秦啟斌

（廣西汽車集團有限公司，廣西 柳州545007）

0 引言

全球過量的碳排放已嚴重危害著人類的生存環(huán)境，中國作為負責任的大國，在2020年9月就明確提出了“雙碳”戰(zhàn)略目標，力爭2030年前實現(xiàn)碳達峰，2060年前實現(xiàn)碳中和。大力推廣新能源汽車，逐步降低傳統(tǒng)燃油汽車在新車產(chǎn)銷量和汽車保有量中的占比，從而減少二氧化碳排放量，是實現(xiàn)“雙碳”目標的重要舉措之一，這對我國新能源汽車特別是電動汽車的發(fā)展提出了更高的要求。動力電池作為新能源汽車的主要動力源之一，其性能與安全狀況直接決定了新能源汽車的性能與安全性。如果電池溫度得不到有效控制，電池內(nèi)部會發(fā)生一系列化學反應，熱量持續(xù)累積，最終會導致電池發(fā)生熱失控，甚至引燃整輛汽車[1]。研究電池熱管理系統(tǒng)，可以有效控制電池溫度，避免熱失控現(xiàn)象的發(fā)生[2]。

近年來，對鋰電池液冷的研究受到了國內(nèi)外學者的廣泛關注，并得到了一系列重要的研究結論。Jarrett等[3]人對一種蛇形通道冷卻板進行了參數(shù)化建模，并使用計算流體動力學(CFD）對其特性進行了優(yōu)化，優(yōu)化結果表明，設計結構可滿足壓力和平均溫度目標。為了研究冷卻液溫度對鋰電池電、熱學性能的影響，Malik等[4]人通過液冷循環(huán)驅(qū)動實驗對鋰電池組進行了測試，結果表明電池組的升溫速率隨鋰電池放電倍率的增加而增加。為了研究散熱器結構對鋰電池性能影響，Liu等[5]人提出了一種用于鋰離子電池熱管理的新型樹狀微通道散熱器，并通過遺傳算法對散熱器進行結構優(yōu)化，研究表明，隨著斜通道入口寬度和角度的減小，樹狀微通道散熱器的傳熱能力隨著壓降的增大而逐漸提高。Zhen等[6]提出了一種基于微通道冷板的冷卻方法，建立了3D數(shù)值模型，分析了通道數(shù)、通道寬度、入口流量和流向?qū)﹄姵亟M熱性能的影響，結果表明，微通道冷板在放電時提供了良好的制冷效果。

本研究采用的實驗方法測試和分析了不同放電倍率、不同環(huán)境溫度、不同冷卻液流量和溫度對鋰電池模組表面溫度和溫差的影響情況，本研究成果可為鋰電池冷卻液的實際應用提供試驗數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗條件與方法

1.1 試驗條件

實驗基于熱管理實驗平臺展開，實驗主要的設備儀器包括：計算機、數(shù)據(jù)采集模塊、高低溫循環(huán)試驗箱、電池充放電設備、恒溫水箱、熱電偶等。

所研究的鋰電池模組的標稱電壓為8.4 V，標稱容量為12AH。選擇蛇形設計結構的液冷板，此類型液冷板具有結構簡單，散熱能力強等優(yōu)點，將50%水-50%乙二醇混合液作為冷卻液。將鋰電池置于液冷板中心位置，液冷板進出口連接有溫度傳感器和壓力傳感器，用來實時監(jiān)測冷卻液狀態(tài)。將用于測量溫度的K型貼片式溫度傳感器與多通道熱電偶輸入模塊連接，該模塊與計算機連接，并由計算機中的充放電測試軟件進行控制和操作。由于電池組不同部位產(chǎn)生的熱量不同，在本實驗中，在電池的正極、負極和側面分別布置了六個精度＜1.0℃的K型熱電偶，使其測溫范圍盡可能覆蓋整個鋰電池表面。

1.2 試驗方法

研究在30℃環(huán)境溫度、無冷卻液狀態(tài)下，不同放電倍率對電池溫度的影響。

（1）將鋰電池模組放入高低溫試驗箱中，調(diào)節(jié)箱內(nèi)溫度為30℃，擱置30 min。

待鋰電池模組溫度穩(wěn)定后，以0.5C倍率進行恒流充電，當充電時間達到120 min或電池電壓大于8.4 V時，自動跳轉(zhuǎn)下一步。

（2）擱置30 min，使電池溫度降至恒溫箱溫度；

（3）待電池模組溫度穩(wěn)定后，以1C倍率進行恒流放電。當放電時間為60 min或電池電壓小于5.2 V時，自動跳轉(zhuǎn)下一步，同時記錄鋰電池放電過程各測點的溫度變化。

（4）擱置30 min，結束。

分別將步驟（3）的恒流放電電流變?yōu)?C、3C，并且調(diào)整相對應的放電時間為30 min、20 min，放電截止電壓仍為5.2 V，重復步驟（2）（3），獲得環(huán)境溫度為30℃時鋰電池不同放電倍率下各測點溫升情況。

此后依次改變環(huán)境溫度、冷卻液流量和溫度，重復上述步驟。

2 試驗結果分析

通過實驗研究了4種工況下，鋰電池模組表面溫度變化狀況：（1）環(huán)境溫度30℃和無冷卻液狀態(tài)時，不同放電倍率；（2）環(huán)境溫度30℃時，不同冷卻液流量和放電倍率；（3）環(huán)境溫度10℃時，不同冷卻液流量和放電倍率；（4）環(huán)境溫度30℃和冷卻液流量5 L/min時，不同放電倍率和冷卻液溫度。

圖1展示了鋰電池模組在環(huán)境溫度30℃和無冷卻液狀態(tài)下，不同放電倍率時的表面最大溫度情況。鋰電池模組最佳工作溫度范圍為20℃～45℃，由圖1可以看出，當鋰電池模組以3C倍率進行放電時，最高表面溫度達到了55℃，超出鋰電池模組的最高安全溫度（45℃），存在一定的安全隱患；當鋰電池模組以1C、2C放電倍率進行放電時，表面溫度并未超出最佳工作溫度范圍，可以認為鋰電池在低倍率放電情況下能夠保持一個正常的工作狀態(tài)。

圖1 環(huán)境溫度30℃和無冷卻液下，不同放電倍率時鋰電池模組的表面最大溫度

圖2所示為鋰電池模組在環(huán)境溫度30℃和無冷卻液狀態(tài)下，不同放電倍率時的表面最大溫差情況。鋰電池模組工作時最佳表面溫差應小于5℃。實驗表明，當鋰電池模組以3C倍率進行放電時，表面溫差接近5℃，可以認為此時鋰電池工作狀態(tài)并不穩(wěn)定；當鋰電池模組以1C、2C放電時，溫差波動較小，可以認為此時鋰電池模組處在一個穩(wěn)定的工作狀態(tài)。

圖2 環(huán)境溫度30℃和無冷卻液下，不同放電倍率時鋰電池模組的表面最大溫差

圖3所示為環(huán)境溫度30℃時，鋰電池在不同冷卻液流量、不同放電倍率下的表面最大溫度情況。從圖3可以看出，在同樣放電倍率的條件下，較大流量的冷卻液（3.33 L/min、5 L/min）比小流量（1.65 L/min）的冷卻液擁有更好的冷卻效果。在相同冷卻液流量的情況下，鋰電池模組在高放電倍率下的最大溫度更大。進一步地，在2C放電倍率下，冷卻液流量在3.33 L/min和5 L/min時的冷卻效果要明顯優(yōu)于1.65 L/min，但冷卻液流量在3.33 L/min與5 L/min時鋰電池模組表面溫度卻無明顯差距，可以認為在3.33L/min時冷卻液流量已經(jīng)接近液冷板能夠通過的最大流量，因此當流量繼續(xù)增大時，鋰電池模組表面溫度沒有明顯改善。當環(huán)境溫度為30℃、冷卻液流量較小時，在高倍率放電情況下（3C放電）鋰電池模組表面最高溫度甚至高于無冷卻液時（圖1），這種現(xiàn)象表明，高倍率放電時，需要較大的冷卻液流量才能及時散熱，有效控制鋰電池模組表面溫度。

圖4表明，在較低的環(huán)境溫度下（10℃），鋰電池模組的散熱情況明顯好轉(zhuǎn)。

圖3 環(huán)境溫度30℃下，不同冷卻液流量和放電倍率時鋰電池模組的表面最大溫度

圖4 環(huán)境溫度10℃下，不同冷卻液流量和放電倍率時鋰電池模組的表面最大溫度

圖5所示為環(huán)境溫度30℃時，不同冷卻液流量和放電倍率下的鋰電池模組表面最大溫差情況。由圖可以看出，環(huán)境溫度30℃下，即使在3C放電倍率情況下，電池溫差仍小于5℃，并未超過最大安全溫差（5℃）。在相同冷卻液流量工況下，隨著鋰電池模組放電倍率的增大，其表面溫差變大。在1C放電倍率和1.65 L/min流量工況下，最大溫差約為1.1℃，此溫差滿足鋰電池熱管理的設計要求，但隨著流量的進一步增大，鋰電池模組的表面溫差并無明顯改善。

圖5 環(huán)境溫度30℃下，不同冷卻液流量和放電倍率時鋰電池模組的表面最大溫差

本研究還通過實驗測試了鋰電池在30℃環(huán)境溫度、5 L/min冷卻液流量時，不同放電倍率下，分別使用不同冷卻液溫度（10℃、20℃、30℃）進行循環(huán)散熱，鋰電池模組的表面最大溫度如圖6所示。

圖6 環(huán)境溫度30℃和流量5L/min下，不同冷卻液溫度和放電倍率時鋰電池模組的表面最大溫度

實驗表明，在1C放電倍率下，溫度的變化趨勢最穩(wěn)定。以3C放電倍率為例，由圖可以看出，環(huán)境溫度30℃，冷卻液10℃、20℃、30℃所對應的鋰電池表面最高溫度接近46℃、48℃、53℃，而圖1中，未添加冷卻液時的溫度為55℃，超過了鋰電池的最佳工作范圍，可見在高倍率放電下若不使用低溫的冷卻液，液冷的效果便無法滿足冷卻要求。

測試結果表明，在同一環(huán)境溫度下，鋰電池的表面最大溫度不僅隨放電倍率的增加而升高，還隨著冷卻液溫度的增高而升高。在30℃環(huán)境溫度下，使用低溫冷卻液有更好的降溫效果，防止熱失控現(xiàn)象的發(fā)生。

3 結論

以鋰電池模組為研究對象，通過試驗研究了在不同放電倍率、不同環(huán)境溫度、不同冷卻液流量和溫度等試驗條件下的鋰電池模組散熱效果，得到的主要結論如下：

（1）放電倍率越大，鋰電池模組的表明溫度越高，表面溫差也越大。

（2）鋰電池模組在1C、2C放電倍率下能夠維持穩(wěn)定的工作狀態(tài)，但在3C倍率下表面最大溫度與溫差會出現(xiàn)明顯的上升與波動。

（3）較大的冷卻液流量擁有更好的冷卻效果，但隨著冷卻液流量的增大，冷卻效率會逐漸降低，原因可能是流量達到液冷板允許通過流量的峰值。

（4）較低的冷卻液溫度能夠很好地控制鋰電池表面最大溫度，在30℃環(huán)境溫度下，使用低溫冷卻液降溫效果更好。