凌子夜,方曉明,汪雙鳳,張正國,劉曉紅
(1 華南理工大學傳熱強化與過程節(jié)能教育部重點實驗室,廣東 廣州 510640;2 廣東輕工職業(yè)技術(shù)學院汽車系,廣東 廣州 510300)
鋰離子電池由于具有高放電電壓、高能量密度、高功率密度以及良好的循環(huán)性能,已經(jīng)在手機、相機、手提電腦等便攜式電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用[1],也是新一代混合動力汽車(HEV)和電動汽車(EV)的優(yōu)秀動力源[2]。然而,通過并聯(lián)和串聯(lián)構(gòu)建的鋰離子電池組放電時會產(chǎn)生大量的熱量,如果熱量不能及時散出,會引起電池溫度上升。過高的鋰離子電池溫度會導致電池循環(huán)壽命下降,并可能引發(fā)單個電池或整個電池組的熱失控(thermal runaway),從而導致電池無法正常工作[3],因此必須對鋰離子電池組進行相應(yīng)的熱管理。傳統(tǒng)的電池熱管理系統(tǒng)(如空氣冷卻和液體冷卻)體積龐大,且需要額外的能量輸入,增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性,因此出故障的概率也隨之增加。Al-Hallaj和Selman[4]提出一種新型的電池被動熱管理系統(tǒng),該被動熱管理系統(tǒng)選用合適的相變材料作為冷源,利用相變材料的相變潛熱吸收電池充放電時放出的熱量,從而控制電池的溫度在適宜的溫度范圍之內(nèi)。被動熱管理系統(tǒng)可以把電池溫度控制在適宜的范圍內(nèi),減小電池組內(nèi)各個電池間的溫差,從而提高電池的循環(huán)使用壽命;另外,被動熱管理系統(tǒng)不需要風扇或泵等設(shè)備,大大簡化了熱管理系統(tǒng),提高了系統(tǒng)的可靠性;更重要的是,在嚴苛的條件下,如很高的放電電流和環(huán)境溫度下,相比空氣冷卻,被動熱管理方法可以使電池溫度更低且溫差更小[2]。因此,研究新穎的被動熱管理系統(tǒng)對推動高效清潔的新能源汽車發(fā)展具有非常重要的意義。
鋰離子電池相比其它可充電電池具有放電電壓高、比能量高、自放電速率低、無記憶效應(yīng)等優(yōu)點。然而,隨著鋰離子電池循環(huán)使用次數(shù)的增加,必然會導致電池容量的不可逆衰減。美國先進電池委員會(USABC)建議[5],電動汽車和混合動力汽車的電池系統(tǒng)分別需要具備10年和15年的使用壽命才具經(jīng)濟可行性,即要進行 1000次 80%放電深度(DOD)的循環(huán)。因此,有必要對鋰離子電池的老化進行研究。目前這方面的研究主要集中在探索對電池的能量特性和循環(huán)壽命有幫助的電極材料上,而對電池熱管理方面的研究相對較少,事實上,鋰離子電池應(yīng)用于混合動力汽車和電動汽車的制約因素都與電池熱效應(yīng)有關(guān)[6]。電池的使用溫度直接影響電池的安全性能和循環(huán)使用壽命,而電池的循環(huán)壽命則與電池經(jīng)濟性能相關(guān)。研究表明[5,7],電池溫度的升高容易導致固體電解質(zhì)界面膜(SEI)的生成和不斷增長,使陽極電阻增加,活性物質(zhì)衰減,從而導致內(nèi)阻增加,這些影響致使電池的容量和功率衰減;另一方面,低溫則可能導致鋰離子電池形成金屬鋰鍍層并與電解質(zhì)反應(yīng)[8],導致電流和電壓分布不均。表1綜合了鋰離子電池的容量衰減與循環(huán)溫度關(guān)系的研究文獻??梢钥闯?,電池的溫度過高和過低都會加速電池的老化過程。因此,電池的熱管理系統(tǒng)對于提高電池的安全性和電池使用壽命是不可或缺的。
電池的熱管理系統(tǒng)分為電池的加熱系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng),目前的研究主要集中在電池的冷卻系統(tǒng)上。傳統(tǒng)的熱管理系統(tǒng)主要有以下幾種。
表1 鋰離子電池的容量衰減與運行溫度的關(guān)系Table 1 Summarize the impacts of cycling temperature on Li-ion battery capacity fade
空氣冷卻是一種利用冷空氣的流動帶走系統(tǒng)內(nèi)熱量的技術(shù)。這是一種最常見的冷卻技術(shù),因此也最先應(yīng)用于電池熱管理系統(tǒng)。本田公司的 Insight和豐田公司的 Prius混合動力汽車所使用的電池冷卻系統(tǒng)就是空氣冷卻系統(tǒng)[15]。美國國家可再生能源實驗室(NREL)[16-17]對Insight和Prius的電池組進行了熱性能評估,發(fā)現(xiàn)經(jīng)過 FTP-75模式(城市排放許可測試程序)測試后,Insight電池組的平均溫度和溫差分別為30.9 ℃和1.3 ℃,Prius電池組的平均溫度和溫差分別為31.2 ℃和4.2 ℃,可以看出,兩種混合動力汽車電池組的溫度保持在適宜的溫度范圍,溫差也較小。而在US06模式(對行駛速度和加減速的要求比 FTP-75高)測試后發(fā)現(xiàn),盡管Prius電池組所用的能量是Insight電池組的3倍,他們在測試后的溫度升幅相當,這是因為 Insight熱管理系統(tǒng)采用串行通風結(jié)構(gòu),而新 Prius的熱管理系統(tǒng)則采用并行通風結(jié)構(gòu)[18]。并行通風結(jié)構(gòu)相比串行通風結(jié)構(gòu)可以使流過電池模塊間各個縫隙的空氣壓差保持一致,確保流過模塊間隙的空氣量保持相等,從而使各個電池模塊產(chǎn)生的熱量及時被帶走,使模塊間的溫差減小。圖1和圖2[19]是串行通風和并行通風結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖1 串行通風Fig.1 Serial airflow scheme
圖2 并行通風[19]Fig.2 Parallel airflow scheme[19]
盡管空氣冷卻系統(tǒng)有著裝置簡單、成本低廉等優(yōu)點,但是由于空氣強制對流換熱系數(shù)低,將大大限制空氣冷卻在電池熱管理系統(tǒng)中的應(yīng)用。Matthew等[20]通過實驗研究了鎳氫電池強制風冷系統(tǒng)的控溫性能,發(fā)現(xiàn)對于發(fā)熱量較小的鎳氫電池組,強制空冷對系統(tǒng)最高溫度以及體系溫度均勻性的控制表現(xiàn)尚可,但是如果用于具有更高發(fā)熱強度的電池組散熱,強制風冷很有可能滿足不了要求。
相比于空氣冷卻,液體冷卻擁有更高的對流換熱系數(shù)。因此,將液體冷卻應(yīng)用于電池的熱管理更能夠滿足高熱負荷的要求。通用汽車公司生產(chǎn)的Ovonic鎳金屬氫化物電池模塊使用的就是液體冷卻[21-22]。Nelson等[23]分別以空氣和聚硅酮電解流體作為鋰離子電池熱管理系統(tǒng)的換熱媒介,證明液體冷卻相比空氣冷卻不僅可以顯著降低電池溫度使之保持在52 ℃之內(nèi),電池溫差也更小,而且液體冷卻所需的換熱面積更小,流道更簡單,壓差更小。吳忠杰和張國慶[24]對鎳氫電池的液體冷卻系統(tǒng)進行了設(shè)計,選用R134a作為換熱流體與電池直接接觸換熱,通過FLUENT仿真模擬,電池最高溫度小于24 ℃,溫差小于1 ℃。
制約液體冷卻系統(tǒng)發(fā)展的主要因素在于該系統(tǒng)需要復(fù)雜的裝置,以保證液體在密閉的空間內(nèi)流動。如果液體需要通過直接接觸的方式對電池散熱,還要考慮液體的介電性,需要避免使用導電流體與電池接觸發(fā)生短路的危險。
盡管空氣冷卻和液體冷卻被證明是行之有效的熱管理方法,但它們都有缺點,圖3和圖4分別是Ahmad[22]提出的空氣冷卻系統(tǒng)和液體冷卻系統(tǒng)的示意圖??梢钥闯?,主動冷卻需要風扇、泵、流體回路和控制電路等,還需要有額外的功率輸入,大大增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。針對主動冷卻系統(tǒng)的不足,張國慶等[25]利用熱管冷卻作為鎳氫電池熱管理系統(tǒng),并與空氣冷卻相比較,結(jié)果表明,采用熱管冷卻方式具有良好的冷卻效果,可確保電池在最佳的工作溫度范圍內(nèi)運行,在3728 mA電流放電情況下,熱管冷卻相比空氣冷卻使電池溫升最多降低約 10℃。Rao等[26]采用平板熱管冷卻矩形鋰電池,發(fā)現(xiàn)對于發(fā)熱功率小于30 W的電池,平板熱管不僅可以將電池溫度控制在50 ℃以內(nèi),而且電池表面的最大溫差維持在5 ℃以內(nèi)。對于更高發(fā)熱功率的電池,盡管電池溫度可以控制在50 ℃以內(nèi),但是最大溫差卻無法滿足要求,當電池發(fā)熱功率為50 W時,體系最大溫差達到了8 ℃。
熱管使用的限制在于熱管自身的形狀與電池外形無法很好地匹配,不是所有電池都可以通過熱管將其熱量導出。
圖3 空氣冷卻系統(tǒng)示意圖Fig.3 Air cooling system schematic diagram
圖4 液體冷卻系統(tǒng)示意圖Fig.4 Liquid cooling system schematic diagram
相變材料有很大的相變潛熱,把相變材料用于電池的熱管理,當電池的溫度達到相變材料的相變溫度時,相變材料開始發(fā)生相變,吸收電池散發(fā)的熱量,可以長時間保持電池的溫度在相變溫度范圍內(nèi),確保電池在安全溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)充分放電。Al-Hallaj和 Selman[4]于 2000年首次提出把相變材料應(yīng)用于鋰離子電池的熱管理系統(tǒng),隨后又進行了一系列的研究,不斷進行優(yōu)化設(shè)計。
用于電池熱管理系統(tǒng)的相變材料要求有大的相變潛熱,相變溫度在電池的安全使用溫度范圍內(nèi),相變前后的體積變化小以便于封裝,此外,相變材料的價格應(yīng)該較為低廉且容易獲得,無毒且性質(zhì)穩(wěn)定,綜合上述因素,Al-Hallaj和 Selman選用的相變材料為石蠟。然而,石蠟及其它有機和無機相變材料的熱導率一般都很低,為了使電池產(chǎn)生的熱量能被快速轉(zhuǎn)移,必須采取措施提高相變材料的熱導率。提高相變材料熱導率的方法主要有:利用高熱導率的添加物與相變材料形成復(fù)合材料,在相變材料中加入鋁泡沫[27]或者膨脹石墨[28]形成復(fù)合材料以提高相變材料的熱導率;利用金屬翅片提高相變材料熱導率;利用膠囊提高相變材料熱導率。
表2列舉了一些在提高相變材料熱導率方面的研究。相比于其它手段,利用膨脹石墨吸附相變材料不僅可以大大提高相變材料的熱導率,而且憑借膨脹石墨優(yōu)異的多孔性能,吸附的相變材料可以在熔化后不發(fā)生泄露,保持復(fù)合相變材料形體不發(fā)生變化[29]。另外,復(fù)合膨脹石墨基相變材料可以被壓制成任意形狀,可以應(yīng)用到任意電池的熱管理系統(tǒng)之中。
3.2.1 設(shè)計的依據(jù)
對電池進行熱管理設(shè)計前,首先要對電池的放熱進行分析,獲得電池充/放電過程中的準確放熱量。鋰離子電池有三種產(chǎn)熱途徑[41]:電池的化學反應(yīng)釋放(或吸收)熱,歐姆內(nèi)阻和極化導致的產(chǎn)熱,圖5為鋰離子電池在1 C放電時,三種產(chǎn)熱途徑的構(gòu)成。
設(shè)計首先需要明確電池的發(fā)熱量。Mills等[28]測試了3種不同恒定放電功率條件下鋰離子電池的發(fā)熱功率。6.6 W放電功率下,平均發(fā)熱功率約為0.8 W;4.125 W放電功率下,平均發(fā)熱功率約為0.4 W;2.75 W放電功率下,平均發(fā)熱功率約為0.1 W。
表2 復(fù)合相變材料的特性Table 2 Properties of the composite phase change materials
圖5 1 C放電時鋰離子電池產(chǎn)熱的構(gòu)成Fig.5 The constitution of heat generated by Li-ion battery at 1C-rate
根據(jù)電池的發(fā)熱功率,結(jié)合所需的控溫時間,將功率乘以時間就得到了電池的發(fā)熱量。根據(jù)電池發(fā)熱量,計算熱管理系統(tǒng)所需的相變材料的質(zhì)量為:電池的產(chǎn)熱量= PCM的顯熱量+ PCM的潛熱量+對流散熱量。對流散熱量相對較小,故省略,上式可用數(shù)學表達式表示為
式中,Q為電池的產(chǎn)熱量,m為所需相變材料的質(zhì)量,cp為PCM的比熱容,Δ T為相變材料的溫差,H為相變材料的相變焓。
Khateeb等[27]通過式(1)計算得到每個容量為2 A·h的18650型鋰離子電池需要12 g石蠟來吸收電池充放電產(chǎn)生的熱量,相變材料熔化后體積會增大,故要預(yù)留10%的體積。
3.2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
圖6是Al-Hallaj等[2]設(shè)計的相變材料用于熱管理系統(tǒng)的鋰離子電池模塊示意圖,如圖所示,用公式(4)計算出所需PCM 的質(zhì)量,再根據(jù)電池的形狀確定相變材料基體的幾何尺寸,制作相變材料基體,并在基體上均勻挖出與電池尺寸相同的洞,洞的數(shù)量由電池模塊中電池的數(shù)量決定,最終的相變材料基體如圖 6(a)所示;把電池填裝進相變材料基體的洞中,形成電池模塊如圖6(c)所示。
圖6 電池組散熱模塊示意圖Fig.6 Battery pack heat dissipation module configuration
Ramandi等[42]提出了一種雙層結(jié)構(gòu)的相變材料熱管理系統(tǒng),內(nèi)層使用熱導率高的相變材料,外層使用相變焓高的相變材料。通過對比雙層相變材料系統(tǒng)與單層相變材料系統(tǒng),結(jié)果表明雙層相變材料系統(tǒng)的效率比單層相變材料系統(tǒng)高,控溫效果也更好。Al-Hallaj和Albright[43]則提出了另一種雙層相變材料熱管理系統(tǒng),相變溫度較高的材料包裹住電池組形成一個模塊,在模塊外面用相變溫度較低的材料進一步封裝,以此提高相變材料對電池的熱管理性能。
3.3.1 相變材料熱管理系統(tǒng)對鋰離子電池溫度的控制Somasundaram 等[44]研究了 18650鋰電池外包覆石蠟/石墨復(fù)合相變材料的散熱性能,在5C放電速率下,電池外包覆有相變材料的溫度比未包覆時低約18 ℃。Duan和Naterer[45]用一個圓柱形電加熱棒模擬電池的產(chǎn)熱,在環(huán)境溫度為25 ℃、加熱電壓為14 V時,使用相變材料熱管理的加熱棒溫度比利用自然對流冷卻的加熱棒的溫度低約 30 ℃。Al-Hallaj和Selman[46]發(fā)現(xiàn)100 A·h的電池在近似絕熱的條件下(h=1 W/m2·K),有相變材料熱管理比沒有相變材料熱管理的溫度低約8 ℃。
Rao等[47]利用數(shù)值模擬的方法,考察了單個包覆相變材料18650鋰電池在自然對流條件下的散熱效果。結(jié)果表明當電池的產(chǎn)熱速率為0.17 W/cm3、環(huán)境溫度為25 ℃時,用熱導率大于0.8 W/m·K的相變材料能將電池溫度維持在50 ℃以下,而且相變材料的熱導率越高,熱量積聚越小,電池溫度越低。Khateeb等[48]研究了相變材料的熱導率對電池控溫性能的影響,發(fā)現(xiàn)相比純相變材料,在相變材料中加入鋁泡沫提高了材料的熱導率,能降低電池溫度約4 ℃。
Cao等[49]研究了矩形 LiFePO4電池的熱管理系統(tǒng),發(fā)現(xiàn)利用石蠟的被動熱管理系統(tǒng)能有效控制電池的溫度,如圖7所示。Cao等還比較了被動熱管理和強制風冷對電池的控溫效果,發(fā)現(xiàn)在2C放電速率下,被動熱管理控制的電池溫度比強制風冷低1.3 ℃。
圖7 相變材料熱管理系統(tǒng)對電池的控溫性能Fig.7 Performance of BTMS using PCM
相變材料熱管理系統(tǒng)對于大電流放電和高環(huán)境溫度條件下放電的鋰離子電池有很好的冷卻效果。Sabbah等[3]研究發(fā)現(xiàn),在溫和的放電條件下(即放電電流較小或者環(huán)境溫度較低),強制風冷與相變材料熱管理對電池的冷卻效果相似;隨著放電電流加大和環(huán)境溫度的提高,需要不斷提高強制風冷的空氣流速才能使電池保持在合適的溫度;而在嚴苛的放電條件下(即放電電流達到10 A且環(huán)境溫度達到45 ℃),相變材料熱管理能使電池保持在55 ℃以內(nèi),而強制風冷無法保持電池在55 ℃以內(nèi)。其結(jié)果如圖8所示。
圖8 強制風冷與相變材料冷卻對電池的冷卻效果Fig.8 Comparison of cooling systems based on volume averaged cell temperature at 10 A
3.3.2 相變材料熱管理系統(tǒng)對電池溫差的控制
使用相變材料熱管理系統(tǒng)可以獲得均勻的電池溫度,阻止電池熱失控的傳播,增強了鋰離子電池的安全性和使用壽命。
Rao等[50]研究了矩形LiFePO4電池利用相變材料的被動熱管理系統(tǒng),在 5C放電速率下,被動熱管理系統(tǒng)能有效減小電池溫差,提高相變材料的導熱系數(shù),有助于縮小電池的溫差。當相變材料的熱導率是電池熱導率的4倍或以上時,體系最大溫差可以降至5 ℃。
Sabbah等[3]發(fā)現(xiàn)利用強制風冷、2C放電速率下電池溫差可達2 ℃,而6.67C放電速率下電池溫差更高達4.8 ℃,相比之下,使用相變材料冷卻則能控制電池溫差在0.4 ℃之內(nèi)(6.67C放電速率,環(huán)境溫度為45 ℃)。
Kizilel等[51]發(fā)現(xiàn)在1C放電速率下,無熱管理時模塊內(nèi)電池間的溫差可達10 ℃,而使用相變材料熱管理后,電池間的最大溫差為4 ℃。Kizilel等[2]還比較了空氣冷卻與相變材料熱管理對單個電池的影響,發(fā)現(xiàn)使用空氣冷卻電池內(nèi)的溫差達到3 ℃,而使用相變材料熱管理電池內(nèi)的溫差則不超過0.2 ℃。另外,在空氣冷卻系統(tǒng)中,如果有單個電池達到了熱失控狀態(tài),熱失控會迅速傳播到其它電池,從而造成整個電池組的崩潰。但是使用復(fù)合相變材料,由于它優(yōu)異的吸熱和導熱性能,即使單個電池達到了熱失控溫度,通過熱量的快速傳遞,該電池的溫度也可以快速降下來,與體系溫度也保持一致,從而避免熱失控的發(fā)生。
3.3.3 相變材料熱管理系統(tǒng)對電池壽命的影響
相變材料應(yīng)用于鋰離子電池的熱管系統(tǒng),可以使鋰離子電池在安全使用溫度范圍內(nèi)高效運行,同時減小電池內(nèi)和電池間的溫差,提高鋰離子電池的使用壽命和經(jīng)濟實用性。
Mills等[30]研究發(fā)現(xiàn)在C/3充電、C/1放電循環(huán)中,沒有使用相變材料熱管理時,鋰離子電池的容量衰減速率為0.20 W·h/循環(huán),使用相變材料熱管理后,鋰離子的容量衰減速率為0.09 W·h/循環(huán)。
Kizilel等[51]分析了相變材料熱管理系統(tǒng)對鋰離子電池使用壽命的影響,在環(huán)境溫度為25 ℃,對容量為8.8 A·h的鋰離子電池進行充放電循環(huán),充電速率為0.3C-rate/2.93 A,放電速率為1C-rate/8.8 A,結(jié)果顯示使用 PCM 熱管理系統(tǒng)的鋰離子電池容量衰減速率為 6 mA·h/循環(huán),沒有相變材料熱管理系統(tǒng)的鋰離子電池的容量衰減速率則為 12 mA·h/循環(huán),如圖9所示。而在環(huán)境溫度為45 ℃的極端環(huán)境中,自然對流條件下,電池放電電流為4.8 A、8 A和10 A時,電池分別運行56 min、20 min和12.7 min即達到安全警戒溫度,電池分別利用了其自身容量的93%、55%和44%。如果相變材料熱管理后,當環(huán)境溫度為45 ℃,放電電流為10 A時,電池溫度可以在安全使用范圍內(nèi)保持較長時間,對電池容量的利用達到90%。結(jié)果表明,使用相變材料熱管理后,鋰離子電池可以在大電流放電及高環(huán)境溫度下運行較長時間,充分利用其電池的容量。
圖9 鋰離子電池組在有/無相變材料熱管理時的容量衰減Fig.9 Capacity fade testing of battery modules with/without PCM
鋰離子電池擁有高工作電壓和高儲能密度,應(yīng)用前景非常廣闊。但是鋰離子電池在工作過程中產(chǎn)生的熱量如果不能及時散出,不僅會降低電池的容量,還有可能因為高溫觸發(fā)電池內(nèi)部的放熱反應(yīng),造成熱失控,引發(fā)火災(zāi)、爆炸等危險,因此一個良好的熱管理系統(tǒng)對鋰離子電池組非常必要。
傳統(tǒng)的熱管理技術(shù),如空氣冷卻、液體冷卻和熱管冷卻技術(shù),應(yīng)用于電池的熱管理系統(tǒng)都有各自的缺點。新型的被動式熱管理系統(tǒng)——基于相變材料的熱管理系統(tǒng),憑借著低成本、無需額外功耗、高吸熱密度、適用于各種形狀電池散熱等優(yōu)點吸引了眾多研究者的興趣。
本文介紹了被動式熱管理系統(tǒng)的最新研究進展。研究結(jié)果表明,使用有合適相變溫度的相變材料,即使在高溫、高電流放電等惡劣的工作環(huán)境中也可以將電池的溫度控制在最佳的溫度區(qū)間內(nèi),保證電池正常工作,減少電池容量的損失,提高電池穩(wěn)定性。
鋰離子電池組的熱管理系統(tǒng)不僅需要將溫度控制在合理范圍內(nèi),體系內(nèi)電池與電池的溫差也不能過大,否則部分電池容量過早耗盡,會影響整個電池組放電的穩(wěn)定性。提高相變材料的熱導率,可以提高相變材料熱管理系統(tǒng)的溫度均勻性。被動式熱管理系統(tǒng)中,提高相變材料的熱導率被視為增強系統(tǒng)溫度均勻性的一個重要手段。
多數(shù)相變材料的熱導率比較低,通過鋁泡沫或者膨脹石墨吸附相變材料形成復(fù)合材料,利用金屬翅片或膠囊包覆相變材料都可以提高相變材料的熱導率。其中利用膨脹石墨吸附相變材料不僅可以大大提高相變材料的熱導率,而且可以保證相變前后相變材料不發(fā)生泄漏,保持形態(tài)的完整,應(yīng)用前景最為廣闊。
被動式散熱系統(tǒng)的進一步發(fā)展,需要通過選用具有更高相變焓的相變材料,進一步增強相變材料的熱導率、優(yōu)化電池組的結(jié)構(gòu),實現(xiàn)控溫時間的延長和體系溫度均勻性的提高。
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