佟薇

摘要：本文研究針對使用浸沒冷卻系統(tǒng)對電動汽車動力電池進行熱管理的可行性。通過與空氣冷卻系統(tǒng)的對比，從降低電池組最高溫度、電池-電池最大溫差、降低電池組平均溫度等方面闡述了浸沒冷卻系統(tǒng)的優(yōu)勢。

Abstract： This paper investigated the feasibility of liquid immersion cooling of battery pack for electric vehicles. By comparing with air cooling system， the liquid cooling system showed better performance in terms of decreasing the maximum battery temperature， minimizing the temperature difference between cells， and lowering the average temperature of the battery pack.

關鍵詞：鋰離子電池;熱管理;浸沒冷卻;電動汽車

Key words： lithium-ion battery;thermal management;immersion cooling;electrical vehicle

中圖分類號：TM912.9? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?   ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）24-0204-02

0? 引言

鋰離子電池具有能量密度高、功率密度高、循環(huán)壽命長、自放電率低、允許工作溫度范圍寬等優(yōu)點，它已經(jīng)成為電動汽車的首選動力電池。鋰離子電池在充放電過程中會發(fā)生一系列包括鋰離子在正負電極間遷移的化學反應，從而產(chǎn)生熱量。在實際運行環(huán)境中，鋰離子電池一般會在大倍率放電情況下工作以滿足汽車的動力需求，這也增加了電池運行溫度。高溫運行及單體電池間的溫度不均勻性會加速電池老化，引發(fā)熱失控，是電動汽車安全性的巨大威脅[1]。

所以，有效的電池熱管理系統(tǒng)，將鋰離子電池控制在正常工作溫度，對提高電池性能和汽車安全至關重要。合理的鋰離子電池熱管理方案，一般要求電池組內各單體電池間溫度差不超過5℃，電池組保持在20-40℃的正常工作溫度[2]。浸沒冷卻通過冷卻工質液體直接與電池接觸進行對流換熱，將電池產(chǎn)生的熱量散走。浸沒冷卻具有比熱容大、換熱系數(shù)高、均溫性好等特點[3]。本文將利用數(shù)值模擬分析的手段，研究利用液體浸沒冷卻系統(tǒng)對電動汽車鋰離子電池進行熱管理的可行性。

1? 系統(tǒng)與方法描述

本文研究一列由10個單體18650三元鋰離子電池（LiNixCoyMnzO2）串聯(lián)的電池組。表1列出了單個電池的主要參數(shù)。電池-電池間距為2mm。電池組安裝在尺寸為248mm×90mm×24mm的浸沒冷卻腔中，電池組與上下壁面的距離分別為20mm和5mm，與個垂直壁面等距。冷卻工質進出口分別在浸沒冷卻腔的上下壁面。

在模擬中，電池發(fā)熱由電化學反應產(chǎn)生的不可逆熱（Qir）和可逆熱（Qre）兩部分組成[5]。其中不可逆熱可以表達為[6]：

I為電流（A），Re為由焦耳熱導致的熱阻（Ω）?？赡鏌峥梢员磉_為：

本文使用3M公司的工程液體Novec 7100作為冷卻工質。它是一種電介質流體，具有熱物性高、環(huán)保性能好、安全性高等優(yōu)點。表2列出了Novec 7100的主要參數(shù)。

2? 結果與討論

通過與相同雷諾數(shù)（Re）下空氣冷卻電池組的結果對比，說明浸沒冷卻在控制電池組最高溫度（Tmax），降低電池-電池間最大溫差（ΔTmax = Tmax-Tmin）及降低平均溫度（Tavg）的優(yōu)勢。雷諾數(shù)范圍為1000-2500，環(huán)境溫度為25℃。

如圖1顯示，以電池底部溫度分布為例，當1C倍率放電結束時，靠近流場出口的3個單體電池溫度最高，在空氣冷卻系統(tǒng)中，最高溫度為40℃，已經(jīng)到達鋰離子電池正常運行的最高溫度;而利用浸沒冷卻，最高溫度僅為32℃。

圖2進一步顯示了不同冷卻方式對電池組最高溫度的影響。電池組的最高溫度隨著雷諾數(shù)的增高而降低。如在空氣冷卻系統(tǒng)中，當雷諾數(shù)從1000提高到2500時，電池組的最高溫度從超過正常工作溫度的42.2℃降低到正常工作溫度范圍的37.5℃。但這需要更大的風機功率來滿足空氣的流速需求。而在浸沒冷卻系統(tǒng)中，在雷諾數(shù)為1000時，電池組的最高溫度也可以維持在33℃。當雷諾數(shù)為2500時，電池組的最高溫度可以降低到30.8℃。

圖3顯示了不同冷卻系統(tǒng)對電池組內電池間最高溫差的影響。如前文提到，合理的電池-電池間的溫差應控制在5℃以內。然后在空氣冷卻系統(tǒng)中，即使在最大的雷諾數(shù)下，電池-電池間的最大溫差也會達到8℃。而在浸沒冷卻系統(tǒng)中，雖然在最小的雷諾數(shù)下，最大溫差為6.1℃， 但最大溫差隨著雷諾數(shù)的增加而降低，當雷諾數(shù)為2500時，最大溫差可以控制在4.4℃。

圖4顯示了不同冷卻系統(tǒng)對電池組平均溫度的影響。在空氣冷卻系統(tǒng)中，平均溫度隨著雷諾數(shù)增加而降低，但要得到較低的電池溫度，需要較高的空氣流速。而浸沒系統(tǒng)可以在較低的流速下，就將電池組的平均溫度控制在30.5℃的較低水平。這說明浸沒系統(tǒng)可以在較低泵功率輸入情況下，帶走電池組中更多的熱量，使電池保持在正常的溫度。

3? 結論

本文對比了浸沒冷卻和空氣冷卻鋰離子電池組的散熱性能。通過比較電池組內電池的最高溫度、電池-電池間的最大溫差、電池組平均溫度說明了浸沒冷卻系統(tǒng)對冷卻鋰離子電池組的可行性與優(yōu)勢。

參考文獻：

[1]G. Xia， L. Gao， G. Bi， A review on battery thermal management in electric vehicle application， Journal of Power Sources 367 （2017） 90-105.

[2]T.M. Bandhauer， S. Garimella， T.F. Fuller， A critical review of thermal issues in lithium-ion batteries， Journal of The Electrochemical Society 158 （3） （2011） R1 - R25.

[3]L. Zhu， R.F. Boehm， Y. Wang， C. Halford， Y. Sun， Water immersion cooling of PV cells in a high concentration system， Solar Energy Materials and Solar Cells 95 （2） （2011） 538 - 545.

[4]J. E， M. Yue， J. Chen， H. Zhu， Y. Deng， Y. Zhu， F. Zhang， M. Wen， B. Zhang， S. Kang， Effects of the different air cooling strategies on cooling performance of a lithium-ion battery module with baffle， Applied Thermal Engineering 144 （2018） 231 - 241.

[5]C.R. Pals， Thermal modeling of the lithium/polymer battery， Journal of The Electrochemical Society 142 （1995） 3274 - 3281.

[6]S.Al Hallaj， R. Venkatachalapathy， J. Prakash， J.R. Selman， Entropy changes due to structural transformation in the graphite anode and phase change of the LiCoO2 cathode， Journal of The Electrochemical Society 147 （2000） 2432 - 2436.

[7]G. Karimi， X. Li， Thermal management of lithium-ion batteries for electric vehicles， International Journal of Energy Research 37 （2013）：13-24.