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基于相变材料与液冷结合的锂离子电池热管理研究

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在“碳中和”“碳达峰”目标以及实施新型排放标准的大趋势下,电动汽车是传统汽车的优秀替代品,但其发展仍存在诸多安全挑战,尤以电动汽车锂离子电池安全为研究重点,锂离子电池热管理系统显得尤为重要。

电池热管理系统研究主要存在3个研究方向:风冷、液冷和相变材料冷却,每种冷却方式均有各自的优缺点。风冷的优点是结构简单、成本低,但传热系数低且冷却速度慢,随着电池发热量的增加,风冷方式逐渐不能满足锂电池的散热需求。相变材料作为一种先进的电池热管理方法,是目前研究的重点领域。相变材料冷却结构简单、质量小、巨大的潜热特性使锂电池温度稳定,但存在更换成本高、稳定性差的特点。液冷热管理系统具有冷却速度快的优点且目前研究方向多样,但仍具有结构复杂、质量大、成本高、易泄漏等问题。在前人研究基础上,结合不同热管理结构的优缺点,笔者提出一种相变与液冷结合的冷却方式(下称-液冷却”),并通过对比锂离子电池在自然对流冷却、相变材料冷却和相-液冷却3种工况下电池温度变化,分析相-液冷却对电池温度和电化学性能的影响。通过对比分析液体进口流量、螺旋管圈数、螺旋管与电池表面的距离等对电池的实际降温效果,探讨相-液冷却结合的最优组合。

1实验设备及实验步骤

1.1实验平台

实验采用18650锂离子电池为研究对象,相变材料采用的是相变温度为52℃的高导热复合相变材料,该电池的基本参数见表1。锂离子电池充放电设备采用的是锂离子电池检测仪器,液冷设备采用的是T300S调速蠕动泵,该泵的流量范围为0.006~1600mL/min,工作转速范围为0.1~350/min。实验过程中所使用的热电偶是T型贴片式热电偶,热电偶贴合于18650锂离子电池表面中心位置。锂离子电池液冷螺旋管管道采用的是内径2mm、外径3mm的紫金铜管,具有延展性好、易弯曲、易定形等特点。在本实验中,相变材料包裹在电池及液冷螺旋管周围,主要成分为相变石蜡和膨胀石墨,具有相变潜热高、绝缘性好、循环稳定性好、无腐蚀性、无毒等优点,相变材料详细的热学物理特性见表2。实验中,液冷管道以螺旋的形式通过一定的匝数和距离缠绕于锂离子电池周围,并固定于圆柱铝管内,圆柱铝管内的剩余空间由相变材料进行填充,具体的基于相变材料的锂离子电池新型液冷装置如图1所示。

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1.2实验步骤

首先对单个18650锂离子电池进行一次充放电循环,之后静置2h,使其处于稳定状态。共设计了3组试验工况,分别是:自然对流、相变材料冷却、相-液冷却,整个实验过程在室温条件下进行。其中,在自然对流条件下,锂离子电池表面完全裸露于空气中;在相变材料冷却条件下,锂离子电池固定于圆柱铝管中,周围由相变材料进行完全填充;在相-液冷却条件下,针对18650锂离子电池的散热特点,液冷螺旋管道分别以3匝和5匝的形式环绕于锂离子电池周围,之后进一步对螺旋管至锂离子电池的距离以及流速进行优化分析,分别对螺旋管至电池距离为12mm及流量在2550100mL/min等参数下进行交叉实验并具体分析最优配置。实验的具体流程如图2所示。实验过程中,锂离子电池充放电采取的安全保护电压下限为2.4V,电压上限为4.3V,具体的锂离子电池充放电试验工况见表3

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2结果与讨论

2.1锂离子电池在不同工况下充放电温升研究

锂离子电池在进行充放电工作时,电池内部发生反应,产生欧姆内阻热、极化内阻热及电化学反应热等并以电池温度升高的形式表现出来。图3为环境温度25℃18650锂离子电池在自然对流冷却、相变材料冷却、相-液冷却3种不同工况下电池充放电过程中的温度变化。

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通过图3发现,相变材料冷却和相-液冷却两种方式都可以不同程度地降低充放电过程中电池温度。其中,锂离子电池在相变材料冷却和相-液冷却工况下电池表面最高温度分别为46.339.3℃,相比于自然对流,温度分别下降约9.216.5℃。相变材料和液冷螺旋管可以吸收锂离子电池在充放电过程中产生的热量,降低电池温度,其中,-液冷却工况降温表现最为突出,保证电池在正常工作温度范围。

2.2不同工况对锂离子电池电化学性能影响

温度是影响电池性能参数的重要因素,温度过高或过低会影响电池容量、充放电效率、安全性能等,导致电池性能降低。图4(a)为锂离子电池在充放电循环中的电流变化曲线;4(b)为锂离子电池在充放电循环中的电压变化曲线。由图4可以看出,电池在各工况下电流和电压曲线几乎相同,在充放电循环中,电流电压都达到了设置的额定值,但相比自然对流工况,电池在相变材料冷却和相变材料与液冷结合两种工况下,充放电时间略微缩短,造成这一现象主要原因与电池在充放电过程中电池温度有关,自然对流冷却下,电池表面最高温度为55.8℃,而电池正常工作温度为25~40℃,在锂离子电池充放电过程中,锂离子之间的转移通过电池内部的质量分数梯度差来实现,当电池温度过高时,电池内部锂离子扩散率快,需要更低的质量分数梯度满足所需的通量,导致在较高温度下工作时电池充放电时间增加。

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2.3相变材料与液冷最优组合研究

通过对不同工况下电池充放电温升研究发现,-液冷却可有效降低电池温度,保证电池处于正常工作范围。为了探讨相-液冷却的最优结合,从液体不同进口流量、螺旋管匝数、间距角度来分析各种因素对该组合的影响。图5为液体不同进口流量下锂离子电池温度变化。由图5可见,电池温度随液体进口流量增加而降低,当液体进口流量为100mL/min,电池表面温度最低为37.4℃,相比20mL/min,温度下降1.9℃。因此,提高液体进口流量可以有效降低电池充放电的温度。

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6为液体进口流量为20mL/min时不同螺旋管圈数对锂离子电池温度影响。通过图6发现,当螺旋管为5圈时,电池在充放电过程中最高表面温度为38.1℃,相比螺旋管为3圈时,温度下降1.2℃。因此,当液冷管圈数增加时,相对应的增加了与相变材料的接触面积,随着液体流动,带走更多的热量,使得电池温度降低。图7为液体进口流量为100mL/min时不同螺旋管圈数对锂离子电池温度影响。通过图7发现,当液体流量为100mL/min,电池表面温度变化与螺旋管圈数几乎没有关系,电池最高表面温度为37.3℃左右。因此,从结构复杂性、成本和电池热管理效果考虑,当液体进口流量为100mL/min、螺旋管圈数为3圈时效果最佳。

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通过上述分析,在相-液冷却时,以液体进口流量为100mL/min、螺旋管圈数为3圈时为基础,来探讨螺旋管与电池表面的距离对电池温度的影响。图8为螺旋管与电池表面不同距离下的锂离子电池温度变化。通过图8发现,当螺旋管距离电池表面为12mm,电池最高表面温度分别为37.437.7℃,温度差别不大,曲线几乎一致。考虑到螺旋管结构和成本问题,螺旋管与电池表面的距离为1mm最佳。通过上述分析可得,在本文设计工况中,液体进口流量为100mL/min、螺旋管圈数为3圈、螺旋管距电池表面为1mm的相变与液冷组合对锂离子电池热管理效果最佳。

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3结论

合理的锂离子电池热管理系统是保证电池正常工作的关键,笔者通过对比自然对流冷却、相变材料冷却、相-液冷却3种工况,分析相-液冷却对锂离子电池的降温作用。另外,分析相变材料与液冷的不同组合方式,考虑结构复杂性、成本和热管理效果,得出如下结论。

(1) 相变材料与液冷结合冷却可以有效降低锂离子电池工作温度。其中,锂离子电池在相变材料冷却和相变材料与液冷结合工况下电池表面最高温度分别为46.339.3℃,相比自然对流冷却,温度分别下降约9.216.5℃

(2) 相变材料与液冷结合的方式在保证电池处于正常工作温度范围的同时,使锂离子电池的电化学性能更加稳定。

(3) 不同的液体进口流量、螺旋管圈数、螺旋管与电池表面的距离会对降低电池温度产生不同效果。其中,液体进口流量为100mL/min、螺旋管圈数为3圈、螺旋管距电池表面距离为1mm的组合方式下电池表面最高温度为37.4℃,相比自然对流冷却,温度下降18.4℃,对锂离子电池热管理效果最佳。

(4)相变材料与液冷结合可以有效降低电池温度,保持电池正常工作性能,其应用于大型锂离子电池组值得进一步研究。

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