基于相變材料與液冷結合的鋰離子電池熱管理研究

熱設計 2022-04-11

在“碳中和”“碳達峰”目標以及實施新型排放標準的大趨勢下,電動汽車是傳統汽車的優秀替代品,但其發展仍存在諸多安全挑戰,尤以電動汽車鋰離子電池安全為研究重點,鋰離子電池熱管理系統顯得尤為重要?

電池熱管理系統研究主要存在3個研究方向:風冷?液冷和相變材料冷卻,每種冷卻方式均有各自的優缺點?風冷的優點是結構簡單?成本低,但傳熱系數低且冷卻速度慢,隨著電池發熱量的增加,風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的電池熱管理方法,是目前研究的重點領域?相變材料冷卻結構簡單?質量小?巨大的潛熱特性使鋰電池溫度穩定,但存在更換成本高?穩定性差的特點?液冷熱管理系統具有冷卻速度快的優點且目前研究方向多樣,但仍具有結構復雜?質量大?成本高?易泄漏等問題?在前人研究基礎上,結合不同熱管理結構的優缺點,筆者提出一種相變與液冷結合的冷卻方式(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性能的影響?通過對比分析液體進口流量?螺旋管圈數?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-液冷卻結合的最優組合?

1實驗設備及實驗步驟

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℃的高導熱復合相變材料,該電池的基本參數見表1?鋰離子電池充放電設備采用的是鋰離子電池檢測儀器,液冷設備采用的是T300S調速蠕動泵,該泵的流量范圍為0.006~1600mL/min,工作轉速范圍為0.1~350轉/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?循環穩定性好?無腐蝕性?無毒等優點,相變材料詳細的熱學物理特性見表2?實驗中,液冷管道以螺旋的形式通過一定的匝數和距離纏繞于鋰離子電池周圍,并固定于圓柱鋁管內,圓柱鋁管內的剩余空間由相變材料進行填充,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鋰離子電池進行一次充放電循環,之后靜置2h,使其處于穩定狀態?共設計了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匝的形式環繞于鋰離子電池周圍,之后進一步對螺旋管至鋰離子電池的距離以及流速進行優化分析,分別對螺旋管至電池距離為1?2mm及流量在25?50?100mL/min等參數下進行交叉實驗并具體分析最優配置?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

鋰離子電池在進行充放電工作時,電池內部發生反應,產生歐姆內阻熱?極化內阻熱及電化學反應熱等并以電池溫度升高的形式表現出來?圖3為環境溫度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發現,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生的熱量,降低電池溫度,其中,相-液冷卻工況降溫表現最為突出,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性能影響

溫度是影響電池性能參數的重要因素,溫度過高或過低會影響電池容量?充放電效率?安全性能等,導致電池性能降低?圖4(a)為鋰離子電池在充放電循環中的電流變化曲線;圖4(b)為鋰離子電池在充放電循環中的電壓變化曲線?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,在充放電循環中,電流電壓都達到了設置的額定值,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合兩種工況下,充放電時間略微縮短,造成這一現象主要原因與電池在充放電過程中電池溫度有關,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,鋰離子之間的轉移通過電池內部的質量分數梯度差來實現,當電池溫度過高時,電池內部鋰離子擴散率快,需要更低的質量分數梯度滿足所需的通量,導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組合研究

通過對不同工況下電池充放電溫升研究發現,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-液冷卻的最優結合,從液體不同進口流量?螺旋管匝數?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,電池溫度隨液體進口流量增加而降低,當液體進口流量為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,提高液體進口流量可以有效降低電池充放電的溫度?

圖6為液體進口流量為20mL/min時不同螺旋管圈數對鋰離子電池溫度影響?通過圖6發現,當螺旋管為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,當液冷管圈數增加時,相對應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為液體進口流量為100mL/min時不同螺旋管圈數對鋰離子電池溫度影響?通過圖7發現,當液體流量為100mL/min時,電池表面溫度變化與螺旋管圈數幾乎沒有關系,電池最高表面溫度為37.3℃左右?因此,從結構復雜性?成本和電池熱管理效果考慮,當液體進口流量為100mL/min?螺旋管圈數為3圈時效果最佳?

通過上述分析,在相-液冷卻時,以液體進口流量為100mL/min?螺旋管圈數為3圈時為基礎,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發現,當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?考慮到螺旋管結構和成本問題,螺旋管與電池表面的距離為1mm最佳?通過上述分析可得,在本文設計工況中,液體進口流量為100mL/min?螺旋管圈數為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熱管理效果最佳?