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        鋰離子電池組冷卻技術(shù)研究進展

        2016-04-22 09:28:01胡棋威李文斌王兆聰
        船電技術(shù) 2016年2期
        關(guān)鍵詞:鋰離子電池電池組

        胡棋威,李文斌,王兆聰

        (武漢船用電力推進裝置研究所,武漢430064)

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        鋰離子電池組冷卻技術(shù)研究進展

        胡棋威,李文斌,王兆聰

        (武漢船用電力推進裝置研究所,武漢430064)

        摘 要:鋰離子電池在電動汽車、船舶電力推進等領(lǐng)域前景十分廣闊。然而鋰離子電池大規(guī)模成組使用時,熱問題凸顯,制約了鋰離子電池在上述領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。鋰離子電池組冷卻技術(shù)能保證電池組在安全溫度范圍內(nèi)運行,是保障鋰離子電池成組后性能發(fā)揮與安全工作的關(guān)鍵技術(shù)。該文將當(dāng)前鋰離子電池組冷卻技術(shù)分為風(fēng)冷、水冷、新型冷卻技術(shù)和耦合冷卻,并分別概述了每種冷卻技術(shù)的研究進展與結(jié)構(gòu)改進。

        關(guān)鍵詞:鋰離子電池 電池組 冷卻技術(shù)

        0 引言

        電動汽車、船舶電力推進等領(lǐng)域均要求電池具有大能量密度與大功率密度。而鋰離子電池恰好滿足這些要求,前景十分光明。然而上述領(lǐng)域中,必須將大量鋰離子電池成組使用,電池組使用工況惡劣,且結(jié)構(gòu)緊湊,因而電池產(chǎn)熱大,熱量易積累,電池組容易局部過熱或溫度不均勻,進而容易導(dǎo)致電池性能衰減、一致性變差,甚至“熱失控”。冷卻技術(shù),不僅能保證電池組在較低的溫度范圍內(nèi)工作,大大延緩電池性能衰減,并避免電池發(fā)生“熱失控”;而且還能通過減小電池組溫度梯度,來延緩組內(nèi)電池一致性差異的變大,從而保障電池匹配成組下的性能與安全。因而,鋰離子電池組冷卻技術(shù)是保障鋰離子電池成組后性能發(fā)揮與安全的關(guān)鍵技術(shù)。鋰離子電池組傳統(tǒng)冷卻技術(shù)以風(fēng)冷、液冷為主。而當(dāng)前冷卻技術(shù)的發(fā)展集中在三個方向:傳統(tǒng)冷卻方式的結(jié)構(gòu)研究與改進,發(fā)展新型冷卻技術(shù),將新型冷卻與傳統(tǒng)冷卻方式耦合應(yīng)用。

        1 傳統(tǒng)冷卻技術(shù)結(jié)構(gòu)研究與改進

        風(fēng)冷是鋰離子電池組最簡易,最常見的冷卻技術(shù)之一。但其冷卻效果和溫度均一性均難以滿足動力電源對冷卻系統(tǒng)日益苛刻的要求。液體導(dǎo)熱系數(shù)、熱容,與固體間的對流換熱系數(shù)均大幅高于氣體,因而液冷冷卻效率比風(fēng)冷高的多,并逐漸取代風(fēng)冷,成為最常見的鋰離子動力電池冷卻技術(shù)。

        如圖1,文獻[1,2]將鋁板或其它導(dǎo)熱材料插在方形鋰離子電池之間,組成“三明治”結(jié)構(gòu),再將電池間導(dǎo)熱材料與埋有蜿蜒液冷流道的“冷板”緊密固定,從而將電池?zé)崃客ㄟ^鋁板間接地傳遞給冷卻液。其中文獻[1]的水冷系統(tǒng)將電池模塊溫度控制在35℃以下。這種水冷結(jié)構(gòu)冷卻管道長度小,復(fù)雜度低,冷卻系統(tǒng)耗能小。

        而目前工業(yè)化做法,則采用冷卻管與電池緊密接觸的冷卻方案。如圖2a,比亞迪專利[3]在兩兩電池間插入內(nèi)嵌U型液冷流道的金屬片,冷卻液吸收電池?zé)崃亢髤R入主流道,與外部換熱后再次循環(huán)。這種冷卻管道與電池緊密接觸的方案使冷卻液與電池?fù)Q熱能力大大增強。如圖2b,與比亞迪類似,欣旺達(dá)專利[4]將柵欄狀水冷管道布置在電池之間,再將電池間支管連入模塊兩側(cè)主管道。電池間冷卻管道的細(xì)化分散化可以增強液冷下電池溫度場的均一性,但流體的壓損會更大。

        通用Volt汽車?yán)鋮s系統(tǒng)將1mm厚的,密布大量U型微冷卻液流道的“冷板”(圖3b),插入方形電池之間,組成緊密的三明治結(jié)構(gòu)(圖3a)。流道的細(xì)微化使Volt電池組冷卻系統(tǒng)冷卻能力和溫度場均一性進一步提高,Volt的電池組內(nèi)的溫度差可控制在2℃以內(nèi)。

        與上述廠家不同,特斯拉Roadster電池組采用圓柱鋰離子電池,液冷管道與電池的緊密接觸難度更大。其冷卻系統(tǒng)將灌注水、乙二醇的扁帶

        2 新型冷卻技術(shù)

        目前鋰離子電池組工程應(yīng)用的冷卻系統(tǒng)主要采用空冷或液冷方案。相變材料(PCM,Phase Change Material)冷卻、熱管冷卻則利用固液相變或液氣相變冷卻電池組,已開展大量研究工作。

        2.1熱管冷卻

        與液冷利用冷卻液的熱容吸收電池組熱量不同,熱管冷卻則利用熱管中低沸點介質(zhì)相變過程潛熱來轉(zhuǎn)移電池模塊熱量。熱管一般被抽成真空,以降低內(nèi)部介質(zhì)沸點,便于介質(zhì)熱端蒸發(fā)與冷端冷凝,從而傳輸熱量,具有熱阻極低,形狀可變等特點。

        如圖4a,文獻[5]將L型熱管熱端插入方形鋰離子電池之間,吸收電池?zé)崃?,再將熱管冷端插入散熱翅片基體中,加速冷端的散熱。如圖4b,國軒高科將L型熱管制成薄片,以增大熱管與方形電池間的接觸面積,并直接利用熱管冷端較大的表面積進行散熱。如圖4c,文獻[6]針對圓柱鋰離子電池設(shè)計與電池表面緊密貼合的波浪散熱片,再通過L型熱管將散熱片熱量導(dǎo)出電池模塊。比亞迪公司專利(圖4d)則通過環(huán)繞于電池模塊周身的熱管,將電池?zé)崃繉?dǎo)至底部散熱片散出。

        2.2 PCM冷卻

        由于熱管利用液體汽化過程冷卻,因而熱管冷卻需要管道結(jié)構(gòu),而PCM冷卻則將石蠟、脂肪酸、水合鹽等固態(tài)PCM填充于電池周圍,利用固液相變過程吸收大量熱量且保持自身溫度不變,從而實現(xiàn)溫度較均一的冷卻,并避免電池組局部溫度過高而引發(fā)熱失控。

        文獻[7]比較了有/無PCM(石蠟)冷卻下16 只18650鋰離子電池組成的模塊在1C放電時的溫度曲線:有PCM冷卻時,電池模塊溫度最高達(dá)從68℃降至45℃,最大溫差從10℃降至4℃。PCM冷卻的優(yōu)勢在于維持電池組溫度的均一性,降低電池溫升,但是PCM通常熱導(dǎo)率極低,因而在PCM吸收電池放電期間熱量后,恢復(fù)潛熱期間,熱量從PCM向外界散失緩慢,導(dǎo)致潛熱恢復(fù)期電池組降溫緩慢,甚至慢于無PCM冷卻的電池組。為了加快熱量在PCM中的散失效率,避免PCM在連續(xù)、大倍率充放電下熱量來不及散出,導(dǎo)致PCM完全融化,失去冷卻能力,帶來安全隱患,PCM冷卻的研究集中在其熱導(dǎo)率的提升上。

        文獻[8,9]通過在PCM中增加高導(dǎo)熱材料,如泡沫金屬或膨脹石墨(圖5),以增加PCM導(dǎo)熱系數(shù),改善PCM冷卻效果,發(fā)現(xiàn)自然風(fēng)冷無法將模塊溫度控制在安全溫度以下,而泡沫銅PCM冷卻下模塊則完全控制在安全溫度以下。

        圖5 PCM熱導(dǎo)率改性:a膨脹石墨增強;b泡沫銅增強;

        圖6 PCM耦合風(fēng)冷實驗圖:a 實驗平臺示意圖;b 多次循環(huán)下純PCM冷卻與耦合冷卻溫度曲線

        3 耦合冷卻技術(shù)

        耦合冷卻技術(shù)一般結(jié)合新型冷卻與傳統(tǒng)冷卻方式優(yōu)點,先將PCM或熱管與電池直接接觸換熱,再通過傳統(tǒng)冷卻技術(shù)將PCM/熱管吸收的熱量帶走。

        3.1基于PCM的耦合冷卻

        PCM與風(fēng)冷或水冷耦合可以加快熱量在PCM中的散失效率,避免PCM在連續(xù)、大倍率充放電下熱量來不及散出,導(dǎo)致PCM完全融化,失去冷卻能力。

        如圖6,文獻[10]將填充PCM(石蠟/膨脹石墨)的圓柱電池模塊放置于風(fēng)洞內(nèi)模擬PCM風(fēng)冷耦合效果。只有PCM冷卻下的模塊在第三循環(huán)溫度已經(jīng)達(dá)到60℃,而耦合風(fēng)冷后,則可以長期將模塊溫度控制在45℃以下。耦合后,PCM能控制模塊最高溫度及溫差,而風(fēng)冷則在充電過程將恢復(fù)PCM潛熱,降低PCM溫度,從而以較簡單的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)高效與高可靠性。

        圖7 PCM風(fēng)冷耦合冷卻模塊結(jié)構(gòu)圖(電池間開設(shè)風(fēng)道)

        如圖7,文獻[11]不僅耦合使用膨脹石墨改性的PCM和風(fēng)冷冷卻方形鋰離子電池模塊,并將冷卻風(fēng)道設(shè)置在兩兩電池之間,以增強PCM與冷卻風(fēng)的換熱。仿真結(jié)果證明,在這種耦合冷卻下,即使在室溫接近55℃時,模塊溫度也能控制在60℃以下。

        如圖8 a,Hallaj在文獻[12]中通過金屬翅片增強冷卻風(fēng)與PCM的換熱,從而更好的冷卻填充PCM的圓柱鋰離子電池模塊。如圖8b文獻[13]則將PCM、散熱翅片、方形鋰離子電池組成三明治結(jié)構(gòu),大大增加了翅片與PCM間的換熱面積,加速了PCM熱量的散失。

        圖9 增加PCM層后通用水冷模塊結(jié)構(gòu)圖

        Javani[14]等進一步的將液冷與PCM(十八烷)耦合使用,冷卻電池組,發(fā)現(xiàn)耦合后的冷卻效果比單獨液冷更好。如圖9,通用汽車專利[15]將原有水冷板-電池三明治結(jié)構(gòu)鋰離子電池模塊基礎(chǔ)上,增加多層膠囊化PCM層,實現(xiàn)PCM-水冷耦合冷卻。通用工程師認(rèn)為,增加的PCM層能起到熱容作用,從而降低電池組充放電循環(huán)中電池峰值溫度與高溫時間,并起到絕緣隔離作用。

        3.2基于熱管的耦合冷卻

        熱管雖然能快速的將熱量從電池導(dǎo)致熱管冷凝端,但熱量從熱管冷端向環(huán)境散發(fā)時速度較慢?;跓峁艿鸟詈侠鋮s一般將風(fēng)/液冷應(yīng)用在熱管冷凝端,從而加速冷端的散熱,及時帶走熱管吸收的熱量。

        如圖10,文獻[16]研究了風(fēng)冷冷卻熱管冷凝端的電池組耦合冷卻系統(tǒng),發(fā)現(xiàn)增加熱管數(shù)量和加裝散熱翅片均能降低電池組溫度,創(chuàng)造渦流結(jié)構(gòu)能減小電池間溫差。在這種耦合冷卻下,電池組電池8C放電仍保持正常溫度。

        上述結(jié)構(gòu)熱管與電池模塊外表面小面積接觸,換熱面積有限。如圖11,胡小峰[17]則將大量熱管貫穿模塊,布置于電池之間,增大了冷卻面積,并耦合風(fēng)冷對鋰離子動力電池模塊進行冷卻。冷卻風(fēng)不僅流經(jīng)在熱管冷凝端上的散熱片,還能直接通過電池模塊內(nèi)部布置的通道。因而電池-熱管-冷卻風(fēng)之間的換熱都大幅增強了。仿真結(jié)果表明,耦合冷卻下,電池組溫度基本控制在36℃附近,并基本無溫度梯度。

        圖10 風(fēng)冷對熱管冷凝端冷卻示意圖

        圖11 熱管風(fēng)冷耦合仿真圖:a 仿真三維模型;b 溫度場

        圖12 熱管風(fēng)冷耦合冷卻結(jié)構(gòu)(松下索尼專利)

        而文獻[18]的熱管-風(fēng)冷耦合結(jié)構(gòu)中(圖12),熱管則安裝于風(fēng)冷流道尾部高溫區(qū)域,起到調(diào)節(jié)風(fēng)冷電池組溫差的作用。

        除風(fēng)冷以外,熱管還可以與水冷、PCM冷卻等其它冷卻方式耦合。如圖13a,文獻[19]將熱管插入模塊兩兩電池之間,將電池?zé)崃繉?dǎo)向外側(cè)液冷管道,從而大大簡化了水冷流道復(fù)雜度。如圖13b,文獻[20]將PCM冷卻、熱管冷卻、風(fēng)冷三種冷卻方式取長補短,有機的結(jié)合在一起。首先,PCM直接填充于鋰離子電池與模塊外壁之間,直接吸收電池?zé)崃?。接著,熱管蒸發(fā)端(熱端)直接插入模塊底部PCM內(nèi),迅速吸收PCM熱量。最后,施加于外部翅片和模塊中心風(fēng)冷流道的冷卻風(fēng)將分別冷卻熱管冷凝端、PCM,以及電池。

        圖13 a熱管液冷耦合冷卻結(jié)構(gòu)圖與b PCM熱管風(fēng)冷耦合冷卻結(jié)構(gòu)圖

        4 結(jié)語

        鋰離子電池組冷卻技術(shù)能保證電池組在安全溫度范圍內(nèi)運行,是保障鋰離子電池成組后性能發(fā)揮與安全工作的關(guān)鍵技術(shù)。目前,風(fēng)冷與水冷應(yīng)用已十分成熟,但風(fēng)冷由于氣體傳熱固有劣勢,導(dǎo)致冷卻效果和溫差的控制難以滿足鋰離子電池大規(guī)模成組要求。而水冷技術(shù)冷卻效果優(yōu)異,但系統(tǒng)較為復(fù)雜,且對循環(huán)液驅(qū)動功率有較大需求。新型冷卻技術(shù)如PCM和熱管冷卻,雖然系統(tǒng)簡潔,但只能滿足工況溫和,模塊規(guī)模較小情況下的冷卻需求。而將PCM或熱管與風(fēng)冷或、液冷等主動冷卻方式耦合使用,一方面能發(fā)揮PCM、熱管冷卻的長處,大幅降低電池組溫差,另一方面能避開PCM、熱管冷卻的短處,即使在惡劣工況下,也能通過主動冷卻帶走PCM、熱管冷凝端的熱量。并且,對于風(fēng)冷或液冷系統(tǒng)而言,PCM、熱管的加入大幅簡化系統(tǒng)流道,不僅減低了冷卻系統(tǒng)所需能源,還增加了系統(tǒng)可靠性。因而耦合冷卻是解決鋰離子電池大規(guī)模成組后冷卻問題的一條重要技術(shù)路線,但相關(guān)研究工作還處在探索階段,進一步研究工作需大量開展。

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        Review on Cooling Technique for Li-ion Battery Pack

        Hu Qiwei,Li Wenbin,Wang Zhaocong
        (Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion,Wuhan 430064,China)

        Abstract:Lithium-ion batteries are well-suited for electric vehicles and marine electric propulsion.However,lithium-ion batteries have critical thermal issues when they are used in these fields.Lithium-ion battery cooling technique is the key technique to protect the lithium-ion battery pack from being overheated and enhance the performance and safety.The current lithium-ion battery cooling techniques include 4 parts,such as air cooling,liquid cooling,new cooling technique and combination cooling.The research progresses and the structural improvements of each cooling technique are reviewed.

        Keywords:Li-ion battery; battery pack; cooling technique

        作者簡介:胡棋威(1989-),男,碩士,助理工程師。研究方向:動力電池技術(shù)。

        收稿日期:2015-11-10

        中圖分類號:TM911.14

        文獻標(biāo)識碼:A

        文章編號:1003-4862(2016)02-0053-06

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