新型液冷動力電池模組傳熱特性試驗研究?

馮能蓮，陳龍科，鄒廣才

(1.北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京 100124； 2.安徽新能科技有限公司，安慶 246005；3.北京汽車集團有限公司，北京 101300)

前言

以鋰離子電池為代表的一類動力電池因其高能量密度、高功率密度和長使用壽命等方面的優(yōu)勢，成為目前車用動力電池的主流，也是各方爭相投入的熱點[1-3]。圓柱形與方形動力電池相比具有電池邊緣效應(yīng)小，制造、存儲和放電一致性較好等優(yōu)點，更加適合多個電池串并聯(lián)的成組使用[4]。然而，成組使用時所產(chǎn)生的熱量易于集聚，其溫度會顯著上升，嚴(yán)重時甚至導(dǎo)致動力電池組熱失控，影響系統(tǒng)的安全性與可靠性[5-6]；另一方面，在低溫環(huán)境(如-10℃或以下)中，大多數(shù)動力電池的能量和功率都會降低，車輛性能嚴(yán)重衰退[7]。因此，為提升動力電池的電化學(xué)性能和能量效率，延長其壽命，有必要采用合理的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，以在高溫情況下對動力電池進行冷卻和低溫情況下對其進行加熱或保溫。

目前，國內(nèi)外常見的動力電池冷卻方式有空氣冷卻、液體冷卻和相變材料冷卻；常見的加熱方式主要有氣體加熱、液體加熱、加熱板加熱、加熱套加熱、帕爾貼效應(yīng)加熱[8]。在分析國內(nèi)外電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的基礎(chǔ)上[9]，綜合考慮冷卻和加熱的效果與工程化，液體冷卻/加熱方式將成為未來的主流。

液體冷卻/加熱方式以美國Tesla的扁平微管冷卻最具代表性，發(fā)展至今，共有兩代產(chǎn)品[10-11]，第一代為單邊扁平直管冷卻，與電池“線接觸”；第二代為單邊扁平蛇形管冷卻，與電池“面接觸”。但由于扁平微管與電池的接觸面積有限(即使是蛇形管，與圓柱狀電池的接觸區(qū)域也僅20°)，因而，其冷卻效果并不十分理想。為增加冷卻液(循環(huán)介質(zhì))與動力電池的換熱面積，強化換熱效果，研發(fā)了新型360°冷卻液環(huán)繞的蜂巢式液冷動力電池模組。為檢驗新型液冷動力電池模組的傳熱特性，基于單體電池的最大發(fā)熱功率，開發(fā)了新型液冷動力電池模組冷卻/加熱系統(tǒng)試驗平臺，實現(xiàn)液冷動力電池模組的冷卻、加熱和傳熱試驗等功能。

1 新型液冷動力電池模組構(gòu)成和工作原理

圖1 液冷動力電池模組構(gòu)成

以純電動乘用車為例，其整車電池內(nèi)部包含成百上千甚至幾千節(jié)電池，如果直接成組為一體，既不方便裝配制造，又無益于后期的維護。因此，通常的做法是將整車電池分為若干個模組。新型液冷動力電池模組結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由電池，液箱，上、下極板以及上、下蓋板(圖中未示出)組成。液箱中設(shè)置有許多套筒(下稱電池孔)，外面包裹著導(dǎo)熱絕緣套管的單個柱狀電池置于其中。電池孔壁為導(dǎo)熱性良好的材料，電池與電池孔之間的空隙填充有高導(dǎo)電系數(shù)的絕緣硅膠以利散熱。電池孔外圍空間組成的連通空腔充滿冷卻液，形成對電池孔的360°環(huán)繞，這一新型結(jié)構(gòu)將Tesla第一、二代扁平管與冷卻液“線接觸”、“扇形面接觸”改變?yōu)椤碍h(huán)面接觸”，接觸面積顯著增大，有利于提高動力電池模組的散熱能力，從而降低整體平均溫度，大大改善了單體電池間的溫度均衡性。

模組內(nèi)的單體電池成組方式為先并后串，即采用區(qū)域內(nèi)并聯(lián)，區(qū)域間串聯(lián)的連接方式。單體電池的兩極各由具有速熔功能的導(dǎo)線引出，該導(dǎo)線焊接在上、下極板上，并引出動力電池模組的正負(fù)極。上、下極板正對電池的一面各敷有膠墊，極板與膠墊粘結(jié)為一體，然后固定在液箱的上下表面。整個液冷動力電池模組密封包裝，外敷絕緣防火隔熱層，并設(shè)有液體的進口和出口，如圖2所示。

圖2 液冷動力電池模組整體圖

液箱的進、出口外接主動冷卻/加熱強制循環(huán)系統(tǒng)，根據(jù)動力電池系統(tǒng)的溫度在電池管理系統(tǒng)(battery management system，BMS)的統(tǒng)一管理下進行自動調(diào)節(jié)，對電池冷卻或加熱；液冷動力電池模組外敷隔熱層，防止動力電池系統(tǒng)內(nèi)部熱量過快地散發(fā)，在較低的溫度情況下起到保溫效果。

2 鋰離子單體動力電池發(fā)熱功率測試

掌握電池的發(fā)熱功率是進行合理高效熱管理系統(tǒng)設(shè)計和應(yīng)用的首要條件，可為整個熱管理系統(tǒng)的設(shè)計及其關(guān)鍵部件的選型提供數(shù)據(jù)支撐。為研究單體動力電池在充放電工況下的發(fā)熱功率，開發(fā)了單體動力電池發(fā)熱功率測試平臺，如圖3所示。

測試平臺由單體動力電池發(fā)熱功率測試裝置、電池充放電設(shè)備、溫度傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成。外殼為聚碳酸酯材料并外敷保溫層，內(nèi)注有一定質(zhì)量的去離子水；溫度傳感器為鎧裝熱電偶，分別布置于電池表面、水中和裝置外表面。試驗用電池為LG INR18650 MH1型鋰離子電池，額定容量為3200mA·h，最大充電電流1C，最大放電電流10A。不含保溫層的單體動力電池發(fā)熱功率測試裝置實物如圖4所示。

圖3 單體動力電池發(fā)熱功率測試平臺示意圖

圖4 單體動力電池發(fā)熱功率測試裝置

由于充電過程電池的發(fā)熱量和溫升小于放電過程，故僅對放電過程的發(fā)熱功率進行測試。具體步驟如下：

(1)室溫下，將滿電狀態(tài)的電池置于發(fā)熱功率測試裝置中，運行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，待各部分溫度穩(wěn)定后開始測試；

(2)對單體電池進行3C倍率恒流放電，放電結(jié)束后擱置一段時間，待各部分溫度穩(wěn)定后，記錄試驗過程中的放電時間和各測點的溫度；

(3)利用式(1)能量平衡方程，計算各部分的發(fā)熱功率并最終求得電池的發(fā)熱功率。

式中：ci(i＝1，2，3)為電池、水和聚碳酸酯外殼的比熱容，J/(kg·K)；mi(i＝1，2，3)為電池、水和聚碳酸酯外殼的質(zhì)量，kg；ΔTi(i＝ 1，2，3)為放電前/后電池、水和聚碳酸酯外殼的溫差，K。

單體動力電池在3C倍率恒流放電時的各部分溫度變化如圖5所示。

圖5 3C倍率放電各部分的溫度變化

試驗結(jié)果表明：3C倍率放電時，水、電池、聚碳酸酯外殼的功率分別為1.81，0.22和3.34W，總的發(fā)熱功率為5.37W，電池表面的最大溫升為6.9℃；由于試驗裝置并非絕熱，會有一定的熱量散逸，因而單體試驗用電池的最大發(fā)熱量可按6W計。

3 新型液冷動力電池模組試驗平臺研發(fā)

為驗證新型液冷動力電池模組的傳熱特性，依據(jù)設(shè)計要求和單體電池的發(fā)熱功率，經(jīng)制冷量計算以及其它關(guān)鍵部件的選型和匹配，集成液冷動力電池模組冷卻/加熱系統(tǒng)的試驗平臺，如圖6所示。

圖6 新型液冷動力電池模組冷卻/加熱系統(tǒng)試驗平臺

試驗平臺由液冷動力電池模組、供液系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、信號測量(傳感器)與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和BMS等構(gòu)成。其中，供液系統(tǒng)主要由儲液箱、循環(huán)泵、循環(huán)介質(zhì)組成；冷卻系統(tǒng)為制冷機組，主要由冷凝器、壓縮機及其控制器、冷凝風(fēng)扇、毛細(xì)管和蒸發(fā)器組成；加熱系統(tǒng)主要為加熱棒；信號測量與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主要包括流量計、壓力傳感器、溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集卡和計算機等；BMS與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)采用CAN通信方式，對液冷動力電池模組的電壓、電流和溫度等信號實時采集、分析和處理，并向冷卻/加熱系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的控制信號。

整個試驗平臺包括兩套循環(huán)系統(tǒng)，其一為供液循環(huán)系統(tǒng)。選擇腐蝕性低、傳熱效率較高、成本低的乙二醇水溶液作為循環(huán)介質(zhì)，循環(huán)介質(zhì)在蒸發(fā)器中被制冷介質(zhì)冷卻或在儲液箱中被加熱棒加熱，再由循環(huán)泵將循環(huán)介質(zhì)泵入液冷動力電池模組內(nèi)，達到對電池冷卻或加熱的目的。此外，當(dāng)液冷動力電池模組在需要保溫時，關(guān)閉進出口的電磁閥，此時循環(huán)介質(zhì)封存于液冷動力電池模組內(nèi)部。

試驗平臺的另一套循環(huán)系統(tǒng)為制冷介質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)。制冷介質(zhì)在蒸發(fā)器中吸收循環(huán)介質(zhì)的熱量之后，汽化形成低溫低壓的蒸汽，被壓縮機壓縮成高壓高溫的蒸汽后排入冷凝器，在冷凝器中向空氣放熱，凝結(jié)為高溫高壓液體，經(jīng)毛細(xì)管節(jié)流為低壓低溫的制冷劑，再次進入蒸發(fā)器吸熱汽化，達到循環(huán)制冷的目的。

4 試驗結(jié)果與分析

以10孔液冷動力電池模組為試驗對象，其外形尺寸為100mm×71mm×65mm，電池孔間的空腔體積約為 0.000 3m3，其中充滿冷卻液的質(zhì)量約為0.318kg。當(dāng)僅研究液冷動力電池模組的傳熱特性時，電池的發(fā)熱特性可由加熱管(等效電池發(fā)熱的元件)來模擬。由于加熱管內(nèi)有預(yù)置加熱絲，通過改變加熱絲兩端的電壓可模擬單體電池實際使用過程中的發(fā)熱特性。該方法既能節(jié)約試驗時間(省略了電池充放電時間)，使整個試驗系統(tǒng)操作簡便、安全可靠，又可降低試驗成本?？紤]到單體電池的極限發(fā)熱工況，選用6W的加熱管。為檢驗加熱管的溫升是否與單體動力電池3C倍率放電的溫升相符，室溫下測試加熱管的溫升，并與單體動力電池3C倍率放電溫升對比，如圖7所示。

圖7 加熱管與單體動力電池3C放電溫升對比

從圖7可以看出，3C倍率放電時單體動力電池溫度由25℃上升到70.2℃，6W加熱管溫度由25℃上升到70.3℃。因此，僅研究動力電池模組的傳熱特性時，可用6W的加熱管替代實際LG INR18650 MH1鋰離子動力電池。

加熱管替代電池的10孔液冷動力電池模組如圖8所示，A為電源線束，B為溫度傳感器線束。為便于研究和分析，將10孔液冷動力電池模組的加熱管按圖中所示方式編號。

圖8 加熱管替代電池的液冷動力電池模組

4.1 加熱試驗

低溫環(huán)境下，液冷動力電池模組在需要加熱時，冷卻系統(tǒng)不運行，起動加熱棒，將儲液箱內(nèi)的循環(huán)介質(zhì)加熱后，通過循環(huán)泵和管路輸送至液冷動力電池模組中，對液冷動力電池模組進行加熱后的循環(huán)介質(zhì)在壓力下流回儲液箱內(nèi)進行再次加熱，從而形成了循環(huán)泵-液冷動力電池模組-儲液箱之間的介質(zhì)循環(huán)。具體的試驗步驟為：在無強制冷卻的自然環(huán)境中起動儲液箱中的加熱棒，打開循環(huán)泵，記錄1h內(nèi)動力電池模組中具有代表性的加熱管(編號為①，③，⑤，⑥，⑩)的溫度數(shù)據(jù)以及循環(huán)介質(zhì)在進出口處的壓力和流量。

由于試驗在自然散熱環(huán)境中進行，不同時間段的室溫略有差異，不同加熱管的內(nèi)阻也有差異，為便于比較，作圖時將起始溫度統(tǒng)一設(shè)為25℃。圖9為所選加熱管的溫度變化情況，圖10為液冷動力電池模組進出口的壓力，圖11為液冷動力電池模組進出口的流量。

圖9 加熱過程加熱管溫度與時間的關(guān)系

圖10 進出口冷卻液的壓力

圖11 進出口冷卻液的流量

從圖9～圖11可以得出如下結(jié)果。

(1)加熱試驗時，電池的平均溫度由25上升到34.1℃，平均溫升速率為9.1℃/h；冷卻液入口處電池(9#)的溫度最高，冷卻液出口處電池(0#)的溫度最低，兩者之間的溫差為0.9℃，可以實現(xiàn)對液冷動力電池模組加熱的功能。

(2)進出口冷卻液的壓力幾乎一致，大約為0.116MPa；進出口的流量平均為0.558L/min。

(3)該試驗結(jié)果對實際液冷動力電池模組的加熱具有指導(dǎo)意義，通過增加管路中冷卻液的流量、壓力和提高儲液箱中加熱棒的功率，可以實現(xiàn)對實際液冷動力電池模組的加熱并能滿足整個液冷動力電池模組溫差的要求。

4.2 冷卻試驗

液冷動力電池模組溫度過高時，起動壓縮機，冷卻系統(tǒng)運行，循環(huán)泵將儲液箱內(nèi)的循環(huán)介質(zhì)泵至冷卻系統(tǒng)的蒸發(fā)器內(nèi)并與制冷介質(zhì)進行熱交換，經(jīng)冷卻后的循環(huán)介質(zhì)通過管路輸送至動力電池模組中，動力電池模組內(nèi)的熱量通過冷卻后的循環(huán)介質(zhì)被帶走至儲液箱內(nèi)，這樣形成了兩個循環(huán)，即壓縮機-冷凝器-毛細(xì)管-蒸發(fā)器之間的制冷介質(zhì)循環(huán)和循環(huán)泵-蒸發(fā)器-動力電池模組-儲液箱之間的供液循環(huán)。具體的試驗步驟為：將液冷動力電池模組中所有的加熱管起始溫度調(diào)整到60℃(鋰離子動力電池的工作最高溫度)，冷卻系統(tǒng)起動，設(shè)置壓縮機轉(zhuǎn)速為3 000r/min(最低轉(zhuǎn)速)，加熱管和制冷系統(tǒng)同時工作，待所選加熱管的溫度降到25℃左右時試驗結(jié)束。圖12為試驗過程中壓縮機轉(zhuǎn)速在3 000r/min時的加熱管的溫度變化。

圖12 冷卻過程加熱管溫度與時間的關(guān)系

從圖12可以得出如下結(jié)果。

(1)在6W加熱管和壓縮機同時工作情況下，加熱管的溫度降到室溫約需30min，壓縮機在最低轉(zhuǎn)速3 000r/min時，加熱管的平均溫降為34.7℃，降溫速率為1.16℃/min；加熱管①與加熱管⑩的溫差為1.9℃，10孔液冷動力電池模組的溫差在2℃以內(nèi)。

(2)與加熱試驗結(jié)論相似，通過增大循環(huán)介質(zhì)的流量和壓縮機的制冷功率，匹配合理的冷卻系統(tǒng)，可滿足對實際液冷動力電池模組冷卻的要求。

4.3 傳熱速率試驗

當(dāng)液冷動力電池模組內(nèi)某一電池溫度突然升高時，會對該電池周圍的電池造成相應(yīng)的影響。為研究液冷動力電池模組內(nèi)相鄰電池間的傳熱速率，進行傳熱速率試驗。選取液冷動力電池模組內(nèi)相鄰的兩個加熱管(⑥和⑨)為研究對象，在二者中心的連線上、緊挨加熱管處布置兩個熱電偶。具體的試驗步驟為：室溫下，將液冷動力電池模組內(nèi)的循環(huán)介質(zhì)排空，增大加熱管⑨的工作電壓(模擬電池溫度急增)，運行10min，加熱管⑥不工作，記錄兩個熱電偶的溫度數(shù)據(jù)；將液冷動力電池模組內(nèi)充滿循環(huán)介質(zhì)，重復(fù)增大電壓以后的步驟，試驗結(jié)果如圖13所示。

圖13 有無液體時加熱管的溫度對比

從圖13可以看出：液冷動力電池模組內(nèi)有液體時，加熱管之間的傳熱速率低于無液體時的傳熱速率；無液體時，加熱管⑥表面溫度由 25上升到48.4℃，溫升速率為2.34℃/min；有液體時，加熱管⑥表面溫度由 25上升到 37.5℃，溫升速率為1.25℃/min。因此，新型液冷動力電池模組可有效改善溫度急劇上升的電池對周圍其它電池的影響。

5 結(jié)論

(1)所研發(fā)的新型液冷動力電池模組，因增加了動力電池與冷卻液的傳熱接觸面積，強化了冷卻液與電池間的換熱效果，可更高效地保證單體電池和電池模組工作在適宜的溫度范圍，從而維持電池性能、延長電池壽命。

(2)6W加熱管的溫升與單體動力電池3C放電的溫升幾乎一致，因此，當(dāng)僅研究液冷動力電池模組的傳熱特性時，可用6W加熱管來模擬電池發(fā)熱，從而縮短試驗時間、降低試驗成本。

(3)所得到的單體電池最大發(fā)熱功率的測試結(jié)果為新型液冷動力電池模組冷卻/加熱系統(tǒng)試驗平臺關(guān)鍵部件的選型和實現(xiàn)提供了數(shù)據(jù)支撐。

(4)新型液冷動力電池模組冷卻/加熱系統(tǒng)試驗平臺可實現(xiàn)電池在高溫情況下的冷卻和在低溫情況下的加熱功能，冷卻和加熱試驗數(shù)據(jù)可定性地描述新型液冷動力電池模組冷卻/加熱系統(tǒng)的功能，通過試驗調(diào)試，系統(tǒng)能有效采集信號，為電池管理系統(tǒng)中電池?zé)峁芾淼难芯刻峁┮罁?jù)。

(5)所用試驗方法和結(jié)論對其他類型或結(jié)構(gòu)的液冷電池模組的傳熱特性研究和工程應(yīng)用具有一定的參考價值。

參考文獻

[1]李軍求，吳樸恩，張承寧.電動汽車動力電池?zé)峁芾砑夹g(shù)的研究與實現(xiàn)[J].汽車工程，2016，38(1)：22-27.

[2]ARAI J， YAMAKI T， YAMAUCHI S， et al.Development of a high power lithium secondary battery for hybrid electric vehicles[J].Journal of Power Sources，2005，146(1/2)：788-792.

[3]KOHNO K，KOISHIKAWA Y，YAGI Y，et al.Development of an Aluminum-laminated Lithium-ion battery for hybrid electric vehicle application[J].Journal of Power Sources，2008，185(1)：554-558.

[4]周方，李茂德.圓柱形鋰離子電池溫升效應(yīng)研究[J].電源技術(shù)，2011，35(9)：1061-1062，1068.

[5]雷治國，張承寧.電動汽車電池組熱管理系統(tǒng)的研究進展[J].電源技術(shù)，2012，35(12)：1609-1612.

[6]邱景義，余仲寶，李萌.高功率鋰離子電池?zé)崽匦匝芯縖J].電源技術(shù)，2015，39(1)：40-42.

[7]PESARAN A A.Battery thermal management in EVs and HEVs：Issues and solutions[C].Nevada，Advanced Automotive Battery Conference，2001.

[8]雷治國，張承寧，林哲煒.電動車輛鋰離子電池組加熱系統(tǒng)的研究進展[J].電源技術(shù)，2014，38(12)：2445-2447，2455.

[9]羅曼.純電動汽車用鋰離子電池組液體冷卻散熱結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化[D].重慶：重慶大學(xué)，2014：6-9.

[10]ADAMS D， BERDICHEVSKY E， COLSON T， et al.Battery pack thermal management system：US2009/0023056 A1[P].2009-01-22.

[11]張劍波，吳彬，李哲.車用動力鋰離子電池?zé)崮M與熱設(shè)計的研發(fā)狀況與展望[J].集成技術(shù)，2014，3(1)：18-26.