鋰離子動力電池相變冷卻實驗研究

黃 瑞，洪文華，俞小莉，陳俊玄，李 智，何曉帆

鋰離子動力電池相變冷卻實驗研究

黃 瑞，洪文華，俞小莉，陳俊玄，李 智，何曉帆

（浙江大學 能源工程學院，浙江 杭州市 310027）

制備了石蠟/膨脹石墨復合相變材料，并測試其熱物性參數，搭建了相變冷卻鋰電池模塊充放電實驗臺架。針對一個25并的鋰電池模塊，在低溫，常溫，高溫等不同工況下進行電池充放電測試，得到電池模塊不同測點的溫升曲線，并探究了不同工況下放電結束時刻鋰電池的最高溫度和溫度分布均勻性情況。研究表明，相變冷卻對鋰電池模塊具有很好的控溫和均溫效果。

鋰電池；相變冷卻；實驗研究

新能源汽車的開發和研究已經成為世界范圍內關注的熱點，鋰離子動力電池（以下簡稱鋰電池）是電動汽車中應用最多的動力電池[1-2]。鋰電池散熱是否充分、溫度分布是否均勻直接影響電池的使用效率、循環壽命及安全性能，從而影響電動車整車性能[3]。相比于風冷、液冷等傳統冷卻方式，相變冷卻因相變材料潛熱大、散熱效率高、不需要額外消耗泵功等優勢，成為一種充滿研究前景的冷卻方式[4-6]。因此，研究相變冷鋰電池卻對動力電池熱管理技術的進步具有重要意義。

本文制備了石蠟/膨脹石墨復合相變材料并測試其熱物性參數，搭建了相變冷卻鋰電池模塊充放電實驗臺架，針對一個25并的鋰電池模塊，在低溫，常溫，高溫等不同工況下進行電池充放電測試，得到電池模塊不同測點的溫升曲線。并探究了不同工況下，相變冷卻鋰電池模塊放電過程中的溫升情況，以及放電結束時刻鋰電池的最高溫度和溫度分布均勻性情況。

1 復合相變材料的制備與熱物性表征

本文研究對象為18650圓柱形三元鋰電池構成的5×5電池模塊，電池之間間隙為10 mm，模塊結構如圖1所示。整個鋰電池模塊大小為150 mm′150 mm′65 mm，電池與電池之間均充滿相變材料冷卻介質。

一般來說，應用于電池熱管理的相變材料是固-液相變材料，主要包括金屬以及結晶水合鹽等無機相變材料和脂肪酸、石蠟等有機相變材料。

圖1 鋰電池模塊物理模型

相變材料的選取一般要滿足以下條件[7]：（1）合適的相變溫度；（2）較高的相變潛熱；（3）性能穩定；（4）導熱性能好；（5）體積膨脹率小；（6）成本低。本文選取工業石蠟作為電池熱管理系統的相變冷卻介質，石蠟規格參數見表1。

表1 石蠟規格參數

由于純石蠟的導熱系數低，需要添加高導熱介質以提高相變材料的導熱率。本文以膨脹石墨作為高導熱添加劑。石蠟/膨脹石墨復合相變材料制備工藝流程見圖2。

圖2 石蠟/膨脹石墨復合相變材料制備工藝流程

可膨脹石墨經過恒溫烘干箱干燥一定時間后，每次取5.0 g置于600℃的箱式電阻爐中，高溫膨脹20 s，便可得到膨脹石墨。膨脹后的石墨體積增大200倍以上，疏松且密度很小。按照一定比例，用電子天平稱取石蠟和膨脹石墨；首先將固體石蠟顆粒在80~90 ℃恒溫水浴中熔化，將膨脹石墨分幾次加入到熔融態石蠟中，用玻璃棒手動攪拌3 min使其初步混合；然后在恒溫水浴環境下用精密增力電動攪拌器以2000 r/min的轉速攪拌30 min，使兩種材料共混吸附，得到分散均勻的液態相變材料混合物；然后將分散好的液態混合物倒入預先準備好的模具中，待樣品完全凝固并冷卻至室溫，脫模，機械加工打孔，最后制備得到的相變材料模塊如圖3所示。

圖3 石蠟/膨脹石墨復合相變模塊

對制備的相變模塊熱物性進行表征，為仿真計算以及相變材料匹配優化奠定基礎。導熱系數測試采用基于瞬態平面熱源法的Hot Disk導熱系數測試儀。瞬態平面熱源法測定材料熱物性的原理是基于無限大介質中階躍加熱的圓盤形熱源產生的瞬態溫度響應[8]。

實驗中先制備兩塊大小相同的方形樣品，規格為20 mm′20 mm′5 mm；然后將一個Hot Disk探頭固定在兩塊樣品之間，使樣品光滑面與探頭接觸，調整壓緊螺栓使墊塊能夾緊樣品和探頭，減小接觸熱阻。圖4是測試時樣品和探頭形成的一個夾層結構示意圖。其中探頭同時作為熱源和溫度傳感器[9]，最后通過測量分析可以得到樣品的導熱系數。

圖4 Hot Disk測試儀結構示意圖

采用美國TA Instrument生產的Q200差示掃描量熱儀（圖5）對石蠟/石墨復合相變材料進行差示掃描量熱法（differential scanning calorimetry, DSC）熱分析，獲得的DSC曲線見圖6。通過計算DSC曲線與底部直線圍成的面積即為復合相變材料實際潛熱值，曲線谷值點對應的溫度即為復合相變材料的相變溫度點[10]。

圖5 Q200差示掃描量熱儀

圖6 DSC曲線

實驗測得的石蠟/膨脹石墨復合相變材料的熱物性參數見表2。

表2 石蠟/膨脹石墨復合相變材料熱物性參數

2 相變冷卻電池模塊實驗臺架的搭建和測試

通過搭建相變冷卻鋰電池模塊充放電實驗臺架，研究相變冷卻對鋰電池的散熱效果。

2.1 鋰電池模塊組裝

本實驗選用K型熱電偶作為電池溫度傳感器。K型熱電偶是一種被廣泛使用的金屬熱電偶，具有線性度和靈敏度高，熱電動勢較大，穩定性好，抗氧化性強等優點[11]。用耐高溫導熱膠將標定好的熱電偶的測溫端粘貼在電池側面中部，如圖7所示。

圖7 熱電偶在電池表面的布置

按照對稱原則，將序號為1、2、3、7、8、13的6個鋰電池（見圖8）按上述方法布置好熱電偶，待膠水固化后，再把25個18650鋰電池安裝到相變模塊中。將安裝好的鋰電池模塊，用鍍鎳鋼帶對電池的正極和負極分別進行焊接，再使用兩塊銅排對正負極進行匯流，形成一個25并鋰電池模塊，額定容量為60 Ah，如圖9所示。

圖8 組裝好的相變冷卻電池模塊

圖9 焊接好鍍鎳鋼帶的電池模塊

2.2 臺架搭建和充放電實驗測試

將鋰電池模塊布置的熱電偶連接到溫度測試儀相應的通道，鋰電池模塊通過動力線與SOARING電池充放電儀連接，電池充放電儀通過串口線與上位機相連。整個實驗臺見圖10，主要包含如下3個部分：

（1）電池充放電儀：采用SOARING高效回饋電池化成與分容系統，通過配套的上位機控制軟件編輯測試工步，可以實現各通道恒壓、恒流、恒功率等充放電模式，以及擱置、循環等模式；

（2）恒溫箱：采用HT-150L型可程式恒溫恒濕試驗箱，作為鋰電池模塊的一個溫控系統，模擬鋰電池實際充放電所處的環境溫度；

（3）溫度測試儀：采用JK-16C型多路溫度測試儀按照每秒鐘讀取1個溫度數據的頻率進行測試，溫度數據可以直接存儲在U盤中。

圖10 相變冷卻鋰電池模塊充放電實驗臺架

具體實驗步驟：

（1）將鋰電池模塊放入恒溫箱中，調節可控恒溫箱的溫度為5 ℃，將鋰電池模塊擱置30 min；

（2）待鋰電池溫度穩定后，以0.5C倍率進行恒流充電（30 A），當充電時間為150 min或電池電壓≥4.15 V時，自動跳轉下一步；

（3）擱置30 min，使電池溫度降到恒溫箱溫度；

（4）待電池溫度穩定后，以1C倍率進行恒流放電（60 A），當放電時間為60 min跳轉下一步，同時記錄鋰電池模塊放電過程中各測點的溫度變化；

（5）擱置30 min，結束。

分別將步驟（4）中的恒流放電電流變為2C、3C、4C、5C，并且調整相應的放電時間，放電截止電壓仍然為3.0 V，在重復步驟（2）、（3），獲得環境溫度為5℃下，相變冷卻鋰電池模塊不同放電倍率下各測點溫升情況。

然后在調節恒溫箱溫度為20 ℃和35 ℃，重復步驟（2）—（5）。

3 相變冷卻鋰電池模塊實驗結果分析

3.1 電池溫升分析

在不同環境溫度和不同放電倍率下，中央測點13的溫升曲線見圖11，可以反映出整個鋰電池模塊的溫升情況。

從圖11可以得出以下幾個結論：

（1）同一環境溫度下，放電倍率越大，電池溫升速度越快，因為根據Bernardi電池生熱速率公式[12]，電池生熱量隨放電電流的增大而增大；

（2）同一放電倍率下，環境溫度越低，電池溫度上升越快，因為電池溫度越低，電池歐姆內阻、極化內阻越大，電池生熱速率越大；

（3）在電池恒流放電過程中電池溫度持續上升，放電初期溫度上升較快，在相變點后電池溫升速率逐漸減小。

以環境溫度35 ℃為例，研究不同放電倍率下鋰電池模塊在放電過程中表面平均溫度的變化，結果見 圖12。

圖11 在不同溫度下和不同倍率放電時測點13的溫升

圖12 相變冷卻鋰電池模塊溫升曲線

從圖12中能看出，以5C放電為例，段還沒有達到相變材料的熔點，相變材料還是固態，相變材料以自身進行吸熱，因此在放電初期電池升溫較快；當放電到110 s時，電池表面平均溫度達到相變材料的熔點，即點，相變材料開始熔化，但是熔化的區域呈現的是一種糊狀區，動力黏度還很大，相變傳熱方式還是導熱，相變材料在相變過程中因巨大的潛熱能力將電池散發的熱量存儲起來，此時鋰電池模塊的溫升速率顯著減緩；在110~580 s一段長時間放電中，電池溫度維持在一個比較穩定的范圍（44~ 47 ℃）內，充分利用了相變潛熱的優勢，使電池運行在最佳工作溫度范圍。

階段，相變材料繼續吸熱，糊狀區繼續熔化，自然對流趨勢加大，熔化速度加快；但由于相變材料中熱量的傳遞主要以導熱為主，電池壁面附近的相變材料的吸熱速率要大于其傳熱到遠處相變材料的速率，因此電池熱量不能及時被遠處的相變材料所吸收，從580 s到放電結束時刻，電池溫度以較大速率上升。

鋰電池模塊分別以4C、3C、2C倍率進行放電時，相變材料分別在170 s（點），290 s（點），690 s（點）開始發生相變。放電倍率越小，鋰電池表面平均溫度在相變點后變化得越平緩。因為放電電流越小，電池生熱量越小，放電時間越長，就有足夠的時間將熱量傳到遠處的相變材料，所以在相變點后，電池產熱和散熱愈加趨向平衡，電池“恒溫”效果越明顯。

3.2 放電結束時刻各測點溫度特性分析

通常情況下，鋰電池工作的適宜溫度為20~50 ℃，電池組內最大溫差應低于5 ℃。在此溫度范圍內電池可獲得最佳的工作性能和循環使用壽命[13]。因此，需要對相變冷卻鋰電池模塊的最高溫度和最大溫差進行研究。在5 ℃、20 ℃、35 ℃3個環境溫度下，記錄鋰電池模塊不同倍率放電結束時刻，計算得到每種工況下各測點之間的最大溫差，得到各測點最高溫度和最大溫差隨放電倍率、環境溫度的變化曲線分別見圖13和圖14。

圖13 鋰電池模塊各測點最高溫度

圖14 鋰電池模塊各測點最大溫差

由圖13可知，鋰電池模塊測點最高溫度隨放電倍率的增大而增大；同一放電倍率下，鋰電池模塊測點最高溫度隨著環境溫度的升高而增大。在大倍率放電情況下，相變冷卻能將電池最高溫度控制在 50 ℃以下，充分利用了相變材料的潛熱、有很好的控溫效果。

由圖14可知，同一環境溫度下，各測點間的最大溫差隨著放電倍率的增大而增大；同一放電倍率下，各測點間的最大溫差隨著環境溫度的增大而增大。總體來說，在實驗所測的溫度范圍內，相變冷卻使得鋰電池模塊溫差控制在2 ℃以內，鋰電池模塊具有較好的溫度分布均勻性。

4 結論

（1）相變冷卻能將電池最高溫度控制在50℃以下，有很好的控溫效果。同一環境溫度下，鋰電池模塊最高溫度隨放電倍率的增大而增大。同一放電倍率下，鋰電池模塊測點最高溫度隨著環境溫度的升高而增大；但是在高倍率放電時，環境溫度對鋰電池模塊最高溫度的影響較小。

（2）相變冷卻使得鋰電池模塊溫差控制在2℃以內，有很好的均溫效果。同一環境溫度下，各測點間的最大溫差隨著放電倍率的增大而增大。同一放電倍率下，各測點間的最大溫差隨著環境溫度的增大而增大。

（3）放電倍率越小，在相變點后，鋰電池模塊恒溫效果越明顯。

[1] 各國禁售燃油車時間表出爐新能源汽車成大勢所趨[J/OL]. 電動汽車時代，(2018-03-12). https://item.btime.com/m_ 951403f6deb432283.

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Experimental study on phase change cooling of lithium ion power battery

HUANG Rui, HONG Wenhua, YU Xiaoli, CHEN Junxuan, LI Zhi, HE Xiaofan

(College of Energy Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)

The paraffin/expanded graphite composite phase change material is prepared, and its thermophysical parameters are tested. The charging and discharging test bench of phase change cooling lithium battery module is built. For a 25-parallel lithium battery module, the battery charging and discharging tests are carried out under different working conditions, such as low temperature, normal temperature and high temperature. The temperature rising curves at different measuring points of the battery module are obtained, and the uniformity of the maximum temperature and temperature distribution of the lithium battery at the end of charging under different working conditions is explored. The results show that phase change cooling has good temperature control and uniform effect on lithium battery module.

lithium battery; phase change cooling; experimental study

TM912

A

1002-4956(2019)10-0081-05

10.16791/j.cnki.sjg.2019.10.019

2019-01-28

教育部高等學校能源動力類新工科研究與實踐重點項目（NDXGK2017Z-15）；浙江省科協育才工程項目（2018YCGC015）

黃瑞（1985—），男，浙江臺州，碩士，助理研究員，主要研究方向為汽車及動力機械試驗技術。E-mail: hrss@zju.edu.cn