鋰離子電池散熱技術(shù)研究進(jìn)展

劉澤慧,高迎慧,孫鷂鴻,3,嚴(yán) 萍

( 1. 中國科學(xué)院電工研究所,北京 100190; 2. 中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049;3. 中國科學(xué)院電力電子與電氣驅(qū)動重點實驗室,北京 100190 )

鋰離子電池在使用過程中會受到溫度的影響。 低溫條件下,電池的電性能差,放出的比容量較低;高溫條件下,電池的電性能好,但副反應(yīng)增多,因此循環(huán)壽命縮短;單體電池表面溫度不均,會導(dǎo)致電池表面出現(xiàn)應(yīng)力,使電池發(fā)生不可逆的破壞,降低模組的電性能[1]。 此外,過充電、過放電或短路等不當(dāng)使用,會使鋰離子電池溫升過快,電池內(nèi)部發(fā)生一系列副反應(yīng),最終可能導(dǎo)致熱失控,出現(xiàn)冒煙、起火甚至爆炸現(xiàn)象,危害使用者的人身安全[2]。

良好的散熱技術(shù)是鋰離子電池能夠安全高效應(yīng)用的必要保障。 隨著鋰離子電池行業(yè)的發(fā)展,除常用的風(fēng)冷、液冷、相變冷卻及三種冷卻方式組合的復(fù)合冷卻方式外,還衍生出了其他一些冷卻形式,如微流體冷卻、液氣相變冷卻和噴霧冷卻等,以適應(yīng)人們對散熱技術(shù)更高的要求。 本文作者介紹常用的產(chǎn)熱模型,分析電池散熱技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀,對比不同技術(shù)的優(yōu)缺點,對鋰離子電池散熱技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行展望。

1 產(chǎn)熱模型

散熱技術(shù)的選取是由產(chǎn)熱決定的,因此電池散熱技術(shù)的首要問題是預(yù)估電池產(chǎn)生的熱量。 產(chǎn)熱估計方法主要包含基于能量平衡、基于電化學(xué)反應(yīng)和基于量熱法等3 種方式。

1.1 基于能量平衡的產(chǎn)熱估計

鋰離子電池在充放電過程中,因內(nèi)部發(fā)生化學(xué)反應(yīng),放出大量熱,通過與熱沉之間的相互作用將熱量耗散,使電池的溫度維持在工作溫度范圍內(nèi)。 式(1)為通用能量平衡方程,表示電池充放電過程中產(chǎn)生的熱量(Qg)一部分儲存在電池本身(Q),另一部分通過熱交換耗散在周圍介質(zhì)(Qd)中。電池產(chǎn)生的熱量Q可根據(jù)電池質(zhì)量(mb)、比熱容(Cb)和溫升(ΔT)的乘積計算。 通過熱交換耗散的熱量Qd包含傳導(dǎo)散熱、對流散熱和輻射散熱等3 部分,其中,輻射散熱因散熱功率極小,在鋰離子電池散熱研究中一般被忽略。 在該產(chǎn)熱估計方法中,對材料熱性能參數(shù)的獲取是關(guān)鍵[3]。

1.2 基于電化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)熱估計

電池產(chǎn)熱的本質(zhì)是電化學(xué)反應(yīng),因此還可從化學(xué)反應(yīng)角度進(jìn)行熱量估算。 對電化學(xué)反應(yīng)的不同過程理解越深刻,建立的模型就越精確,但所需的參數(shù)和計算量也會增大,因此電化學(xué)模型的發(fā)展由簡單到復(fù)雜,再由復(fù)雜到簡練,出現(xiàn)了適用于不同人群、不同需求的多種模型,常用的有電化學(xué)模型、Bernadi 均勻生熱模型、偽二維電化學(xué)模型和電化學(xué)-熱耦合模型等。

J.M.Sherfey 等[4]從電流分?jǐn)?shù)、熵變及各反應(yīng)的過電勢角度出發(fā),確立了較完備的電化學(xué)模型。 隨后,G.Sidney[5]將參與電化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)物以焓變電壓的形式引入公式中;H.F.Gibbard[6]將反應(yīng)物溶解帶來的熱效應(yīng)引入到公式中。

D.Bernardi 等[7]根據(jù)電池本身的工作原理,綜合考慮可逆反應(yīng)、相變過程、混合效應(yīng)和焦耳產(chǎn)熱,將電池的產(chǎn)熱來源主要分為歐姆熱、熵?zé)帷⑾嘧儫岷突旌蠠岬? 個部分,并分別建立了數(shù)學(xué)模型。 這種精確的電化學(xué)模型,可用在鋰離子電池的設(shè)計及驗證階段。 相變熱和混合熱在一般情況下占比極小,通?？珊雎?因此,可將電化學(xué)模型進(jìn)行簡化。 最終的電池產(chǎn)熱模型只考慮歐姆熱和熵?zé)?并且將電池等效為均勻發(fā)熱體,如式(2)所示。 可使用電池內(nèi)阻進(jìn)一步替代,簡化該公式,如式(3)所示。 式(3)的第一項為歐姆熱,為不可逆熱,常為正值;第二項為反應(yīng)熱,為可逆熱,可為負(fù)值。

式(2)-(3)中:I為放電電流;R為電池內(nèi)阻,包括歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻;T為電池溫度;U是開路電壓,其導(dǎo)數(shù)常認(rèn)為是熵的熱系數(shù);E是實際電壓。

式(3)是工程中最常用的熱仿真模型,可通過電池出廠參數(shù)或?qū)嶒灉y得電池內(nèi)阻及熵?zé)嵯禂?shù),也可通過數(shù)據(jù)訓(xùn)練的方式,在不同荷電狀態(tài)(SOC)、溫度和放電倍率估測電池的歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻[8]。 該模型所需參數(shù)少,精度也可滿足一般工程的需求。 式(3)在實際應(yīng)用中有一些假設(shè)條件,如將電池溫度T設(shè)為常數(shù),忽略R在不同溫度下的變化,使用電池整體的平均開路電壓代替開路電壓等,因此該模型計算出的產(chǎn)熱會與實際情況有較大差異。

L.Rao 等[9]使用法拉第定律優(yōu)化了式(2)中開路電壓對熱計算引起的較大誤差,提出了基于多孔電極理論的局部產(chǎn)熱模型。 局部產(chǎn)熱不僅區(qū)分了歐姆熱和極化熱,還將正極、負(fù)極和隔膜處的反應(yīng)區(qū)分開來,可以計算每一部分的產(chǎn)熱。局部產(chǎn)熱模型是一維模型,只在電極厚度方向上進(jìn)行積分,忽略了Li+擴散、相變及電解液中濃度梯度的影響。 在后續(xù)研究中,M.Doyle 等[10]基于菲克定律、濃溶液理論和巴特勒-福爾默方程,描述了Li+在單體電池電極固相顆粒中的嵌脫過程、Li+進(jìn)入電解液的擴散過程以及球形顆粒表面與電解液反應(yīng)的電化學(xué)過程,在局部產(chǎn)熱模型上引入了沿電極方向的擴散公式,建立了鋰離子電池偽二維電化學(xué)數(shù)值模型。 該模型需要材料參數(shù)、電池SOC 和平衡電位等較多的參數(shù)。

電化學(xué)-熱耦合模型以電化學(xué)模型為基礎(chǔ),同時耦合了溫度場。 這類模型考慮了鋰離子電池在充放電過程中溫度場的影響,可得到更符合實際的產(chǎn)熱計算結(jié)果,因此電化學(xué)模型常與二維/三維電池散熱模型耦合,通過二維/三維模型計算物體的實際溫度分布,修正一維模型中的溫度設(shè)置。

1.3 基于量熱法的產(chǎn)熱估計

量熱法是一種直接測量被測物產(chǎn)生熱量的方法,通過創(chuàng)造近似于理想的絕熱環(huán)境,對被測量物及周圍空氣介質(zhì)的溫度變化情況進(jìn)行測量和控制,再由設(shè)備內(nèi)部集成的算法得到被測物產(chǎn)熱量。 量熱法分為等溫測量法和非等溫測量法。在等溫測量法中,量熱儀吸收被測物所產(chǎn)生的熱量,并保持被測物工作在設(shè)定溫度值;在非等溫測量法中,量熱儀測定被測物周圍的空氣介質(zhì)被加熱的溫升情況。 兩種測量方法均與電池實際應(yīng)用存在一定差異。 在實際工作中,隨著充放電的進(jìn)行,鋰離子電池持續(xù)產(chǎn)熱,再與周圍空氣介質(zhì)進(jìn)行換熱。 由于電池在不同溫度下表現(xiàn)出的性能不同,量熱法與鋰離子電池的真實工作狀態(tài)有差距。 在等溫測量法中,電池工作溫度保持不變,而在實際工作時,溫度是動態(tài)變化的;非等溫法則因設(shè)備原因抑制了電池散熱,估計的溫度高于電池實際工作溫度[11]。 這兩種方法的選取,要結(jié)合鋰離子電池本身性能對溫度的敏感性和實際工作的溫升情況來進(jìn)行。

2 散熱技術(shù)

常用的散熱手段有風(fēng)冷、液冷和相變冷卻等。 風(fēng)冷和液冷利用介質(zhì)的流動性將熱量耗散,因此可基于流體建立方程。 相變材料(PCM)在相變過程中溫度不變,但能吸收或釋放大量潛熱,因此數(shù)學(xué)方程包含兩相材料的建模。 由于問題的復(fù)雜性,相變材料一般使用數(shù)值解法求解。 常用的數(shù)值解法是界面跟蹤法和固定網(wǎng)格法,前者需要實時跟蹤固液相變界面,不適用于多相變區(qū)域等復(fù)雜情況問題的求解,后者將不同相狀態(tài)的區(qū)域作為整體求解,方法較為靈活,便于擴展到多維、多區(qū)域界面問題。 固定網(wǎng)格法包含顯熱容法和焓法,其中焓法是目前相變材料仿真較為常用的方法。

2.1 風(fēng)冷

風(fēng)冷是一種利用設(shè)備周圍空氣與設(shè)備進(jìn)行換熱的冷卻手段,成本低,無需添加過多的設(shè)備,在提高電池系統(tǒng)的能量密度方面具有較大優(yōu)勢。 風(fēng)冷相較于液冷、相變冷卻,散熱能力低、散熱效果差,難以解決鋰離子電池容量、倍率性能提升后帶來的產(chǎn)熱功率大的問題。 提升風(fēng)冷效果的研究,目前主要從結(jié)構(gòu)參數(shù)、流場分布以及控制策略等方面進(jìn)行。

在風(fēng)冷結(jié)構(gòu)設(shè)計中,常通過優(yōu)化風(fēng)道設(shè)計、改變電池排列及添加散熱裝置改善冷卻效果。 常用的風(fēng)道結(jié)構(gòu)有串行結(jié)構(gòu)和并行結(jié)構(gòu),如圖1 所示[12]。

圖1 電池模組流道串行和并行結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematic diagram of serial and parallel flow passage of battery module

串行結(jié)構(gòu)簡單,流動阻力較大,空氣介質(zhì)在流動過程中不斷被加熱,最終可能導(dǎo)致散熱失效的問題[13],但可通過設(shè)置兩個流向相反或多個流向不同的流道避免這一問題,且有多種結(jié)構(gòu)形式可選[14-15]。 K.Chen 等[15]通過設(shè)置對稱流道結(jié)構(gòu),將模組內(nèi)的最大溫差降低了43%,同時將能耗降低了33%。 并行結(jié)構(gòu)復(fù)雜,占用空間大,可通過改變流道進(jìn)風(fēng)角度、出風(fēng)角度和預(yù)留的流道尺寸調(diào)整散熱效果[16]。 并行結(jié)構(gòu)由于保證了各流道入口處的初溫近似相等,散熱均勻性較好。 袁征等[16]發(fā)現(xiàn),當(dāng)進(jìn)風(fēng)速度為15 m/s、進(jìn)風(fēng)口傾斜角度為8°,且電池間距相同時,可將最高溫度降低11.8%。 在風(fēng)道結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上改變電池排布方式,可影響局部空氣的流動性質(zhì)。 當(dāng)空氣流動過程中出現(xiàn)旋渦時,會加速熱量傳遞過程,從而增強散熱效果。 在預(yù)留空氣流道時,由于排布不夠緊湊,對安裝及振動性能提出了更高的要求,此時可通過添加散熱片提高裝置的緊湊性和散熱性能。 散熱片與電池單體之間還可填充導(dǎo)熱硅脂及其他高性能散熱材料,以增強結(jié)構(gòu)緊湊性和散熱效果。

在風(fēng)冷結(jié)構(gòu)確定后,若需進(jìn)一步增強冷卻效果,除提高空氣本身流速外,還可通過調(diào)整環(huán)境溫度來實現(xiàn)冷卻效果。這種方式一般用于密閉空間,如電動汽車、大型實驗室等。

風(fēng)冷的控制策略可實現(xiàn)在相同風(fēng)道結(jié)構(gòu)條件下對溫度的優(yōu)化控制,主要有往復(fù)流[17]和分時流[18]兩種方式,即改變氣流流動方向和進(jìn)氣時機,控制最大溫升和最大溫差。 賈驥業(yè)等[17]發(fā)現(xiàn),在往復(fù)流控制策略中,改善散熱效果的能力由高到低依次為:來流速度、冷卻空氣溫度和往復(fù)流周期。

2.2 液冷

液冷是一種使用液體作為導(dǎo)熱介質(zhì)進(jìn)行冷卻的熱管理方式。 與空氣相比,液體的比熱容大、選擇面廣,包括制冷劑、冷卻劑和納米流體等,因此通常能獲得較好的冷卻效果,如礦物油在同等條件下的散熱效果是空氣的4 倍[19]。 液冷可根據(jù)是否外加泵源,分為主動冷卻和被動冷卻;根據(jù)應(yīng)用形式分為直接式冷卻(浸泡式冷卻)和非直接式冷卻(結(jié)合冷板/散熱管的冷卻)。 液冷在使用時要考慮結(jié)構(gòu)的安全性,避免導(dǎo)熱介質(zhì)泄漏帶來的電池短路、電池?zé)釣E用等問題。

冷板是最常使用的液冷方式。 冷板中設(shè)計有流道結(jié)構(gòu),冷板放置位置、流體流速、溫度和管道設(shè)置等因素,均會影響散熱效果[20]。 曾俊雄等[21]研究發(fā)現(xiàn),以制冷劑作為冷板散熱介質(zhì)時,與普通液冷相比,電芯溫度降低了約16%,最大溫差由4 ℃改善至3 ℃。 沈姍姍等[22]設(shè)計了回形、螺旋形和樹形等3 種流道結(jié)構(gòu),在10C放電倍率下,樹形流道結(jié)構(gòu)的冷卻效果最好,最高溫度降低11.7%,最大溫差降低43.5%,且流阻和消耗的水泵功耗最小。 冷板一般放置在模組下端,單純放置冷板會造成冷板與電池模組之間的磨損,工程上還要考慮添加硅膠等材料,以提高潤滑性[23]。

浸泡式冷卻為常用的被動冷卻手段。 將電池模組浸泡在絕緣性良好的去離子水、硅基油或礦物質(zhì)油中,既能保證絕緣性能,又能保證冷卻性能。 在應(yīng)用時,電池模組若處于移動設(shè)備中,采用浸泡式冷卻容易發(fā)生泄漏問題,因此浸泡式冷卻不常應(yīng)用于電池模組中,更多用于結(jié)構(gòu)不規(guī)則且基本不需移動的大型設(shè)備中。 浸泡式冷卻裝置的質(zhì)量大,還會降低電池系統(tǒng)的比能量。 分立浸泡冷卻針對每個電池設(shè)計散熱結(jié)構(gòu),雖然可減輕液體質(zhì)量,但由于液體流動性較差,導(dǎo)致散熱效果并不理想[24]。

隨著設(shè)備對于散熱功率需求的提升,微流體冷卻開始應(yīng)用于鋰離子電池領(lǐng)域。 微流體冷卻是在微觀尺寸下控制、操作和檢測復(fù)雜流體,實現(xiàn)高效散熱的技術(shù)[25],所需流量和功耗低,具有集成度高、體積小及質(zhì)量輕的特點,散熱系數(shù)可達(dá)790 W/cm2[26],有望應(yīng)用于電池內(nèi)部冷卻。 微流體的冷卻效果受流道類型、表面粗糙度、液體添加劑及流體雷諾數(shù)等因素的影響[27],因此多從這幾方面進(jìn)行散熱效果優(yōu)化。

2.3 相變冷卻

相變材料是一種在相變過程中保持溫度不變或變化范圍很小,能吸收或釋放大量潛熱的物質(zhì)。 相變冷卻是一種冷卻效果較好的被動冷卻方式。 相變材料除了用作散熱材料外,由于潛熱和比熱容較大,還常用作儲能材料。 在相同發(fā)熱功率條件下,相變冷卻的效果優(yōu)于風(fēng)冷。 相變材料及應(yīng)用形式可選范圍多,散熱效果上限高于液冷,涉及的相變過程包括液氣相變和固液相變。 常用相變材料是石蠟(固態(tài)),相變溫度約為40 ℃,且無毒無害、成本低廉,但石蠟的導(dǎo)熱系數(shù)不高,容易造成與熱源較近的材料處于融化狀態(tài),而外部材料處于固態(tài)的狀況,不適用于快速產(chǎn)熱的情況,通常需填充質(zhì)量輕、導(dǎo)熱系數(shù)大的鋁泡沫等金屬骨架或膨脹石墨等材料,以提升導(dǎo)熱系數(shù)。 其他可用于鋰離子電池領(lǐng)域的相變材料,還有低熔點的無機水合鹽,如氯化鈣和硫酸鈉等。

相較于需要結(jié)合流道結(jié)構(gòu)的液冷,相變冷卻應(yīng)用時常將電池模組浸泡在相變材料中,解決了圓柱形電池散熱設(shè)計時熱傳遞界面小的問題。 相變冷卻可滿足圓柱形、方形和軟包裝等各種類型電池的冷卻需求,但應(yīng)用于移動設(shè)備時,電池模組的安裝方向會對相變材料的性能產(chǎn)生影響。

相較于發(fā)展較成熟的固液相變,液氣相變應(yīng)用于鋰離子電池領(lǐng)域的起步較晚。 液氨[28-29]和丙烷[24]等作為冷卻介質(zhì),在低倍率放電時可較好地控制最高溫升和溫差。 目前,使用冷卻劑的大容積沸騰和強制對流沸騰形式的散熱研究逐步增加。 Y.F.Wang 等[30]發(fā)現(xiàn),使用HFE-7000 電子氟化液的強制對流沸騰進(jìn)行散熱,可在5C放電條件下將溫差控制在4 ℃以內(nèi)。

熱管散熱是一種利用熱管中介質(zhì)發(fā)生相變,將熱量從導(dǎo)熱端傳遞到散熱端的冷卻方式。 導(dǎo)熱端將熱量從電池內(nèi)部轉(zhuǎn)移到熱管中,隨著熱管內(nèi)部的相變過程,熱量從導(dǎo)熱端移至散熱端。 散熱端可將風(fēng)冷、液冷等方式結(jié)合,高效地散熱。熱管本身體積小,與電池的接觸面積小,因此散熱時需要的數(shù)量較多,安裝和固定工作復(fù)雜,導(dǎo)致后續(xù)的維護困難。

2.4 復(fù)合冷卻

復(fù)合冷卻同時使用多種冷卻技術(shù),常將主動冷卻和被動冷卻結(jié)合,將傳統(tǒng)冷卻技術(shù)和新型冷卻技術(shù)結(jié)合,來提高冷卻效果,同時降低能耗。 采用多種復(fù)合冷卻手段帶來的問題是結(jié)構(gòu)附件增加,總質(zhì)量、總體積增大。

相變材料的儲能能力大,散熱能力略微不足,常結(jié)合風(fēng)冷或液冷方式提高相變材料的潛熱[31]。 吳學(xué)紅等[31]將液冷和相變冷卻結(jié)合,可將最大溫差減少75%。 J.H.Cao 等[32]設(shè)計了一種相鄰?fù)ǖ懒飨蛳喾吹娜ǖ懒鞯?結(jié)合延時液冷策略對相變材料進(jìn)行散熱,4C放電倍率下的溫差小于5 ℃。

噴霧冷卻、液滴輻射散熱和半導(dǎo)體冷卻等冷卻方式,常常與成熟的冷卻技術(shù)結(jié)合使用。 如S.R.Lei 等[33]結(jié)合相變材料、熱管、散熱翅片以及噴霧冷卻多種方式,對電池進(jìn)行快速降溫。

目前,新型冷卻在應(yīng)用于鋰離子電池領(lǐng)域時的可拓展性較差。 如在更大體積的電池模組中使用時,噴霧冷卻中噴嘴的尺寸、位置和流量設(shè)計等要重新考慮;與新型冷卻技術(shù)配合的散熱翅片的選型和安裝位置,也要根據(jù)應(yīng)用場景來設(shè)計。 新型冷卻技術(shù)的應(yīng)用理論尚不成熟,需要更多實驗來探索。

3 結(jié)論與展望

本文作者綜述了常用的產(chǎn)熱模型和產(chǎn)熱估計方法,以及近年來鋰離子電池散熱技術(shù)的研究。 較常見的風(fēng)冷、液冷和相變冷卻方式,除了結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化研究外,逐漸出現(xiàn)了控制策略的研究,如對液體流向的控制、進(jìn)氣時間的控制等,但研究尚不成系統(tǒng)。 噴霧冷卻、液氣相變冷卻等在鋰離子電池領(lǐng)域尚處于探索階段,結(jié)構(gòu)設(shè)計方面還有不盡合理之處,要繼續(xù)優(yōu)化結(jié)構(gòu)的合理性和緊湊性,保證冷卻效果的穩(wěn)定性。

鋰離子電池正在向高能量密度、高功率密度方向發(fā)展,與此同時,電池體積增大、產(chǎn)熱功率增加,單體電池表面溫度不均勻性更加顯著,因此,有3 個較為關(guān)鍵的問題值得注意:研究單體電池的溫度分布情況,需要針對單體電池所設(shè)計的均溫和散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行;電池的危險性增加,要充分驗證散熱技術(shù)的失效極限,提升實際應(yīng)用時的安全性;電池產(chǎn)熱功率增加,瞬時溫升較大,要考慮散熱技術(shù)的快速響應(yīng)能力,并且在一定程度上兼顧抑制電芯熱失控的功能。