基于浸沒冷卻的鋰離子電池?zé)峁芾硇阅苎芯?/h1>
2022-04-26 09:15:14王國陽趙路遙孔慶紅張思雨陳明毅
電源技術(shù) 2022年4期
王國陽，趙路遙，孔慶紅，張思雨，陳明毅
(江蘇大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013)
自20 世紀(jì)末以來，環(huán)境污染和能源危機(jī)已經(jīng)成為兩個(gè)全球性的焦點(diǎn)問題[1]，發(fā)展新能源汽車是解決這些問題的一個(gè)有效的途徑。近年來，鋰離子電池廣泛應(yīng)用于純電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車上。然而，由于鋰離子電池自身的特點(diǎn)，其適宜的工作溫度范圍比較窄，最佳工作溫度在20～40 ℃之間[2]。同時(shí)，當(dāng)電池溫度持續(xù)升高且不能及時(shí)散熱時(shí)，一旦溫度超過臨界溫度就可能引發(fā)熱失控[3]。因此，鋰離子電池?zé)峁芾韺?duì)于汽車性能和安全都是至關(guān)重要的。
目前，電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)包括空氣冷卻系統(tǒng)、液體冷卻系統(tǒng)和相變材料冷卻系統(tǒng)等。由于液體擁有高導(dǎo)熱性和高比熱容,因此與其他冷卻策略相比，液冷是一種有效的冷卻方法[4]。液冷一般又分為直接液冷和間接液冷兩種方式，在間接液冷方面通常使用水、水和乙二醇混合物作為冷卻液，但由于其導(dǎo)電性而限制了其有效性[5]。與間接液冷相比，直接液冷通常使用冷卻液介質(zhì)有效降低電池的熱量，具有體積更小、冷卻速度更快的優(yōu)點(diǎn)[6]。目前，浸沒冷卻技術(shù)已成功應(yīng)用于冷卻數(shù)據(jù)中心服務(wù)器和電力電子設(shè)備。Endo Toshio 等建立了最先進(jìn)的超級(jí)計(jì)算機(jī)原型，并采用了油浸冷卻，測(cè)試發(fā)現(xiàn)與風(fēng)冷同類產(chǎn)品相比，總功耗降低了29%[7]。近年來，浸沒冷卻也逐漸應(yīng)用于鋰離子電池?zé)峁芾?，Chen 比較了空氣冷卻、直接油冷卻和間接水/乙二醇冷卻。研究發(fā)現(xiàn)，即使采取低流量直接油冷仍比空氣冷卻具有更高的散熱效率[8]。佟薇采用氟化液Novec 7100 作為冷卻液對(duì)18650 型鋰離子電池進(jìn)行浸沒冷卻，模擬結(jié)果表明電池組的最高溫度可以降低至30.8 ℃[9]。羅玉濤等采用變壓器油作為冷卻液對(duì)鋰電池進(jìn)行直接液冷，通過模擬發(fā)現(xiàn)在優(yōu)化流道結(jié)構(gòu)后可將電池組最高溫度控制在34.2 ℃[10]。本文選取了硅油、白油以及變壓器油作為絕緣冷卻液，開展了鋰離子電池浸沒冷卻的相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)不同工況下的18650 型鋰離子電池的溫升情況、表面溫度均勻性及電學(xué)性能進(jìn)行了對(duì)比分析。
1 實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)方法
本實(shí)驗(yàn)采用的電池為日本松下18650 型鋰離子電池,所采用的硅油為西亞試劑公司生產(chǎn)的甲基硅油，白油、變壓器油為天成美加公司生產(chǎn)的15#白油及25#變壓器油，其導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.226 5、0.288 7、0.284 5 W/(m·K)。
圖1 為鋰離子電池1C、2C充放電采用的設(shè)備，分別為新威公司生產(chǎn)的型號(hào)為CT-ZWJ-4S-1-1U 和型號(hào)為CT-4008-10V20A-NTFA 的電池檢測(cè)系統(tǒng)，溫度數(shù)據(jù)分別由美國國家儀器(NI)生產(chǎn)的溫度采集卡進(jìn)行記錄。所采用的熱電偶均為億佳公司生產(chǎn)的K 型鎧裝熱電偶WRNK-191，測(cè)溫范圍為0～1 100 ℃，溫度測(cè)量精度均為0.1 ℃。實(shí)驗(yàn)所用的浸沒容器為1 000 mL 標(biāo)準(zhǔn)燒杯，電池水平放置于燒杯的底部中央。熱電偶的位置是固定的，1 號(hào)、2 號(hào)、3 號(hào)熱電偶的探針位置分別位于電池距正極3.3 cm、距正極1 cm、距負(fù)極1 cm 的位置。
圖1 實(shí)驗(yàn)流程示意圖
本實(shí)驗(yàn)分別在空氣、硅油、白油及變壓器油中進(jìn)行對(duì)比研究，冷卻液的用量均為170 mL(完全浸沒)。實(shí)驗(yàn)在紙箱(長(zhǎng)×寬×高，36 cm×25 cm×22 cm)中進(jìn)行，室溫為20 ℃，具體的實(shí)驗(yàn)工況見表1。
表1 鋰電池1 C、2 C 充放電實(shí)驗(yàn)工況
2 結(jié)果和討論
2.1 浸沒冷卻下18650型鋰離子電池溫升分析
鋰電池在充放電過程中，其內(nèi)部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生熱量，熱量從內(nèi)部傳播到表面，表現(xiàn)為電池表面溫度升高。圖2分別顯示了電池在1C、2C充放電過程中表現(xiàn)出的溫升變化趨勢(shì)及不同冷卻液浸沒冷卻效果的對(duì)比。從圖2 中可以看出：在空氣中1C充放電狀態(tài)下的鋰電池表面溫度從20 ℃升至43.1 ℃，在硅油、白油及變壓器油中電池最高溫度分別為33.8、31.6、31.2 ℃。浸沒冷卻狀態(tài)下的鋰電池溫度大幅下降，且處于合理的工作溫度區(qū)間。在硅油、白油及變壓器油中浸沒狀態(tài)下的鋰電池溫度分別下降了9.3、11.5、11.9 ℃，降幅分別為21.6%、26.7%、27.6%。溫度降幅的差異性主要是由三種冷卻液的導(dǎo)熱系數(shù)不同導(dǎo)致的。結(jié)果表明，在1C充放電工況下，硅油、白油和變壓器油均能有效降低鋰電池的表面溫度，其中白油和變壓器油兩種礦物油的降溫效果最好，硅油的降溫效果一般。
圖2 浸沒冷卻溫升對(duì)比圖
從圖2 中可以看出，在空氣中2C充放電狀態(tài)下的鋰電池最高溫度可達(dá)到68 ℃，這個(gè)溫度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出鋰電池的合理工作溫度區(qū)間。高倍率放電工況下，放電電流較大，鋰電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)速度加快，內(nèi)部產(chǎn)生大量熱量，導(dǎo)致熱量累積及溫度快速升高，且放電倍率越高，溫度升高越快，溫度峰值越大。結(jié)果表明，浸沒冷卻對(duì)高倍率充放電下鋰離子電池的溫度進(jìn)行了有效控制。在硅油、白油及變壓器油中電池最高溫度分別可達(dá)47.1、39.1 和38.8 ℃，降溫分別為20.9、28.9、29.2 ℃，降幅分別為30.7%、42.5%、42.9%。2C工況下不同冷卻液降溫效果差異性體現(xiàn)更為明顯，高導(dǎo)熱系數(shù)的白油和變壓器油更適合鋰電池的浸沒冷卻。
2.2 浸沒冷卻下18650 型鋰離子電池表面溫度均勻性分析
鋰離子電池在不同位置的表面溫度差異也對(duì)鋰電池的安全性起到十分重要的作用。隨著充放電倍率的提高和持續(xù)時(shí)間的延長(zhǎng)，單個(gè)鋰電池表面溫度不均勻性也會(huì)隨之逐漸升高。這會(huì)引起電池性能的下降，嚴(yán)重的將導(dǎo)致熱失控的發(fā)生。本實(shí)驗(yàn)的表面溫度均勻性分析過程中采取了中間與兩側(cè)極耳處的溫差來表示電池的表面溫度均勻性情況，進(jìn)而探討在不同浸沒情況下的冷卻效果。
圖3 表明，在空氣中電池1C充放電工況下中間與負(fù)極、中間與正極的最大溫差分別為1.4 和2.3 ℃。在中間和負(fù)極的最大溫差方面，硅油、白油及變壓器油浸沒冷卻可以將其縮小到0.4、0.4、0.2 ℃，溫差分別減少了1、1、1.2 ℃。在中間和正極的最大溫差方面，硅油、白油及變壓器油浸沒冷卻，可將其分別縮小為0.7、0.7、0.8 ℃，溫差分別減少了1.6、1.6、1.5 ℃。結(jié)果表明，在1C充放電情況下，鋰離子電池的產(chǎn)熱較小，此時(shí)在三種冷卻液中均有良好的散熱效果，鋰電池的表面溫度均勻性能保持1 ℃以內(nèi)的溫差。從圖3 中可以看出在空氣中電池2C充放電工況下中間與負(fù)極、中間與正極的最大溫差分別為2.4 和2.9 ℃。在中間和負(fù)極的溫差方面，硅油、白油及變壓器油浸沒冷卻可以將最大溫差縮小到2.4、1.5、1.6 ℃，溫差分別減少了0、0.9、0.8 ℃。在中間和正極的溫差方面，硅油、白油及變壓器油浸沒冷卻可將溫差分別縮小為2、1.1、0.8 ℃，溫差分別減少了0.9、1.8、2.1 ℃。說明在2C充放電工況下，鋰電池的產(chǎn)熱迅速升高，從而導(dǎo)致鋰電池的表面溫度也出現(xiàn)了極大的不平衡。相對(duì)于1C充放電，在2C工況下，中間與負(fù)極的最大溫差增大了1 ℃，中間與正極的最大溫差增大了0.6 ℃。在浸沒冷卻介質(zhì)方面，硅油冷卻效果一般，白油和變壓器油能將中間與正極溫差值及中間與負(fù)極的溫差值控制在2 ℃以內(nèi)，能夠有效控制鋰電池表面溫度均勻性。
圖3 鋰電池表面溫差圖
2.3 浸沒冷卻對(duì)18650 型鋰離子電池的電學(xué)性能影響分析
浸沒冷卻對(duì)鋰電池產(chǎn)生的影響除了溫度的降低以外，在電學(xué)性能方面也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的影響。圖4 分別顯示了在1C和2C充放電工況下，鋰電池在電流、電壓方面的變化情況。通過圖4 發(fā)現(xiàn)，空氣中電池的放電時(shí)間較長(zhǎng)，在硅油、白油及變壓器油中，電池的放電時(shí)間依次縮短。在充放電過程中的恒流階段會(huì)有相應(yīng)的時(shí)間縮短現(xiàn)象，這是因?yàn)樵诤懔鳁l件下鋰離子的總通量大致相同，在較低溫度環(huán)境下，需要更高的濃度梯度來克服較慢的擴(kuò)散率以滿足所需的通量。濃度梯度越大，電極過電位越高，電極利用率不均勻，導(dǎo)致在較低溫度下工作時(shí)更快達(dá)到截止電壓。通過電壓變化趨勢(shì)可以進(jìn)一步驗(yàn)證對(duì)鋰電池充放電時(shí)間不同的解釋。在恒流放電開始以后電壓同時(shí)從3.8 V 開始下降，在變壓器油、白油、硅油及空氣三種狀態(tài)下的鋰電池先后達(dá)到截止電壓。這種現(xiàn)象在2C充放電工況下更為明顯。通過表2 對(duì)容量的統(tǒng)計(jì)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，在硅油、白油及變壓器油中電池的容量是逐漸下降的。硅油、白油、變壓器油浸沒冷卻在1C充放電工況下平均充放電總?cè)萘肯陆捣謩e為181.25、238.5、237.25 mAh，容量降幅分別為5.76%、7.58%、7.54%。在2C充放電工況下，平均放電容量下降分別為593、1 038.75、1 174.5 mAh，容量降幅分別為19.69%、34.49%、38.99%。單體18650 鋰電池充放電容量受浸沒冷卻影響較大，主要是因?yàn)闇囟鹊慕档蛯?dǎo)致了鋰電池充放電時(shí)間的縮短。浸沒冷卻對(duì)鋰電池容量的影響主要體現(xiàn)在恒流放電和恒流充電階段，在這兩個(gè)階段中，容量與電流呈正相關(guān)的關(guān)系，隨著恒流充放電時(shí)間的縮短，充放電容量也會(huì)逐漸減小，這與圖4 中的電流和電壓數(shù)據(jù)一致。
圖4 18650型鋰離子電池充放電電學(xué)性能對(duì)比圖
表2 鋰電池在不同浸沒介質(zhì)中的充放電容量變化 mAh
3 結(jié)論
直接液冷是冷卻效果十分明顯的鋰離子電池?zé)峁芾矸绞?，其中利用絕緣油來進(jìn)行浸沒冷卻具有經(jīng)濟(jì)、方便、有效的優(yōu)點(diǎn)，本實(shí)驗(yàn)選取三種絕緣油來進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，得出以下結(jié)論：
(1)在浸沒冷卻中不同充放電倍率情況下，不同的絕緣油有不同的冷卻效果，其中在2C充放電倍率下，鋰離子電池在空氣中溫度可達(dá)68 ℃，變壓器油可使電池表面溫度下降至38.8 ℃，表現(xiàn)出極好的冷卻效果;
(2)在1C與2C充放電情況下，電池表面最大溫差分別為2.3 和2.9 ℃。在2C充放電工況下，白油與變壓器油可以將表面溫度差控制在2 ℃以內(nèi)，硅油在表面溫度均勻性的表現(xiàn)不及白油與變壓器油;
(3)隨著冷卻效果的提升，電池更快達(dá)到充放電截止條件，使充放電的時(shí)間相應(yīng)縮短，導(dǎo)致鋰電池充放電總?cè)萘侩S著恒流充放電時(shí)間的縮短相應(yīng)減少。這種現(xiàn)象在高倍率充放電工況下更為明顯;
(4)硅油較低的導(dǎo)熱系數(shù)限制了其作為導(dǎo)熱油的有效性。變壓器油和白油在高溫情況下具有更好的冷卻效果，但是降溫會(huì)帶來電池充放電總?cè)萘肯陆档膯栴}。
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目前，電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)包括空氣冷卻系統(tǒng)、液體冷卻系統(tǒng)和相變材料冷卻系統(tǒng)等。由于液體擁有高導(dǎo)熱性和高比熱容,因此與其他冷卻策略相比，液冷是一種有效的冷卻方法[4]。液冷一般又分為直接液冷和間接液冷兩種方式，在間接液冷方面通常使用水、水和乙二醇混合物作為冷卻液，但由于其導(dǎo)電性而限制了其有效性[5]。與間接液冷相比，直接液冷通常使用冷卻液介質(zhì)有效降低電池的熱量，具有體積更小、冷卻速度更快的優(yōu)點(diǎn)[6]。目前，浸沒冷卻技術(shù)已成功應(yīng)用于冷卻數(shù)據(jù)中心服務(wù)器和電力電子設(shè)備。Endo Toshio 等建立了最先進(jìn)的超級(jí)計(jì)算機(jī)原型，并采用了油浸冷卻，測(cè)試發(fā)現(xiàn)與風(fēng)冷同類產(chǎn)品相比，總功耗降低了29%[7]。近年來，浸沒冷卻也逐漸應(yīng)用于鋰離子電池?zé)峁芾?，Chen 比較了空氣冷卻、直接油冷卻和間接水/乙二醇冷卻。研究發(fā)現(xiàn)，即使采取低流量直接油冷仍比空氣冷卻具有更高的散熱效率[8]。佟薇采用氟化液Novec 7100 作為冷卻液對(duì)18650 型鋰離子電池進(jìn)行浸沒冷卻，模擬結(jié)果表明電池組的最高溫度可以降低至30.8 ℃[9]。羅玉濤等采用變壓器油作為冷卻液對(duì)鋰電池進(jìn)行直接液冷，通過模擬發(fā)現(xiàn)在優(yōu)化流道結(jié)構(gòu)后可將電池組最高溫度控制在34.2 ℃[10]。本文選取了硅油、白油以及變壓器油作為絕緣冷卻液，開展了鋰離子電池浸沒冷卻的相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)不同工況下的18650 型鋰離子電池的溫升情況、表面溫度均勻性及電學(xué)性能進(jìn)行了對(duì)比分析。
1 實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)方法
本實(shí)驗(yàn)采用的電池為日本松下18650 型鋰離子電池,所采用的硅油為西亞試劑公司生產(chǎn)的甲基硅油，白油、變壓器油為天成美加公司生產(chǎn)的15#白油及25#變壓器油，其導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.226 5、0.288 7、0.284 5 W/(m·K)。
圖1 為鋰離子電池1C、2C充放電采用的設(shè)備，分別為新威公司生產(chǎn)的型號(hào)為CT-ZWJ-4S-1-1U 和型號(hào)為CT-4008-10V20A-NTFA 的電池檢測(cè)系統(tǒng)，溫度數(shù)據(jù)分別由美國國家儀器(NI)生產(chǎn)的溫度采集卡進(jìn)行記錄。所采用的熱電偶均為億佳公司生產(chǎn)的K 型鎧裝熱電偶WRNK-191，測(cè)溫范圍為0～1 100 ℃，溫度測(cè)量精度均為0.1 ℃。實(shí)驗(yàn)所用的浸沒容器為1 000 mL 標(biāo)準(zhǔn)燒杯，電池水平放置于燒杯的底部中央。熱電偶的位置是固定的，1 號(hào)、2 號(hào)、3 號(hào)熱電偶的探針位置分別位于電池距正極3.3 cm、距正極1 cm、距負(fù)極1 cm 的位置。
圖1 實(shí)驗(yàn)流程示意圖
本實(shí)驗(yàn)分別在空氣、硅油、白油及變壓器油中進(jìn)行對(duì)比研究，冷卻液的用量均為170 mL(完全浸沒)。實(shí)驗(yàn)在紙箱(長(zhǎng)×寬×高，36 cm×25 cm×22 cm)中進(jìn)行，室溫為20 ℃，具體的實(shí)驗(yàn)工況見表1。
表1 鋰電池1 C、2 C 充放電實(shí)驗(yàn)工況
2 結(jié)果和討論
2.1 浸沒冷卻下18650型鋰離子電池溫升分析
鋰電池在充放電過程中，其內(nèi)部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生熱量，熱量從內(nèi)部傳播到表面，表現(xiàn)為電池表面溫度升高。圖2分別顯示了電池在1C、2C充放電過程中表現(xiàn)出的溫升變化趨勢(shì)及不同冷卻液浸沒冷卻效果的對(duì)比。從圖2 中可以看出：在空氣中1C充放電狀態(tài)下的鋰電池表面溫度從20 ℃升至43.1 ℃，在硅油、白油及變壓器油中電池最高溫度分別為33.8、31.6、31.2 ℃。浸沒冷卻狀態(tài)下的鋰電池溫度大幅下降，且處于合理的工作溫度區(qū)間。在硅油、白油及變壓器油中浸沒狀態(tài)下的鋰電池溫度分別下降了9.3、11.5、11.9 ℃，降幅分別為21.6%、26.7%、27.6%。溫度降幅的差異性主要是由三種冷卻液的導(dǎo)熱系數(shù)不同導(dǎo)致的。結(jié)果表明，在1C充放電工況下，硅油、白油和變壓器油均能有效降低鋰電池的表面溫度，其中白油和變壓器油兩種礦物油的降溫效果最好，硅油的降溫效果一般。
圖2 浸沒冷卻溫升對(duì)比圖
從圖2 中可以看出，在空氣中2C充放電狀態(tài)下的鋰電池最高溫度可達(dá)到68 ℃，這個(gè)溫度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出鋰電池的合理工作溫度區(qū)間。高倍率放電工況下，放電電流較大，鋰電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)速度加快，內(nèi)部產(chǎn)生大量熱量，導(dǎo)致熱量累積及溫度快速升高，且放電倍率越高，溫度升高越快，溫度峰值越大。結(jié)果表明，浸沒冷卻對(duì)高倍率充放電下鋰離子電池的溫度進(jìn)行了有效控制。在硅油、白油及變壓器油中電池最高溫度分別可達(dá)47.1、39.1 和38.8 ℃，降溫分別為20.9、28.9、29.2 ℃，降幅分別為30.7%、42.5%、42.9%。2C工況下不同冷卻液降溫效果差異性體現(xiàn)更為明顯，高導(dǎo)熱系數(shù)的白油和變壓器油更適合鋰電池的浸沒冷卻。
2.2 浸沒冷卻下18650 型鋰離子電池表面溫度均勻性分析
鋰離子電池在不同位置的表面溫度差異也對(duì)鋰電池的安全性起到十分重要的作用。隨著充放電倍率的提高和持續(xù)時(shí)間的延長(zhǎng)，單個(gè)鋰電池表面溫度不均勻性也會(huì)隨之逐漸升高。這會(huì)引起電池性能的下降，嚴(yán)重的將導(dǎo)致熱失控的發(fā)生。本實(shí)驗(yàn)的表面溫度均勻性分析過程中采取了中間與兩側(cè)極耳處的溫差來表示電池的表面溫度均勻性情況，進(jìn)而探討在不同浸沒情況下的冷卻效果。
圖3 表明，在空氣中電池1C充放電工況下中間與負(fù)極、中間與正極的最大溫差分別為1.4 和2.3 ℃。在中間和負(fù)極的最大溫差方面，硅油、白油及變壓器油浸沒冷卻可以將其縮小到0.4、0.4、0.2 ℃，溫差分別減少了1、1、1.2 ℃。在中間和正極的最大溫差方面，硅油、白油及變壓器油浸沒冷卻，可將其分別縮小為0.7、0.7、0.8 ℃，溫差分別減少了1.6、1.6、1.5 ℃。結(jié)果表明，在1C充放電情況下，鋰離子電池的產(chǎn)熱較小，此時(shí)在三種冷卻液中均有良好的散熱效果，鋰電池的表面溫度均勻性能保持1 ℃以內(nèi)的溫差。從圖3 中可以看出在空氣中電池2C充放電工況下中間與負(fù)極、中間與正極的最大溫差分別為2.4 和2.9 ℃。在中間和負(fù)極的溫差方面，硅油、白油及變壓器油浸沒冷卻可以將最大溫差縮小到2.4、1.5、1.6 ℃，溫差分別減少了0、0.9、0.8 ℃。在中間和正極的溫差方面，硅油、白油及變壓器油浸沒冷卻可將溫差分別縮小為2、1.1、0.8 ℃，溫差分別減少了0.9、1.8、2.1 ℃。說明在2C充放電工況下，鋰電池的產(chǎn)熱迅速升高，從而導(dǎo)致鋰電池的表面溫度也出現(xiàn)了極大的不平衡。相對(duì)于1C充放電，在2C工況下，中間與負(fù)極的最大溫差增大了1 ℃，中間與正極的最大溫差增大了0.6 ℃。在浸沒冷卻介質(zhì)方面，硅油冷卻效果一般，白油和變壓器油能將中間與正極溫差值及中間與負(fù)極的溫差值控制在2 ℃以內(nèi)，能夠有效控制鋰電池表面溫度均勻性。
圖3 鋰電池表面溫差圖
2.3 浸沒冷卻對(duì)18650 型鋰離子電池的電學(xué)性能影響分析
浸沒冷卻對(duì)鋰電池產(chǎn)生的影響除了溫度的降低以外，在電學(xué)性能方面也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的影響。圖4 分別顯示了在1C和2C充放電工況下，鋰電池在電流、電壓方面的變化情況。通過圖4 發(fā)現(xiàn)，空氣中電池的放電時(shí)間較長(zhǎng)，在硅油、白油及變壓器油中，電池的放電時(shí)間依次縮短。在充放電過程中的恒流階段會(huì)有相應(yīng)的時(shí)間縮短現(xiàn)象，這是因?yàn)樵诤懔鳁l件下鋰離子的總通量大致相同，在較低溫度環(huán)境下，需要更高的濃度梯度來克服較慢的擴(kuò)散率以滿足所需的通量。濃度梯度越大，電極過電位越高，電極利用率不均勻，導(dǎo)致在較低溫度下工作時(shí)更快達(dá)到截止電壓。通過電壓變化趨勢(shì)可以進(jìn)一步驗(yàn)證對(duì)鋰電池充放電時(shí)間不同的解釋。在恒流放電開始以后電壓同時(shí)從3.8 V 開始下降，在變壓器油、白油、硅油及空氣三種狀態(tài)下的鋰電池先后達(dá)到截止電壓。這種現(xiàn)象在2C充放電工況下更為明顯。通過表2 對(duì)容量的統(tǒng)計(jì)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，在硅油、白油及變壓器油中電池的容量是逐漸下降的。硅油、白油、變壓器油浸沒冷卻在1C充放電工況下平均充放電總?cè)萘肯陆捣謩e為181.25、238.5、237.25 mAh，容量降幅分別為5.76%、7.58%、7.54%。在2C充放電工況下，平均放電容量下降分別為593、1 038.75、1 174.5 mAh，容量降幅分別為19.69%、34.49%、38.99%。單體18650 鋰電池充放電容量受浸沒冷卻影響較大，主要是因?yàn)闇囟鹊慕档蛯?dǎo)致了鋰電池充放電時(shí)間的縮短。浸沒冷卻對(duì)鋰電池容量的影響主要體現(xiàn)在恒流放電和恒流充電階段，在這兩個(gè)階段中，容量與電流呈正相關(guān)的關(guān)系，隨著恒流充放電時(shí)間的縮短，充放電容量也會(huì)逐漸減小，這與圖4 中的電流和電壓數(shù)據(jù)一致。
圖4 18650型鋰離子電池充放電電學(xué)性能對(duì)比圖
表2 鋰電池在不同浸沒介質(zhì)中的充放電容量變化 mAh
3 結(jié)論
直接液冷是冷卻效果十分明顯的鋰離子電池?zé)峁芾矸绞?，其中利用絕緣油來進(jìn)行浸沒冷卻具有經(jīng)濟(jì)、方便、有效的優(yōu)點(diǎn)，本實(shí)驗(yàn)選取三種絕緣油來進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，得出以下結(jié)論：
(1)在浸沒冷卻中不同充放電倍率情況下，不同的絕緣油有不同的冷卻效果，其中在2C充放電倍率下，鋰離子電池在空氣中溫度可達(dá)68 ℃，變壓器油可使電池表面溫度下降至38.8 ℃，表現(xiàn)出極好的冷卻效果;
(2)在1C與2C充放電情況下，電池表面最大溫差分別為2.3 和2.9 ℃。在2C充放電工況下，白油與變壓器油可以將表面溫度差控制在2 ℃以內(nèi)，硅油在表面溫度均勻性的表現(xiàn)不及白油與變壓器油;
(3)隨著冷卻效果的提升，電池更快達(dá)到充放電截止條件，使充放電的時(shí)間相應(yīng)縮短，導(dǎo)致鋰電池充放電總?cè)萘侩S著恒流充放電時(shí)間的縮短相應(yīng)減少。這種現(xiàn)象在高倍率充放電工況下更為明顯;
(4)硅油較低的導(dǎo)熱系數(shù)限制了其作為導(dǎo)熱油的有效性。變壓器油和白油在高溫情況下具有更好的冷卻效果，但是降溫會(huì)帶來電池充放電總?cè)萘肯陆档膯栴}。
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