基于浸沒冷卻的鋰離子電池熱管理性能研究

王國陽，趙路遙，孔慶紅，張思雨，陳明毅

(江蘇大學環境與安全工程學院，江蘇鎮江 212013)

自20 世紀末以來，環境污染和能源危機已經成為兩個全球性的焦點問題[1]，發展新能源汽車是解決這些問題的一個有效的途徑。近年來，鋰離子電池廣泛應用于純電動和混合動力汽車上。然而，由于鋰離子電池自身的特點，其適宜的工作溫度范圍比較窄，最佳工作溫度在20～40 ℃之間[2]。同時，當電池溫度持續升高且不能及時散熱時，一旦溫度超過臨界溫度就可能引發熱失控[3]。因此，鋰離子電池熱管理對于汽車性能和安全都是至關重要的。

目前，電池熱管理系統包括空氣冷卻系統、液體冷卻系統和相變材料冷卻系統等。由于液體擁有高導熱性和高比熱容,因此與其他冷卻策略相比，液冷是一種有效的冷卻方法[4]。液冷一般又分為直接液冷和間接液冷兩種方式，在間接液冷方面通常使用水、水和乙二醇混合物作為冷卻液，但由于其導電性而限制了其有效性[5]。與間接液冷相比，直接液冷通常使用冷卻液介質有效降低電池的熱量，具有體積更小、冷卻速度更快的優點[6]。目前，浸沒冷卻技術已成功應用于冷卻數據中心服務器和電力電子設備。Endo Toshio 等建立了最先進的超級計算機原型，并采用了油浸冷卻，測試發現與風冷同類產品相比，總功耗降低了29%[7]。近年來，浸沒冷卻也逐漸應用于鋰離子電池熱管理，Chen 比較了空氣冷卻、直接油冷卻和間接水/乙二醇冷卻。研究發現，即使采取低流量直接油冷仍比空氣冷卻具有更高的散熱效率[8]。佟薇采用氟化液Novec 7100 作為冷卻液對18650 型鋰離子電池進行浸沒冷卻，模擬結果表明電池組的最高溫度可以降低至30.8 ℃[9]。羅玉濤等采用變壓器油作為冷卻液對鋰電池進行直接液冷，通過模擬發現在優化流道結構后可將電池組最高溫度控制在34.2 ℃[10]。本文選取了硅油、白油以及變壓器油作為絕緣冷卻液，開展了鋰離子電池浸沒冷卻的相關實驗研究，對不同工況下的18650 型鋰離子電池的溫升情況、表面溫度均勻性及電學性能進行了對比分析。

1 實驗裝置和實驗方法

本實驗采用的電池為日本松下18650 型鋰離子電池,所采用的硅油為西亞試劑公司生產的甲基硅油，白油、變壓器油為天成美加公司生產的15#白油及25#變壓器油，其導熱系數分別為0.226 5、0.288 7、0.284 5 W/(m·K)。

圖1 為鋰離子電池1C、2C充放電采用的設備，分別為新威公司生產的型號為CT-ZWJ-4S-1-1U 和型號為CT-4008-10V20A-NTFA 的電池檢測系統，溫度數據分別由美國國家儀器(NI)生產的溫度采集卡進行記錄。所采用的熱電偶均為億佳公司生產的K 型鎧裝熱電偶WRNK-191，測溫范圍為0～1 100 ℃，溫度測量精度均為0.1 ℃。實驗所用的浸沒容器為1 000 mL 標準燒杯，電池水平放置于燒杯的底部中央。熱電偶的位置是固定的，1 號、2 號、3 號熱電偶的探針位置分別位于電池距正極3.3 cm、距正極1 cm、距負極1 cm 的位置。

圖1 實驗流程示意圖

本實驗分別在空氣、硅油、白油及變壓器油中進行對比研究，冷卻液的用量均為170 mL(完全浸沒)。實驗在紙箱(長×寬×高，36 cm×25 cm×22 cm)中進行，室溫為20 ℃，具體的實驗工況見表1。

表1 鋰電池1 C、2 C 充放電實驗工況

2 結果和討論

2.1 浸沒冷卻下18650型鋰離子電池溫升分析

鋰電池在充放電過程中，其內部發生化學反應產生熱量，熱量從內部傳播到表面，表現為電池表面溫度升高。圖2分別顯示了電池在1C、2C充放電過程中表現出的溫升變化趨勢及不同冷卻液浸沒冷卻效果的對比。從圖2 中可以看出：在空氣中1C充放電狀態下的鋰電池表面溫度從20 ℃升至43.1 ℃，在硅油、白油及變壓器油中電池最高溫度分別為33.8、31.6、31.2 ℃。浸沒冷卻狀態下的鋰電池溫度大幅下降，且處于合理的工作溫度區間。在硅油、白油及變壓器油中浸沒狀態下的鋰電池溫度分別下降了9.3、11.5、11.9 ℃，降幅分別為21.6%、26.7%、27.6%。溫度降幅的差異性主要是由三種冷卻液的導熱系數不同導致的。結果表明，在1C充放電工況下，硅油、白油和變壓器油均能有效降低鋰電池的表面溫度，其中白油和變壓器油兩種礦物油的降溫效果最好，硅油的降溫效果一般。

圖2 浸沒冷卻溫升對比圖

從圖2 中可以看出，在空氣中2C充放電狀態下的鋰電池最高溫度可達到68 ℃，這個溫度已經遠遠超出鋰電池的合理工作溫度區間。高倍率放電工況下，放電電流較大，鋰電池內部化學反應速度加快，內部產生大量熱量，導致熱量累積及溫度快速升高，且放電倍率越高，溫度升高越快，溫度峰值越大。結果表明，浸沒冷卻對高倍率充放電下鋰離子電池的溫度進行了有效控制。在硅油、白油及變壓器油中電池最高溫度分別可達47.1、39.1 和38.8 ℃，降溫分別為20.9、28.9、29.2 ℃，降幅分別為30.7%、42.5%、42.9%。2C工況下不同冷卻液降溫效果差異性體現更為明顯，高導熱系數的白油和變壓器油更適合鋰電池的浸沒冷卻。

2.2 浸沒冷卻下18650 型鋰離子電池表面溫度均勻性分析

鋰離子電池在不同位置的表面溫度差異也對鋰電池的安全性起到十分重要的作用。隨著充放電倍率的提高和持續時間的延長，單個鋰電池表面溫度不均勻性也會隨之逐漸升高。這會引起電池性能的下降，嚴重的將導致熱失控的發生。本實驗的表面溫度均勻性分析過程中采取了中間與兩側極耳處的溫差來表示電池的表面溫度均勻性情況，進而探討在不同浸沒情況下的冷卻效果。

圖3 表明，在空氣中電池1C充放電工況下中間與負極、中間與正極的最大溫差分別為1.4 和2.3 ℃。在中間和負極的最大溫差方面，硅油、白油及變壓器油浸沒冷卻可以將其縮小到0.4、0.4、0.2 ℃，溫差分別減少了1、1、1.2 ℃。在中間和正極的最大溫差方面，硅油、白油及變壓器油浸沒冷卻，可將其分別縮小為0.7、0.7、0.8 ℃，溫差分別減少了1.6、1.6、1.5 ℃。結果表明，在1C充放電情況下，鋰離子電池的產熱較小，此時在三種冷卻液中均有良好的散熱效果，鋰電池的表面溫度均勻性能保持1 ℃以內的溫差。從圖3 中可以看出在空氣中電池2C充放電工況下中間與負極、中間與正極的最大溫差分別為2.4 和2.9 ℃。在中間和負極的溫差方面，硅油、白油及變壓器油浸沒冷卻可以將最大溫差縮小到2.4、1.5、1.6 ℃，溫差分別減少了0、0.9、0.8 ℃。在中間和正極的溫差方面，硅油、白油及變壓器油浸沒冷卻可將溫差分別縮小為2、1.1、0.8 ℃，溫差分別減少了0.9、1.8、2.1 ℃。說明在2C充放電工況下，鋰電池的產熱迅速升高，從而導致鋰電池的表面溫度也出現了極大的不平衡。相對于1C充放電，在2C工況下，中間與負極的最大溫差增大了1 ℃，中間與正極的最大溫差增大了0.6 ℃。在浸沒冷卻介質方面，硅油冷卻效果一般，白油和變壓器油能將中間與正極溫差值及中間與負極的溫差值控制在2 ℃以內，能夠有效控制鋰電池表面溫度均勻性。

圖3 鋰電池表面溫差圖

2.3 浸沒冷卻對18650 型鋰離子電池的電學性能影響分析

浸沒冷卻對鋰電池產生的影響除了溫度的降低以外，在電學性能方面也會產生相應的影響。圖4 分別顯示了在1C和2C充放電工況下，鋰電池在電流、電壓方面的變化情況。通過圖4 發現，空氣中電池的放電時間較長，在硅油、白油及變壓器油中，電池的放電時間依次縮短。在充放電過程中的恒流階段會有相應的時間縮短現象，這是因為在恒流條件下鋰離子的總通量大致相同，在較低溫度環境下，需要更高的濃度梯度來克服較慢的擴散率以滿足所需的通量。濃度梯度越大，電極過電位越高，電極利用率不均勻，導致在較低溫度下工作時更快達到截止電壓。通過電壓變化趨勢可以進一步驗證對鋰電池充放電時間不同的解釋。在恒流放電開始以后電壓同時從3.8 V 開始下降，在變壓器油、白油、硅油及空氣三種狀態下的鋰電池先后達到截止電壓。這種現象在2C充放電工況下更為明顯。通過表2 對容量的統計對比可以發現，在硅油、白油及變壓器油中電池的容量是逐漸下降的。硅油、白油、變壓器油浸沒冷卻在1C充放電工況下平均充放電總容量下降分別為181.25、238.5、237.25 mAh，容量降幅分別為5.76%、7.58%、7.54%。在2C充放電工況下，平均放電容量下降分別為593、1 038.75、1 174.5 mAh，容量降幅分別為19.69%、34.49%、38.99%。單體18650 鋰電池充放電容量受浸沒冷卻影響較大，主要是因為溫度的降低導致了鋰電池充放電時間的縮短。浸沒冷卻對鋰電池容量的影響主要體現在恒流放電和恒流充電階段，在這兩個階段中，容量與電流呈正相關的關系，隨著恒流充放電時間的縮短，充放電容量也會逐漸減小，這與圖4 中的電流和電壓數據一致。

圖4 18650型鋰離子電池充放電電學性能對比圖

表2 鋰電池在不同浸沒介質中的充放電容量變化 mAh

3 結論

直接液冷是冷卻效果十分明顯的鋰離子電池熱管理方式，其中利用絕緣油來進行浸沒冷卻具有經濟、方便、有效的優點，本實驗選取三種絕緣油來進行對比實驗，得出以下結論：

(1)在浸沒冷卻中不同充放電倍率情況下，不同的絕緣油有不同的冷卻效果，其中在2C充放電倍率下，鋰離子電池在空氣中溫度可達68 ℃，變壓器油可使電池表面溫度下降至38.8 ℃，表現出極好的冷卻效果;

(2)在1C與2C充放電情況下，電池表面最大溫差分別為2.3 和2.9 ℃。在2C充放電工況下，白油與變壓器油可以將表面溫度差控制在2 ℃以內，硅油在表面溫度均勻性的表現不及白油與變壓器油;

(3)隨著冷卻效果的提升，電池更快達到充放電截止條件，使充放電的時間相應縮短，導致鋰電池充放電總容量隨著恒流充放電時間的縮短相應減少。這種現象在高倍率充放電工況下更為明顯;

(4)硅油較低的導熱系數限制了其作為導熱油的有效性。變壓器油和白油在高溫情況下具有更好的冷卻效果，但是降溫會帶來電池充放電總容量下降的問題。