秦啟斌

（廣西汽車(chē)集團(tuán)有限公司，廣西 柳州545007）

0 引言

全球過(guò)量的碳排放已嚴(yán)重危害著人類(lèi)的生存環(huán)境，中國(guó)作為負(fù)責(zé)任的大國(guó)，在2020年9月就明確提出了“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)，力爭(zhēng)2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。大力推廣新能源汽車(chē)，逐步降低傳統(tǒng)燃油汽車(chē)在新車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)量和汽車(chē)保有量中的占比，從而減少二氧化碳排放量，是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要舉措之一，這對(duì)我國(guó)新能源汽車(chē)特別是電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展提出了更高的要求。動(dòng)力電池作為新能源汽車(chē)的主要?jiǎng)恿υ粗?，其性能與安全狀況直接決定了新能源汽車(chē)的性能與安全性。如果電池溫度得不到有效控制，電池內(nèi)部會(huì)發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)，熱量持續(xù)累積，最終會(huì)導(dǎo)致電池發(fā)生熱失控，甚至引燃整輛汽車(chē)[1]。研究電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，可以有效控制電池溫度，避免熱失控現(xiàn)象的發(fā)生[2]。

近年來(lái)，對(duì)鋰電池液冷的研究受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，并得到了一系列重要的研究結(jié)論。Jarrett等[3]人對(duì)一種蛇形通道冷卻板進(jìn)行了參數(shù)化建模，并使用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD）對(duì)其特性進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果表明，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)可滿(mǎn)足壓力和平均溫度目標(biāo)。為了研究冷卻液溫度對(duì)鋰電池電、熱學(xué)性能的影響，Malik等[4]人通過(guò)液冷循環(huán)驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)對(duì)鋰電池組進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明電池組的升溫速率隨鋰電池放電倍率的增加而增加。為了研究散熱器結(jié)構(gòu)對(duì)鋰電池性能影響，Liu等[5]人提出了一種用于鋰離子電池?zé)峁芾淼男滦蜆?shù)狀微通道散熱器，并通過(guò)遺傳算法對(duì)散熱器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，研究表明，隨著斜通道入口寬度和角度的減小，樹(shù)狀微通道散熱器的傳熱能力隨著壓降的增大而逐漸提高。Zhen等[6]提出了一種基于微通道冷板的冷卻方法，建立了3D數(shù)值模型，分析了通道數(shù)、通道寬度、入口流量和流向?qū)﹄姵亟M熱性能的影響，結(jié)果表明，微通道冷板在放電時(shí)提供了良好的制冷效果。

本研究采用的實(shí)驗(yàn)方法測(cè)試和分析了不同放電倍率、不同環(huán)境溫度、不同冷卻液流量和溫度對(duì)鋰電池模組表面溫度和溫差的影響情況，本研究成果可為鋰電池冷卻液的實(shí)際應(yīng)用提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗(yàn)條件與方法

1.1 試驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)基于熱管理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)展開(kāi)，實(shí)驗(yàn)主要的設(shè)備儀器包括：計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集模塊、高低溫循環(huán)試驗(yàn)箱、電池充放電設(shè)備、恒溫水箱、熱電偶等。

所研究的鋰電池模組的標(biāo)稱(chēng)電壓為8.4 V，標(biāo)稱(chēng)容量為12AH。選擇蛇形設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的液冷板，此類(lèi)型液冷板具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，散熱能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，將50%水-50%乙二醇混合液作為冷卻液。將鋰電池置于液冷板中心位置，液冷板進(jìn)出口連接有溫度傳感器和壓力傳感器，用來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)冷卻液狀態(tài)。將用于測(cè)量溫度的K型貼片式溫度傳感器與多通道熱電偶輸入模塊連接，該模塊與計(jì)算機(jī)連接，并由計(jì)算機(jī)中的充放電測(cè)試軟件進(jìn)行控制和操作。由于電池組不同部位產(chǎn)生的熱量不同，在本實(shí)驗(yàn)中，在電池的正極、負(fù)極和側(cè)面分別布置了六個(gè)精度＜1.0℃的K型熱電偶，使其測(cè)溫范圍盡可能覆蓋整個(gè)鋰電池表面。

1.2 試驗(yàn)方法

研究在30℃環(huán)境溫度、無(wú)冷卻液狀態(tài)下，不同放電倍率對(duì)電池溫度的影響。

（1）將鋰電池模組放入高低溫試驗(yàn)箱中，調(diào)節(jié)箱內(nèi)溫度為30℃，擱置30 min。

待鋰電池模組溫度穩(wěn)定后，以0.5C倍率進(jìn)行恒流充電，當(dāng)充電時(shí)間達(dá)到120 min或電池電壓大于8.4 V時(shí)，自動(dòng)跳轉(zhuǎn)下一步。

（2）擱置30 min，使電池溫度降至恒溫箱溫度；

（3）待電池模組溫度穩(wěn)定后，以1C倍率進(jìn)行恒流放電。當(dāng)放電時(shí)間為60 min或電池電壓小于5.2 V時(shí)，自動(dòng)跳轉(zhuǎn)下一步，同時(shí)記錄鋰電池放電過(guò)程各測(cè)點(diǎn)的溫度變化。

（4）擱置30 min，結(jié)束。

分別將步驟（3）的恒流放電電流變?yōu)?C、3C，并且調(diào)整相對(duì)應(yīng)的放電時(shí)間為30 min、20 min，放電截止電壓仍為5.2 V，重復(fù)步驟（2）（3），獲得環(huán)境溫度為30℃時(shí)鋰電池不同放電倍率下各測(cè)點(diǎn)溫升情況。

此后依次改變環(huán)境溫度、冷卻液流量和溫度，重復(fù)上述步驟。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了4種工況下，鋰電池模組表面溫度變化狀況：（1）環(huán)境溫度30℃和無(wú)冷卻液狀態(tài)時(shí)，不同放電倍率；（2）環(huán)境溫度30℃時(shí)，不同冷卻液流量和放電倍率；（3）環(huán)境溫度10℃時(shí)，不同冷卻液流量和放電倍率；（4）環(huán)境溫度30℃和冷卻液流量5 L/min時(shí)，不同放電倍率和冷卻液溫度。

圖1展示了鋰電池模組在環(huán)境溫度30℃和無(wú)冷卻液狀態(tài)下，不同放電倍率時(shí)的表面最大溫度情況。鋰電池模組最佳工作溫度范圍為20℃～45℃，由圖1可以看出，當(dāng)鋰電池模組以3C倍率進(jìn)行放電時(shí)，最高表面溫度達(dá)到了55℃，超出鋰電池模組的最高安全溫度（45℃），存在一定的安全隱患；當(dāng)鋰電池模組以1C、2C放電倍率進(jìn)行放電時(shí)，表面溫度并未超出最佳工作溫度范圍，可以認(rèn)為鋰電池在低倍率放電情況下能夠保持一個(gè)正常的工作狀態(tài)。

圖1 環(huán)境溫度30℃和無(wú)冷卻液下，不同放電倍率時(shí)鋰電池模組的表面最大溫度

圖2所示為鋰電池模組在環(huán)境溫度30℃和無(wú)冷卻液狀態(tài)下，不同放電倍率時(shí)的表面最大溫差情況。鋰電池模組工作時(shí)最佳表面溫差應(yīng)小于5℃。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)鋰電池模組以3C倍率進(jìn)行放電時(shí)，表面溫差接近5℃，可以認(rèn)為此時(shí)鋰電池工作狀態(tài)并不穩(wěn)定；當(dāng)鋰電池模組以1C、2C放電時(shí)，溫差波動(dòng)較小，可以認(rèn)為此時(shí)鋰電池模組處在一個(gè)穩(wěn)定的工作狀態(tài)。

圖2 環(huán)境溫度30℃和無(wú)冷卻液下，不同放電倍率時(shí)鋰電池模組的表面最大溫差

圖3所示為環(huán)境溫度30℃時(shí)，鋰電池在不同冷卻液流量、不同放電倍率下的表面最大溫度情況。從圖3可以看出，在同樣放電倍率的條件下，較大流量的冷卻液（3.33 L/min、5 L/min）比小流量（1.65 L/min）的冷卻液擁有更好的冷卻效果。在相同冷卻液流量的情況下，鋰電池模組在高放電倍率下的最大溫度更大。進(jìn)一步地，在2C放電倍率下，冷卻液流量在3.33 L/min和5 L/min時(shí)的冷卻效果要明顯優(yōu)于1.65 L/min，但冷卻液流量在3.33 L/min與5 L/min時(shí)鋰電池模組表面溫度卻無(wú)明顯差距，可以認(rèn)為在3.33L/min時(shí)冷卻液流量已經(jīng)接近液冷板能夠通過(guò)的最大流量，因此當(dāng)流量繼續(xù)增大時(shí)，鋰電池模組表面溫度沒(méi)有明顯改善。當(dāng)環(huán)境溫度為30℃、冷卻液流量較小時(shí)，在高倍率放電情況下（3C放電）鋰電池模組表面最高溫度甚至高于無(wú)冷卻液時(shí)（圖1），這種現(xiàn)象表明，高倍率放電時(shí)，需要較大的冷卻液流量才能及時(shí)散熱，有效控制鋰電池模組表面溫度。

圖4表明，在較低的環(huán)境溫度下（10℃），鋰電池模組的散熱情況明顯好轉(zhuǎn)。

圖3 環(huán)境溫度30℃下，不同冷卻液流量和放電倍率時(shí)鋰電池模組的表面最大溫度

圖4 環(huán)境溫度10℃下，不同冷卻液流量和放電倍率時(shí)鋰電池模組的表面最大溫度

圖5所示為環(huán)境溫度30℃時(shí)，不同冷卻液流量和放電倍率下的鋰電池模組表面最大溫差情況。由圖可以看出，環(huán)境溫度30℃下，即使在3C放電倍率情況下，電池溫差仍小于5℃，并未超過(guò)最大安全溫差（5℃）。在相同冷卻液流量工況下，隨著鋰電池模組放電倍率的增大，其表面溫差變大。在1C放電倍率和1.65 L/min流量工況下，最大溫差約為1.1℃，此溫差滿(mǎn)足鋰電池?zé)峁芾淼脑O(shè)計(jì)要求，但隨著流量的進(jìn)一步增大，鋰電池模組的表面溫差并無(wú)明顯改善。

圖5 環(huán)境溫度30℃下，不同冷卻液流量和放電倍率時(shí)鋰電池模組的表面最大溫差

本研究還通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試了鋰電池在30℃環(huán)境溫度、5 L/min冷卻液流量時(shí)，不同放電倍率下，分別使用不同冷卻液溫度（10℃、20℃、30℃）進(jìn)行循環(huán)散熱，鋰電池模組的表面最大溫度如圖6所示。

圖6 環(huán)境溫度30℃和流量5L/min下，不同冷卻液溫度和放電倍率時(shí)鋰電池模組的表面最大溫度

實(shí)驗(yàn)表明，在1C放電倍率下，溫度的變化趨勢(shì)最穩(wěn)定。以3C放電倍率為例，由圖可以看出，環(huán)境溫度30℃，冷卻液10℃、20℃、30℃所對(duì)應(yīng)的鋰電池表面最高溫度接近46℃、48℃、53℃，而圖1中，未添加冷卻液時(shí)的溫度為55℃，超過(guò)了鋰電池的最佳工作范圍，可見(jiàn)在高倍率放電下若不使用低溫的冷卻液，液冷的效果便無(wú)法滿(mǎn)足冷卻要求。

測(cè)試結(jié)果表明，在同一環(huán)境溫度下，鋰電池的表面最大溫度不僅隨放電倍率的增加而升高，還隨著冷卻液溫度的增高而升高。在30℃環(huán)境溫度下，使用低溫冷卻液有更好的降溫效果，防止熱失控現(xiàn)象的發(fā)生。

3 結(jié)論

以鋰電池模組為研究對(duì)象，通過(guò)試驗(yàn)研究了在不同放電倍率、不同環(huán)境溫度、不同冷卻液流量和溫度等試驗(yàn)條件下的鋰電池模組散熱效果，得到的主要結(jié)論如下：

（1）放電倍率越大，鋰電池模組的表明溫度越高，表面溫差也越大。

（2）鋰電池模組在1C、2C放電倍率下能夠維持穩(wěn)定的工作狀態(tài)，但在3C倍率下表面最大溫度與溫差會(huì)出現(xiàn)明顯的上升與波動(dòng)。

（3）較大的冷卻液流量擁有更好的冷卻效果，但隨著冷卻液流量的增大，冷卻效率會(huì)逐漸降低，原因可能是流量達(dá)到液冷板允許通過(guò)流量的峰值。

（4）較低的冷卻液溫度能夠很好地控制鋰電池表面最大溫度，在30℃環(huán)境溫度下，使用低溫冷卻液降溫效果更好。