翅片式鋰電池熱管理系統散熱性能的實驗研究

高明，張寧，王世學，張靜靜，靳鵬超（天津大學機械工程學院，中低溫熱能高效利用教育部重點實驗室，天津 300072）

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翅片式鋰電池熱管理系統散熱性能的實驗研究

高明，張寧，王世學，張靜靜，靳鵬超
（天津大學機械工程學院，中低溫熱能高效利用教育部重點實驗室，天津 300072）

摘要：鋰電池在使用時會持續產熱，作為電動汽車電源使用時若不采取有效的熱管理措施，可能導致其溫度過高、電池單體間溫差過大，從而影響其性能和壽命。目前電池熱管理系統多采用強制風冷、循環液冷、相變冷卻、熱管冷卻等方法，結構復雜且成本較高。本文采用純銅翅片式電池熱管理系統并進行了實驗研究，通過改變放電倍率和翅片厚度，研究了電池組在不同工況下的熱特性。結果表明：自然對流條件下，加裝翅片可顯著抑制電池組溫度過高，并可改善電池組溫度分布的均勻性；增加翅片厚度可滿足高放電倍率和深度放電時的溫度要求。

關鍵詞：鋰電池；熱管理；翅片；對流；傳熱；安全

第一作者：高明（1989—），男，碩士研究生。聯系人：王世學，博士，研究員，主要從事相變傳熱和燃料電池等方面的研究。E-mail wangshixue _64@tju.edu.cn。

近年來，電動汽車得到了快速的發展，鋰電池憑借自身優勢已成為最具發展潛力的蓄電池[1]。然而，因鋰電池在使用過程中不斷產熱，如不采取有效的熱管理措施將導致其溫度過高、單體間溫差過大，加速電池損耗并降低電池組容量的利用效率[2-4]。實驗表明，磷酸鐵鋰電池的最佳工作溫度為18～45℃，可接受的電池單體間溫差范圍不高于10 ℃[5]。為此，學者們進行了大量的研究。WANG等[6]和吳宏等[7]分別通過改變電池組的排布方式和電池箱的結構研究了電池組的熱特性，模擬結果顯示在所給條件下可使電池組處于合適的工作溫度范圍。彭影等[5]模擬了導熱油循環液冷的方案，發現以較低的流速便可顯著改善電池組的溫度特性。ZHAO等[8]和WU等[9]分別將聚丙烯酸酯鈉水溶膠和加有熱管的鋁翅片用于電池組熱管理系統，實驗結果發現均可有效改善電池組的最大溫升和熱均勻性。靳鵬超等[10]和DUAN等[11]分別通過模擬和實驗的方法驗證了采用相變材料可有效改善電池組的溫度熱性。李釗等[12]和LIN等[13]分別對電池組加入摻有膨脹石墨的混合相變材料進行了實驗研究，發現摻有石墨后的相變材料可明顯改善電池組短時間劇烈放電時的最大溫升和單體間的最大溫差。王穎盈等[14]分別對采用平板微熱管陣列和散熱翅片的電池組進行了模擬，發現兩種結構也可有效改善電池組的溫度特性。洪思慧等[15]提出將超薄型熱管和相變材料耦合，可有效解決鋰離子電池的散熱與蓄熱問題。陳姿伶[16]通過模擬研究了翅片高度對散熱能力的影響，發現最合理的翅片高度為50～60mm。

綜上所述，已有的研究往往致力于制造復雜的風箱結構、外加循環液體或采用復合相變材料，雖然在一定程度上降低了電池組的最大溫升和電池單體間的最大溫差，但都存在結構復雜、緊湊性差、成本較高等缺點，且很多方案尚處于仿真模擬階段，并無可靠的實驗支撐。對此，本文將換熱器中常用的矩形翅片用于電池熱管理系統，實驗研究了自然對流條件下電池組的熱特性，給出了放電深度、放電倍率和翅片厚度等因素對電池組溫度特性的影響規律。

1　實驗裝置

1.1實驗系統

圖1為實驗系統示意圖。實驗所采用的電池測試設備是寧波拜特BTS系統，該系統可通過安裝在計算機中的Test Control軟件控制充放電過程，采集并記錄電流、電池組總電壓、單體電池電壓等數據。溫度采集和存儲采用橫河電機GP10數顯設備，可讀取并記錄溫度數據。

1.2電池結構

實驗所用電池為捷威磷酸鐵鋰軟包電池，其額定容量為22Ah，額定電壓為3.2V，尺寸為T7.7mm×W180mm×L200mm。電池組由6節電池單體正負極交叉串聯組成（見圖2），采用2種結構，分別為：①無間隙；②電池間加裝翅片。根據陳姿伶[16]的模擬結果，本實驗選取翅片高度為60mm，因此實驗加裝的銅板長為300mm，寬200mm，加裝時銅板長度中間線與電池寬度中間線平齊，兩側各伸出電池邊緣60mm，該部分銅板即為散熱翅片。

圖1　實驗系統示意圖

圖2　電池組結構示意圖

本實驗主要研究電池組在自然對流情況下放電的溫度特性，實驗階段確保環境無風。對于每種電池結構，均以0.5C、1C、1.5C、2C、2.5C、3C六種倍率進行放電，放電截止電壓為2V，其中放電電流1C=22A，2C=44A，以此類推。實驗階段環境溫度維持在30±1℃，波動小于2℃，環境相對濕度為35％～48％。

1.3熱電偶布置

實驗采用天津歐亞儀器T型熱電偶，在實驗溫度范圍內，各個熱電偶溫度數據均勻一致且測量值與標定值差異在0.1℃以內。用于測量電池表面溫度的28組熱電偶采用超薄紫銅膠帶粘貼固定于電池表面，其位置如圖3所示。圖3(a)中的數字即為熱電偶編號，上下緊鄰的兩個數字代表同一電池表面左右對稱的兩個熱電偶。圖3(b)為單塊電池表面熱電偶測點與電池邊界的距離。因放電時電池單體上部因靠近電極溫度較高，下部溫度較低[17]，故在高溫區和低溫區布置的熱電偶相對密集。考慮電池組結構的對稱性，省去了不必要的熱電偶。此外，1組熱電偶用于測量環境溫度。電池組的最高溫度和最低溫度分別為28組熱電偶的最大值和最小值，最大溫升為電池組最高溫度與電池初始溫度之差，最大溫差為電池組最高溫度與最低溫度之差。

2　結果與討論

2.1放電深度對電池組熱特性的影響

鋰電池的最佳工作溫度為18～45℃，因此，當環境溫度為30℃時，電池組最大溫升不應超過15℃，且電池單體間最大溫差不應超過10℃。

圖4為實驗溫度下采用混合動力脈沖能力特性（hybrid pulse power characteristic，HPPC）測出的電池單體的內阻隨放電深度（deep of discharge，DOD）的變化。實驗所用電池組的實際放電容量只有21.1A·h，因此DOD最大為96％。由圖4可知，放電開始后，電池內阻逐步增大，產熱速率也隨之增大，由于熱量的堆積造成電池溫度持續升高。當DOD＞80％時，電池內阻急劇增加，這就造成恒流放電后期產熱速率急劇增大，容易因高溫而產生安全問題。

圖4　電池單體內阻隨放電深度的變化

圖5為該環境溫度下分別以1C、2C、3C倍率放電時電池組的總電壓隨DOD的變化情況。由圖5可知，在各放電倍率下，開始放電瞬間電池組總電壓都會出現驟降，這是由電池在電流突然變化時的極化作用造成的，此后電池以一個較為穩定的工作電壓進行放電，放電倍率越大，電壓平臺越低。當DOD＞80％時，電池組工作電壓迅速下降，輸出功率隨之降低，嚴重影響電池組的動力性能。因此，放電后期是對動力電池熱管理系統要求較高階段。

圖5　電池組總電壓隨放電深度的變化

圖6為采用無間隙直接接觸和加裝1mm和3mm厚的翅片時，電池組分別以2C和3C放電的最大溫升隨DOD的變化曲線，其中翅片厚度為0表示無間隙結構。由圖可知，兩種放電倍率下電池組的最大溫升均隨DOD的增大而增大，且曲線變化大體可分為3個階段：前期迅速升高，中期緩慢升高，后期迅速升高。這是因為在放電初期，電池與環境間的溫差不大，散熱量較小，此時電池產熱大部分用于電池組溫升，因此電池溫升會迅速增加；隨著放電的進行，電池與環境溫差逐漸增大，散熱量也隨之增加，而此時產熱速率變化不大，因此電池溫升變緩；在放電后期，電池內阻急劇增大造成產熱速率驟增，而此時散熱速率變化不大，因此電池組溫升再次迅速升高，甚至有可能超過15℃。在每條曲線的最后階段，溫升均略有回落，這是由于電池組的實際DOD只能到96％左右，之后只有散熱，因此，DOD為96％～100％階段溫度會有所回落。加裝翅片后，電池組在DOD相同時最大溫升均較無間隙時小，且翅片越厚，最大溫升越低，例如以2C倍率放電至DOD為50％，無翅片時電池組的最大溫升為16℃，已超過15℃。而加裝厚度為1mm、3mm的翅片后，最大溫升分別降至9.3℃、7℃，相較無翅片時下降幅度達到42％和56％。當放電倍率相同時，加裝翅片可使滿足最大溫升條件的放電深度增大，即能夠放出更多的電能，例如以3C倍率放電，無翅片時電池組的最大溫升達到15℃時的DOD為27％，而加裝厚度為1mm、3mm的翅片后，最大溫升達到15℃時的DOD分別增至53％和79％，相較無翅片時增長幅度分別高達96％和191％。

圖6　最大溫升隨放電深度的變化

圖7為采用無間隙直接接觸和加裝1mm和3mm厚的翅片時，電池組分別以2C和3C放電條件下電池單體間的最大溫差隨DOD的變化曲線。由圖可知，無間隙時，兩種倍率下單體電池間的最大溫差均隨DOD的增加呈現先增后減的趨勢，且下降基本始于DOD為80％。這是由于在放電后期，電池產熱速率加快，而自然對流強度較弱，所產生的大量熱量不能及時散去，而使電池組成為一個高溫的整體且溫度分布趨于相對均勻。加裝翅片后，最大溫差均較無間隙時小，且隨DOD的增大而增大，其變化趨勢基本與最大溫升保持一致。當DOD相同時，翅片越厚，單體電池間最大溫差越小，例如以2C倍率放電至DOD為50％時，無翅片時電池單體間的最大溫差已達9.6℃，十分接近10℃。而加裝厚度為1mm、3mm的翅片后，最大溫差分別降至5.7℃、4.2℃，相較無翅片時下降幅度達到41％ 和56％。當放電倍率相同時，加裝翅片可使滿足最大溫差條件的放電深度增大，例如以3C倍率放電，無翅片時電池組的最大溫差達到10℃時的DOD為24.6％，而加裝1mm厚的翅片后，最大溫差達到10℃時的DOD增至58.8％，增幅高達139％，加裝3mm厚的翅片時電池組在整個放電過程中的最大溫差均未達到10℃，增幅高達290％以上。

圖7　最大溫差隨放電深度的變化

綜上可知，加裝翅片可有效降低電池組的最大溫升和單體電池間的最大溫差，提高電池組內部溫度分布的均勻性，增加電池組處于最佳溫度范圍內的放電深度，延長電池組在最佳溫度范圍內的工作時間。

2.2放電倍率對電池組熱特性的影響

圖8和圖9分別為采用無間隙及加裝1mm和3mm厚的翅片時，電池組的最大溫升和最大溫差隨放電倍率的變化情況。由圖可知，電池組的最大溫升和電池單體間的最大溫差均隨放電倍率的增大而增大。相較無翅片，加裝翅片后電池組的最大溫升和最大溫差均有顯著降低，例如以3C倍率完全放電，無翅片時的最大溫升和最大溫差分別為40.7℃和15.3℃，而加裝3mm厚的翅片時的最大溫升和最大溫差分別為20.5℃和9.7℃，相較無間隙時的下降幅度分別為50％和37％。隨著放電倍率的增大，兩圖中虛線以上的點逐漸增多，即在該實驗條件下滿足電池組溫度要求的結構逐漸減少，熱管理形勢變得更加嚴峻。例如：0.5C放電時，3種結構的電池組其最大溫升和最大溫差均滿足要求；而1.5C放電時，只有3mm厚的翅片滿足最大溫升的要求，3種結構均滿足最大溫差的要求；3C放電時，3種結構均不滿足最大溫升的要求，只有3mm厚的翅片滿足最大溫差的要求。綜合考慮最大溫升和最大溫差，3種結構的電池組分別以0.5C、2C和3C放電時，滿足要求的情況分別有3種、1種和0種。圖中各線與相應虛線交點的橫坐標為正好達到最大溫升和最大溫差要求的放電倍率，由圖可知，加裝翅片后，兩圖交點位置均向右移動，即可滿足更大放電倍率的溫度要求。綜上，加裝翅片雖然不能保證在各種條件下都滿足電池的溫度要求，但可顯著降低電池組在各倍率放電時的最大溫升和最大溫差，改善電池組溫度分布的均勻性。

圖8　最大溫升隨放電倍率變化

圖9　最大溫差隨放電倍率變化

2.3翅片厚度對電池組熱特性的影響

圖10和圖11分別為采用無間隙及加裝五種厚度的翅片結構時，電池組的最大溫升和最大溫差隨翅片厚度的變化情況。隨著翅片厚度的增加，兩圖中各線均呈逐漸下降之勢。由圖10可知，翅片厚度為0.5mm時，最大溫升相較無翅片時有明顯下降，之后隨著翅片厚度的增加這種下降趨勢逐漸變緩。當厚度在1～4mm時，最大溫升隨翅片厚度的增加幾乎成線性下降。由圖11可知，翅片厚度為0.5mm時，最大溫差相較無翅片時略有下降，而當翅片厚度為1mm時有明顯下降。之后隨著翅片厚度的增加這種下降趨勢逐漸變緩，當厚度在1～4mm時，幾乎成線性下降。相較無翅片結構，加裝翅片后電池組的最大溫升和最大溫差均有所降低，例如：以1.5C倍率放電，無翅片時電池組在放電結束時刻的最大溫升和最大溫差分別為25.2℃和8.4℃，而加裝厚度為0.5mm、1mm、2mm、3mm、4mm的翅片時，最大溫升分別19.5℃、17.8℃、14.5℃、14.1℃和11.5℃，相較無翅片時下降幅度分別為23％、29％、42％、44％和54％。最大溫差則分別降為8.1℃、6.8℃、6.6℃、6℃和5.2℃，相較無翅片時下降幅度

圖10　最大溫升隨翅片厚度變化

圖11　最大溫差隨翅片厚度變化

分別為3.6％、19％、21.4％、28.6％和38.1％。可見，隨著翅片厚度的增加，電池組的最大溫升和最大溫差均逐步減小，可使電池組滿足較大倍率放電時的要求。

3　結論

為提高電動汽車用鋰電池組的熱管理水平，本文采用了純銅翅片式鋰電池散熱方法，通過實驗分析了電池組放電過程中放電深度、放電倍率、翅片厚度等因素對電池熱特性的影響。主要結論如下。

（1）無論是否加裝翅片，電池組的最大溫升和最大溫差均隨著放電深度和放電倍率的增大而增大，且放電倍率越大，電池組能夠滿足要求的放電深度越小，即在最佳溫度區間釋放的電能越少。

（2）加裝翅片可明顯抑制電池組溫度過高，并可改善其溫度的均勻性，提升電池組的安全性能，延長電池組的使用壽命。且隨著翅片厚度的增加，電池組的最大溫升和最大溫差均逐步降低，可使電池組滿足更大倍率放電時的要求，并在最佳溫度區間釋放更多的電能。

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Experiment on heat dispersion of finned lithium battery thermal management system

GAO Ming，ZHANG Ning，WANG Shixue，ZHANG Jingjing，JIN Pengchao
（Key Laboratory of Efficient Utilization of Low and Medium Grade Energy，MOE，School of Mechanical Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

Abstract：Lithium-ion batteries continuously generate heat during work，So，when used as electric vehicle power supply，the battery pack may be quite hot and the temperature differences among monomers may be very large without effective thermal management measures，which will deteriorate its performance and lifespan. Generally uses various techniques such as forced air cooling，liquid circulation cooling，phase change material cooling and heat pipe cooling，have been applied in Battery thermal management system(BTMs) but with the shortcomings of complicated structure and high cost. In this work，pure copper fins were proposed for BTMs and experimental research was conducted. By changing the discharge rate and thickness of fins，the thermal characteristics of the battery pack under different working conditions is studied. The results showed that under the condition of natural convection，adding fin could significantly keep the temperature of battery pack from overheating，and improve the temperature distribution inside the battery pack. Thicker fins can meet the temperature requirements of higher discharge rate and greater discharge depth.

Key words：lithium battery；thermal management；fin；convection；heat transfer；safety

中圖分類號：TK 11

文獻標志碼：A

文章編號：1000–6613（2016）04–1068–06

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.04.016

收稿日期：2015-09-15；修改稿日期：2015-10-26。

基金項目：科技部國際合作項目（2013DFG60080）。