基于相變材料與液冷結(jié)合的鋰離子電池?zé)峁芾硌芯?/h1>
熱設(shè)計 2022-04-11

在“碳中和”“碳達(dá)峰”目標(biāo)以及實施新型排放標(biāo)準(zhǔn)的大趨勢下,電動汽車是傳統(tǒng)汽車的優(yōu)秀替代品,但其發(fā)展仍存在諸多安全挑戰(zhàn),尤以電動汽車鋰離子電池安全為研究重點,鋰離子電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)顯得尤為重要?

電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)研究主要存在3個研究方向:風(fēng)冷?液冷和相變材料冷卻,每種冷卻方式均有各自的優(yōu)缺點?風(fēng)冷的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單?成本低,但傳熱系數(shù)低且冷卻速度慢,隨著電池發(fā)熱量的增加,風(fēng)冷方式逐漸不能滿足鋰電池的散熱需求?相變材料作為一種先進(jìn)的電池?zé)峁芾矸椒?/span>,是目前研究的重點領(lǐng)域?相變材料冷卻結(jié)構(gòu)簡單?質(zhì)量小?巨大的潛熱特性使鋰電池溫度穩(wěn)定,但存在更換成本高?穩(wěn)定性差的特點?液冷熱管理系統(tǒng)具有冷卻速度快的優(yōu)點且目前研究方向多樣,但仍具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜?質(zhì)量大?成本高?易泄漏等問題?在前人研究基礎(chǔ)上,結(jié)合不同熱管理結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點,筆者提出一種相變與液冷結(jié)合的冷卻方式(下稱“相-液冷卻”),并通過對比鋰離子電池在自然對流冷卻?相變材料冷卻和相-液冷卻3種工況下電池溫度變化,分析相-液冷卻對電池溫度和電化學(xué)性能的影響?通過對比分析液體進(jìn)口流量?螺旋管圈數(shù)?螺旋管與電池表面的距離等對電池的實際降溫效果,探討相-液冷卻結(jié)合的最優(yōu)組合?

1實驗設(shè)備及實驗步驟

1.1實驗平臺

實驗采用18650鋰離子電池為研究對象,相變材料采用的是相變溫度為52℃的高導(dǎo)熱復(fù)合相變材料,該電池的基本參數(shù)見表1?鋰離子電池充放電設(shè)備采用的是鋰離子電池檢測儀器,液冷設(shè)備采用的是T300S調(diào)速蠕動泵,該泵的流量范圍為0.006~1600mL/min,工作轉(zhuǎn)速范圍為0.1~350轉(zhuǎn)/min?實驗過程中所使用的熱電偶是T型貼片式熱電偶,熱電偶貼合于18650鋰離子電池表面中心位置?鋰離子電池液冷螺旋管管道采用的是內(nèi)徑2mm?外徑3mm的紫金銅管,具有延展性好?易彎曲?易定形等特點?在本實驗中,相變材料包裹在電池及液冷螺旋管周圍,主要成分為相變石蠟和膨脹石墨,具有相變潛熱高?絕緣性好?循環(huán)穩(wěn)定性好?無腐蝕性?無毒等優(yōu)點,相變材料詳細(xì)的熱學(xué)物理特性見表2?實驗中,液冷管道以螺旋的形式通過一定的匝數(shù)和距離纏繞于鋰離子電池周圍,并固定于圓柱鋁管內(nèi),圓柱鋁管內(nèi)的剩余空間由相變材料進(jìn)行填充,具體的基于相變材料的鋰離子電池新型液冷裝置如圖1所示?

1.2實驗步驟

首先對單個18650鋰離子電池進(jìn)行一次充放電循環(huán),之后靜置2h,使其處于穩(wěn)定狀態(tài)?共設(shè)計了3組試驗工況,分別是:自然對流?相變材料冷卻?相-液冷卻,整個實驗過程在室溫條件下進(jìn)行?其中,在自然對流條件下,鋰離子電池表面完全裸露于空氣中;在相變材料冷卻條件下,鋰離子電池固定于圓柱鋁管中,周圍由相變材料進(jìn)行完全填充;在相-液冷卻條件下,針對18650鋰離子電池的散熱特點,液冷螺旋管道分別以3匝和5匝的形式環(huán)繞于鋰離子電池周圍,之后進(jìn)一步對螺旋管至鋰離子電池的距離以及流速進(jìn)行優(yōu)化分析,分別對螺旋管至電池距離為1?2mm及流量在25?50?100mL/min等參數(shù)下進(jìn)行交叉實驗并具體分析最優(yōu)配置?實驗的具體流程如圖2所示?實驗過程中,鋰離子電池充放電采取的安全保護(hù)電壓下限為2.4V,電壓上限為4.3V,具體的鋰離子電池充放電試驗工況見表3?

2結(jié)果與討論

2.1鋰離子電池在不同工況下充放電溫升研究

鋰離子電池在進(jìn)行充放電工作時,電池內(nèi)部發(fā)生反應(yīng),產(chǎn)生歐姆內(nèi)阻熱?極化內(nèi)阻熱及電化學(xué)反應(yīng)熱等并以電池溫度升高的形式表現(xiàn)出來?圖3為環(huán)境溫度25℃下18650鋰離子電池在自然對流冷卻?相變材料冷卻?相-液冷卻3種不同工況下電池充放電過程中的溫度變化?

通過圖3發(fā)現(xiàn),相變材料冷卻和相-液冷卻兩種方式都可以不同程度地降低充放電過程中電池溫度?其中,鋰離子電池在相變材料冷卻和相-液冷卻工況下電池表面最高溫度分別為46.3?39.3℃,相比于自然對流,溫度分別下降約9.2?16.5℃?相變材料和液冷螺旋管可以吸收鋰離子電池在充放電過程中產(chǎn)生的熱量,降低電池溫度,其中,相-液冷卻工況降溫表現(xiàn)最為突出,保證電池在正常工作溫度范圍?

2.2不同工況對鋰離子電池電化學(xué)性能影響

溫度是影響電池性能參數(shù)的重要因素,溫度過高或過低會影響電池容量?充放電效率?安全性能等,導(dǎo)致電池性能降低?圖4(a)為鋰離子電池在充放電循環(huán)中的電流變化曲線;圖4(b)為鋰離子電池在充放電循環(huán)中的電壓變化曲線?由圖4可以看出,電池在各工況下電流和電壓曲線幾乎相同,在充放電循環(huán)中,電流電壓都達(dá)到了設(shè)置的額定值,但相比自然對流工況,電池在相變材料冷卻和相變材料與液冷結(jié)合兩種工況下,充放電時間略微縮短,造成這一現(xiàn)象主要原因與電池在充放電過程中電池溫度有關(guān),自然對流冷卻下,電池表面最高溫度為55.8℃,而電池正常工作溫度為25~40℃,在鋰離子電池充放電過程中,鋰離子之間的轉(zhuǎn)移通過電池內(nèi)部的質(zhì)量分?jǐn)?shù)梯度差來實現(xiàn),當(dāng)電池溫度過高時,電池內(nèi)部鋰離子擴(kuò)散率快,需要更低的質(zhì)量分?jǐn)?shù)梯度滿足所需的通量,導(dǎo)致在較高溫度下工作時電池充放電時間增加?

2.3相變材料與液冷最優(yōu)組合研究

通過對不同工況下電池充放電溫升研究發(fā)現(xiàn),相-液冷卻可有效降低電池溫度,保證電池處于正常工作范圍?為了探討相-液冷卻的最優(yōu)結(jié)合,從液體不同進(jìn)口流量?螺旋管匝數(shù)?間距角度來分析各種因素對該組合的影響?圖5為液體不同進(jìn)口流量下鋰離子電池溫度變化?由圖5可見,電池溫度隨液體進(jìn)口流量增加而降低,當(dāng)液體進(jìn)口流量為100mL/min時,電池表面溫度最低為37.4℃,相比20mL/min,溫度下降1.9℃?因此,提高液體進(jìn)口流量可以有效降低電池充放電的溫度?

圖6為液體進(jìn)口流量為20mL/min時不同螺旋管圈數(shù)對鋰離子電池溫度影響?通過圖6發(fā)現(xiàn),當(dāng)螺旋管為5圈時,電池在充放電過程中最高表面溫度為38.1℃,相比螺旋管為3圈時,溫度下降1.2℃?因此,當(dāng)液冷管圈數(shù)增加時,相對應(yīng)的增加了與相變材料的接觸面積,隨著液體流動,帶走更多的熱量,使得電池溫度降低?圖7為液體進(jìn)口流量為100mL/min時不同螺旋管圈數(shù)對鋰離子電池溫度影響?通過圖7發(fā)現(xiàn),當(dāng)液體流量為100mL/min時,電池表面溫度變化與螺旋管圈數(shù)幾乎沒有關(guān)系,電池最高表面溫度為37.3℃左右?因此,從結(jié)構(gòu)復(fù)雜性?成本和電池?zé)峁芾硇Ч紤],當(dāng)液體進(jìn)口流量為100mL/min?螺旋管圈數(shù)為3圈時效果最佳?

通過上述分析,在相-液冷卻時,以液體進(jìn)口流量為100mL/min?螺旋管圈數(shù)為3圈時為基礎(chǔ),來探討螺旋管與電池表面的距離對電池溫度的影響?圖8為螺旋管與電池表面不同距離下的鋰離子電池溫度變化?通過圖8發(fā)現(xiàn),當(dāng)螺旋管距離電池表面為1?2mm時,電池最高表面溫度分別為37.4?37.7℃,溫度差別不大,曲線幾乎一致?考慮到螺旋管結(jié)構(gòu)和成本問題,螺旋管與電池表面的距離為1mm最佳?通過上述分析可得,在本文設(shè)計工況中,液體進(jìn)口流量為100mL/min?螺旋管圈數(shù)為3圈?螺旋管距電池表面為1mm的相變與液冷組合對鋰離子電池?zé)峁芾硇Ч罴?

3結(jié)論

合理的鋰離子電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)是保證電池正常工作的關(guān)鍵,筆者通過對比自然對流冷卻?相變材料冷卻?相-液冷卻3種工況,分析相-液冷卻對鋰離子電池的降溫作用?另外,分析相變材料與液冷的不同組合方式,考慮結(jié)構(gòu)復(fù)雜性?成本和熱管理效果,得出如下結(jié)論?

(1) 相變材料與液冷結(jié)合冷卻可以有效降低鋰離子電池工作溫度?其中,鋰離子電池在相變材料冷卻和相變材料與液冷結(jié)合工況下電池表面最高溫度分別為46.3?39.3℃,相比自然對流冷卻,溫度分別下降約9.2?16.5℃?

(2) 相變材料與液冷結(jié)合的方式在保證電池處于正常工作溫度范圍的同時,使鋰離子電池的電化學(xué)性能更加穩(wěn)定?

(3) 不同的液體進(jìn)口流量?螺旋管圈數(shù)?螺旋管與電池表面的距離會對降低電池溫度產(chǎn)生不同效果?其中,液體進(jìn)口流量為100mL/min?螺旋管圈數(shù)為3圈?螺旋管距電池表面距離為1mm的組合方式下電池表面最高溫度為37.4℃,相比自然對流冷卻,溫度下降18.4℃,對鋰離子電池?zé)峁芾硇Ч罴?