最大溫升為34.59 ℃，比3C倍率放電時(shí)的溫度高出15.87 ℃，測點(diǎn)最大溫差為0.59 ℃。在不同放電倍率下電池測點(diǎn)的溫差不超過1 ℃，因此可選擇電池中點(diǎn)作為浸沒式冷卻實(shí)驗(yàn)的測點(diǎn)。

圖3 自然對流條件下電池的溫升曲線

2.2 不同冷卻方式對電池溫度的影響

由上一節(jié)可知電池在高倍率放電情況下產(chǎn)生大量熱量，導(dǎo)致電池溫度超出了適宜的工作溫度范圍，對電池的性能產(chǎn)生較大的影響。因此，對鋰離子電池采用散熱手段是必不可少的。

本節(jié)通過2.1 節(jié)所述的充電機(jī)制對單體電池進(jìn)行充電，然后靜置至環(huán)境溫度開始放電。分別對強(qiáng)制風(fēng)冷、浸沒式冷卻條件下進(jìn)行單體電池3C、5C的放電實(shí)驗(yàn)，記錄在兩種不同冷卻方式下電池的溫度變化情況，對比兩種冷卻方式的冷卻效果。

由圖4 可知，在風(fēng)速為2 m/s 的強(qiáng)制風(fēng)冷條件下，放電倍率為3C、5C時(shí)電池最大溫度分別為37.95 和41.72 ℃，強(qiáng)制風(fēng)冷能夠在電池以低倍率放電時(shí)滿足冷卻需求，但在高倍率放電時(shí)，電池的溫度將超出適宜的工作溫度范圍。采用浸沒式冷卻時(shí)，電池的最大溫度分別為35.27 和35.49 ℃，最終在35 ℃左右波動，這是由于工質(zhì)的沸點(diǎn)在一定的壓力下是保持不變的，能夠?qū)㈦姵販囟瓤刂圃?4～36 ℃而不再升高。在3C、5C放電倍率下，浸沒式冷卻與強(qiáng)制風(fēng)冷的電池最大溫差分別為2.36 和6.45 ℃。因此，以SF33 為冷卻工質(zhì)的浸沒式冷卻方式有較好的冷卻效果。

圖4 兩種冷卻方式下電池的溫升曲線

2.3 動態(tài)放電策略對電池溫度的影響

電動汽車在實(shí)際行駛過程中通常會遇到起步、爬坡、加速等狀況，導(dǎo)致電池放電過程并非一個(gè)持續(xù)的過程。因此，研究單體電池在動態(tài)放電策略下的溫度變化情況具有重要意義。在風(fēng)速為2 m/s的強(qiáng)制風(fēng)冷與浸沒式冷卻方式中分別對充滿電的電池以5C倍率進(jìn)行230 s 的放電，然后靜置230 s，循環(huán)三次，通過數(shù)據(jù)采集儀記錄電池的溫度變化情況。

圖5(a)是電池以5C倍率進(jìn)行動態(tài)放電時(shí)的電壓電流變化曲線。電流以恒電流10 A 進(jìn)行放電，而電壓逐漸降低。由圖5(b)可知，單體鋰離子電池以5C倍率進(jìn)行動態(tài)放電時(shí)，電池溫度呈現(xiàn)出波動變化的趨勢。電池在強(qiáng)制風(fēng)冷的條件下溫度波動比較大，約為4 ℃，最高溫度達(dá)到了38.44 ℃。而在SF33 浸沒式冷卻條件下電池溫度波動比較小，低于1 ℃，比強(qiáng)制風(fēng)冷的要少4 倍左右，且兩種冷卻方式的最大溫差達(dá)到了3.55 ℃。由此可見，以SF33 作為冷卻工質(zhì)的浸沒式冷卻系統(tǒng)對于電池的最高溫度以及溫度波動變化可以有更好的控制，即使在行駛過程當(dāng)中遇到不可預(yù)測的動態(tài)操作時(shí)，浸沒式冷卻也能夠?qū)㈦姵販囟瓤刂圃诎踩姆秶鷥?nèi)。

圖5 5 C倍率動態(tài)放電的電壓電流與溫升曲線

2.4 可視化實(shí)驗(yàn)

當(dāng)單體鋰離子電池以高倍率進(jìn)行放電時(shí)，會釋放出大量的熱量，而通過浸沒式冷卻鋰離子電池時(shí)冷卻工質(zhì)吸收這些熱量導(dǎo)致溫度升高，冷卻工質(zhì)達(dá)到沸點(diǎn)后進(jìn)行沸騰冷卻。沸騰過程通過較小的過余溫度從而獲得數(shù)值很大的對流系數(shù)與傳熱速率，能夠快速地帶走更多的熱量，成為許多工程裝置在進(jìn)行冷卻時(shí)所追求的目標(biāo)。為了觀察沸騰冷卻過程中氣泡的生長過程，利用高速攝像機(jī)對浸沒式冷卻沸騰時(shí)進(jìn)行研究。圖6 為電池在5C放電倍率下冷卻工質(zhì)開始沸騰與放電結(jié)束時(shí)的沸騰圖像。

由圖6 可知，冷卻工質(zhì)持續(xù)吸收單體鋰離子電池產(chǎn)生的熱量，從而導(dǎo)致沸騰的發(fā)生，在沸騰的初期，氣泡產(chǎn)生的比較少、體積小且速率較慢；在這種狀態(tài)下電池所產(chǎn)生的大部分熱量從表面?zhèn)鬟f給了冷卻工質(zhì)，而不是通過蒸汽泡來傳遞熱量。隨著放電深度加大，冷卻工質(zhì)吸收的熱量越多，導(dǎo)致沸騰產(chǎn)生的氣泡更多、體積更大且速率越快。而氣泡在上升的過程中會與周圍的氣泡合并，從而產(chǎn)生更大的氣泡上升到電池表面，強(qiáng)化了對流傳熱，帶走更多的熱量。

通過觀察氣泡產(chǎn)生的位置以及生長過程，可以了解沸騰冷卻對電池傳熱的影響，氣泡的產(chǎn)生過程如圖7 所示。由圖7可知，氣泡的產(chǎn)生主要發(fā)生在正負(fù)極之間的連線處以及電線處，因?yàn)樵诖植诒砻嬉约翱p隙處容易產(chǎn)生氣泡。圖7(a)為開始記錄氣泡在電池底端產(chǎn)生；隨著電池放電持續(xù)產(chǎn)熱，氣泡體積逐漸增大，如圖7(b)所示，氣泡即將分離；隨著氣泡體積的增大，氣泡開始離開電池，如圖7(c)所示；圖7(d)為氣泡上升過程以及下一個(gè)氣泡開始產(chǎn)生。氣泡的生長過程對電池表面的熱邊界層進(jìn)行了破壞，導(dǎo)致對冷卻工質(zhì)進(jìn)行強(qiáng)烈的擾動，降低了熱接觸電阻，強(qiáng)化了對流傳熱。

3 電池組浸沒式冷卻實(shí)驗(yàn)

3.1 浸沒式冷卻電池組實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

浸沒式冷卻實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖8 所示。浸沒式冷卻結(jié)構(gòu)包括電池模塊、儲液箱、恒溫水箱、蠕動泵、數(shù)據(jù)采集儀、直流電源、流量計(jì)等元件，其中：直流電源為電池組進(jìn)行充放電提供電源支持；蠕動泵是浸沒式冷卻系統(tǒng)的動力所在，為冷卻液在整個(gè)系統(tǒng)中正常循環(huán)提供動力；儲液箱的作用保證了冷卻液在整個(gè)循環(huán)中得到充足利用；數(shù)據(jù)采集儀的作用在于記錄電池模塊當(dāng)中電池的溫度變化并傳輸?shù)诫娔X中；系統(tǒng)工作時(shí)通過蠕動泵的驅(qū)動作用將儲液箱的冷卻工質(zhì)運(yùn)輸?shù)诫姵啬K所在的密封箱中，在電池模塊當(dāng)中冷卻工質(zhì)吸收熱量從而汽化，流出的氣體經(jīng)過恒溫水箱的冷凝液化后回到儲液箱體中進(jìn)行循環(huán)實(shí)驗(yàn)，通過恒溫水箱以及流量計(jì)來控制冷凝段的冷凝溫度和冷凝水的流量。利用艾德克斯所生產(chǎn)的電池充放電儀器(IT-M3422)對電池進(jìn)行充放電。在電池表面布置K型熱電偶，采集電池表面平均溫度并傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集儀(Agilent34970A)且記錄到電腦當(dāng)中。

3.2 結(jié)果分析

由圖9 可知，電池組在1C、2C、3C倍率下，通過100%浸沒在冷卻工質(zhì)當(dāng)中的測點(diǎn)溫度變化曲線趨勢基本相似，呈現(xiàn)出隨著放電深度的加深，電池組各測點(diǎn)溫度逐漸升高，電池之間的溫差較小，最終穩(wěn)定在36 ℃左右波動而不再升高，且冷卻工質(zhì)出現(xiàn)了沸騰的現(xiàn)象，但是冷卻工質(zhì)沸騰的程度不同。

圖9 不同放電倍率下100%浸沒高度時(shí)電池組溫升曲線

4 結(jié)論

本文對基于SF33 為冷卻工質(zhì)的浸沒式冷卻鋰離子電池實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了相關(guān)的研究，并與風(fēng)速為2 m/s 的強(qiáng)制風(fēng)冷進(jìn)行對比分析，得出的主要結(jié)論如下：

(1)以SF33 為冷卻工質(zhì)的浸沒式冷卻系統(tǒng)具有良好的散熱效果。單體鋰離子電池分別以3C、5C倍率進(jìn)行放電時(shí)，浸沒式冷卻的最大溫升比強(qiáng)制風(fēng)冷分別低2.36 和6.45 ℃。

(2)當(dāng)電池以5C倍率進(jìn)行動態(tài)放電時(shí)，浸沒式冷卻能夠?qū)㈦姵販囟瓤刂圃?4～36 ℃之間波動，波動溫度低于1 ℃；強(qiáng)制風(fēng)冷條件下電池溫度波動上升，且波動范圍比較大，約為浸沒式冷卻的4 倍。

(3)可視化實(shí)驗(yàn)中，冷卻工質(zhì)吸收電池的熱量導(dǎo)致沸騰，氣泡的產(chǎn)生破壞了電池表面的熱邊界層，對冷卻工質(zhì)進(jìn)行強(qiáng)烈的擾動，降低了熱接觸電阻，從而強(qiáng)化了對流傳熱。

(4)浸沒式冷卻鋰離子電池組實(shí)驗(yàn)中，電池溫度保持在36 ℃不再升高，且電池之間的溫差較小。