楊建輝，王 炎,，李丹陽，王賀武，宋增海

(1.青島理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，山東青島 266520；2.清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100080；3.濰坊職業(yè)學(xué)院信息工程學(xué)院，山東濰坊 261000)

車載電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)目的在于保證電池工作溫度、溫差在最佳范圍內(nèi)，保證電動(dòng)汽車安全、高效工作，防止熱失控等安全事故發(fā)生，提升整車安全性能和長(zhǎng)期運(yùn)行可靠性[1]。目前，電池?zé)峁芾矸绞街饕ǎ猴L(fēng)冷，液冷，相變材料冷卻等[2]。其中，液冷熱管理方式因其工質(zhì)具有較大比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)，良好的換熱能力，其商業(yè)化應(yīng)用越發(fā)廣泛[3]。

液流冷卻方式可分為直接冷卻和間接冷卻。間接冷卻多采用一體化成型鋁合金冷板，通道內(nèi)液體形成閉式循環(huán)帶走電池?zé)崃?，流體工質(zhì)不與電池單體直接接觸[4]；直接冷卻(即浸沒冷卻)多將電池浸沒在冷卻工質(zhì)中，對(duì)冷卻工質(zhì)絕緣性、散熱效率、封裝等性能提出更高要求。因冷卻工質(zhì)與電池表面直接接觸，浸沒冷卻具有能抑制局部高溫和提高溫度均勻性的優(yōu)點(diǎn)[5]。

浸沒式冷卻系統(tǒng)目前在綠色數(shù)據(jù)中心方面應(yīng)用廣泛。如:阿里云對(duì)磐久液冷一體機(jī)Immersion DC1000 系列采用浸沒冷卻熱管理系統(tǒng)進(jìn)行散熱，使整體能耗下降34.6%[6]；中科曙光超級(jí)計(jì)算機(jī)采用兩相浸沒冷卻對(duì)CPU 進(jìn)行液冷散熱，來降低大型數(shù)據(jù)中心的能耗[7]。目前，浸沒冷卻逐漸應(yīng)用于電池整車熱管理方向，邁凱輪speedtail 是全球首款采用浸沒式冷卻電池技術(shù)的高端跑車[8]；法拉第未來公司也宣布與MIVOLT 一起為FF91 電動(dòng)車開發(fā)浸沒式電池冷卻系統(tǒng)[9]。

液流浸沒冷卻按照是否相變劃分為單相冷卻和兩相冷卻[10]。單相冷卻通過顯熱換熱方式來降低溫度，要求工質(zhì)工作沸點(diǎn)較高(多＞110 ℃)，比熱容大，因而絕緣油類(如硅油、白油、變壓器油等)成為研究熱點(diǎn)[11]。張進(jìn)強(qiáng)等提出了一種利用絕緣油浸沒電池，分析電池模組的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)冷卻特性，研究油浸沒量，環(huán)境溫度，流量及流動(dòng)方式等因素對(duì)其溫升特性的影響[12]。王國(guó)陽等對(duì)硅油、白油、變壓器油進(jìn)行了單相浸沒冷卻實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明變壓器油冷卻效果最好，最高溫度可降低29.2 ℃，性能提升42.9%[13]。羅玉濤等采用變壓器油作為冷卻液，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化流道結(jié)構(gòu)后可控制電池模組最高溫度為34.2 ℃，最大溫差為3.3 ℃[14]。

兩相冷卻方式冷卻工質(zhì)沸點(diǎn)較低(大多數(shù)＜60 ℃)，當(dāng)溫度達(dá)到工質(zhì)沸點(diǎn)時(shí)，液體工質(zhì)相變轉(zhuǎn)化為氣體[15]。能通過液-氣轉(zhuǎn)化增強(qiáng)對(duì)流傳熱，提高熱管理換熱效率。佟薇等采用Novec7100 型氟化液對(duì)18650 鋰離子電池模組進(jìn)行浸沒兩相冷卻，探究?jī)上嗬鋮s對(duì)溫均性的提升，結(jié)果表明最大溫差可降低至4.4 ℃，溫均性比空氣中提升了45%[16]。吳曦蕾等建立不同電子氟化液浸沒兩相冷卻系統(tǒng)仿真模型，分別對(duì)D-1,FC-72,HFE-7100,Novec 四種電子氟化液不同的流速和進(jìn)口溫度對(duì)散熱能力的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果表明流速越快，進(jìn)口溫度越低，其散熱能力越強(qiáng)[17]。李小青等采用液態(tài)丙烷對(duì)鋰離子電池在不同浸沒高度下進(jìn)行浸沒兩相實(shí)驗(yàn)，并對(duì)最大溫差進(jìn)行了研究，結(jié)果表明浸沒高度為30%時(shí)，最大溫差保持在6.3 ℃以下[18]。Li 等基于SF33 搭建浸沒冷卻模型，研究?jī)上嗬鋮s與單項(xiàng)冷卻的冷卻效果，證明了兩相傳熱具有比單相傳熱有更高的傳熱系數(shù)，在7C放電倍率下，仍能將鋰離子電池控制在34.5 ℃以下[19]。

液流浸沒冷卻系統(tǒng)是一種新型熱管理方法，但是其對(duì)大倍率放電動(dòng)力電池模組溫升抑制性能與溫均增效性能研究較少。本文以電子氟化液為例，通過實(shí)驗(yàn)研究了電池放電倍率、荷電狀態(tài)對(duì)其沸騰過程中氣泡成核特性影響，分析了電池模組平均溫度、最大溫差、溫升速率、傳熱速率作用規(guī)律，可以為液流浸沒冷卻系統(tǒng)在車載動(dòng)力系統(tǒng)方面應(yīng)用發(fā)展提供理論指導(dǎo)與參考。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與測(cè)試方法

1.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)架

實(shí)驗(yàn)臺(tái)架原理示意圖如圖1 所示，電池模組放在盛有電子氟化液的密封容器內(nèi)，容器半徑為45 mm，高度為130 mm。密封容器在端蓋上有3個(gè)圓形通孔，分別下置溫度傳感器以及充放電控制線。實(shí)驗(yàn)過程中，容器放置在環(huán)境艙內(nèi)。環(huán)境艙可以提供恒溫恒濕的空氣環(huán)境，可以模擬恒溫送風(fēng)冷卻工況。其中：充放電機(jī)型號(hào)為CT-4001-5V100A-NTFA；恒溫環(huán)境艙型號(hào)為MHW-200；溫度數(shù)據(jù)采集儀型號(hào)為HIOKILR8431-30；k 型熱電偶傳感器型號(hào)為WRNT-02；實(shí)驗(yàn)開始前標(biāo)定電子氟化液初始質(zhì)量，結(jié)束后稱量殘余電子氟化液的質(zhì)量。每個(gè)工況進(jìn)行3 次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，殘余電子氟化液質(zhì)量相差≤5%，證明實(shí)驗(yàn)可靠。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理示意圖

1.2 電池樣品

本實(shí)驗(yàn)采用的電池為日本Sony 公司生產(chǎn)的So‐nyUS18650VTC6 型18650 動(dòng)力型鋰離子電池，直徑為18 mm，高為65 mm，額定容量3 000 mAh，其參數(shù)如表1 所示。通過3節(jié)電池并聯(lián)的方式組成總?cè)萘繛? 000 mAh 的電池模組，額定電壓為4.25 V。

表1 18650鋰離子電池相關(guān)參數(shù)

1.3 電子氟化液參數(shù)

冷卻液采用的是D2 電子氟化液，化學(xué)式為C6F12，相對(duì)分子質(zhì)量為300，是一種低沸點(diǎn)，易揮發(fā)的冷卻液，其物性參數(shù)如表2 所示。電子氟化液通過吸收電池模組產(chǎn)生的熱量，由液態(tài)轉(zhuǎn)換為氣態(tài)來增加換熱系數(shù)，增大吸熱速率，使得電池保持在一定的溫度。實(shí)驗(yàn)過程中，首先將電池模組放入容器內(nèi)，先稱重，后加入電子氟化液，其初始高度為65 mm，初始質(zhì)量為700 g。

表2 電子氟化液性能參數(shù)

浸沒冷卻下根據(jù)是否發(fā)生局部沸騰，換熱方式分為潛熱和顯熱換熱兩種類型[15]。

電子氟化液總吸熱量Q計(jì)算公式為：

式中：Q為總吸熱量(kJ)；Q1為顯熱吸熱量(kJ)；Q2為潛熱吸熱量(kJ)。

電子氟化液顯熱Q1的計(jì)算公式為：

式中：m冷為冷卻液質(zhì)量(g)；θ1為初始溫度(℃)；θ2為最終溫度(℃)；c為氟化液比熱[kJ/(kg·℃)]。

液-氣質(zhì)量轉(zhuǎn)化速率方程為：

式中：α 為t0時(shí)刻的液-氣轉(zhuǎn)化速率(g/s)；m液-氣為液-氣轉(zhuǎn)化量(g)；t0為時(shí)間(s)。

電子氟化液潛熱Q2計(jì)算公式為：

式中：r為汽化熱(kJ/kg)；t1為開始相變的時(shí)刻(s)；t2為結(jié)束相變的時(shí)刻(s)。

傳熱速率Φ為單位時(shí)間內(nèi)通過傳熱面的熱量，方程為:

式中：Φ為傳熱速率(J/s)；k為傳熱系數(shù)[W/(m2·℃)]；S為傳熱面積(m2)；Δθ為溫度差(℃)。

1.4 溫度測(cè)試

實(shí)驗(yàn)過程中檢測(cè)1 號(hào)、2 號(hào)、3 號(hào)電池的壁面中心，以及3號(hào)電池正負(fù)極的溫度變化。其中：電池模組表面平均溫度、溫升速率、電池模組表面最大溫差計(jì)算公式為：

式中：θ表為電池模組表面5 個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的平均溫度(℃)；θi為i點(diǎn)處的溫度(℃)；β為單位時(shí)間內(nèi)的溫升速率(℃/min)；θ表t0為t0時(shí)刻電池模組表面平均溫度(℃)；Δθn為電池模組最大溫差(℃)；θimax為某時(shí)刻最大溫度(℃)；θi1max為某時(shí)刻的最小溫度(℃)。

2 結(jié)果與討論

2.1 浸沒冷卻熱管理

2.1.1 起始沸騰點(diǎn)

采用電子氟化液為液流介質(zhì)，電池模組冷卻過程根據(jù)是否觀測(cè)到局部核態(tài)沸騰現(xiàn)象劃分為兩階段：非相變階段和局部核態(tài)沸騰階段，如圖2 所示。由圖可知，以2C倍率放電時(shí)，單相浸沒冷卻持續(xù)時(shí)間為66 s，從67 s 開始進(jìn)入局部核態(tài)沸騰階段，持續(xù)時(shí)間為1 734 s；以3C倍率放電時(shí)，單相浸沒冷卻持續(xù)時(shí)間為32 s，從33 s 開始進(jìn)入局部核態(tài)沸騰階段，持續(xù)時(shí)間為1 168 s；以4C放電倍率放電時(shí)，單相浸沒冷卻持續(xù)時(shí)間為15 s，從16 s 時(shí)進(jìn)入局部核態(tài)沸騰階段，持續(xù)時(shí)間為885 s；以5C倍率放電時(shí)，單相浸沒冷卻持續(xù)時(shí)間為14 s，從15 s 進(jìn)入局部核態(tài)沸騰階段，持續(xù)時(shí)間為706 s。由此可知，放電倍率越大，進(jìn)入局部核態(tài)階段的時(shí)間越早，但局部核態(tài)沸騰階段持續(xù)的時(shí)間越短，這是因?yàn)椴煌烹姳堵氏碌姆烹姇r(shí)間和電子氟化液傳熱系數(shù)不同導(dǎo)致的。結(jié)果表明，放電倍率會(huì)影響進(jìn)入局部核態(tài)沸騰的時(shí)刻以及持續(xù)時(shí)間。

圖2 不同階段持續(xù)時(shí)間

2.1.2 氣泡成核特性

電池模組在不同放電倍率下的沸騰換熱圖像如圖3 所示。由圖可知，在同倍率放電的工況下，隨著SOC的減小，換熱形式從自然對(duì)流過渡到強(qiáng)制對(duì)流。尤其是SOC較小時(shí)，電子氟化液出現(xiàn)彈狀流，隨著放電倍率增加，其沸騰成核速率顯著提升。相同SOC狀態(tài)下，放電倍率從2C增加到5C時(shí)，電子氟化液的沸騰成核率得到強(qiáng)化。結(jié)果表明，隨著放電倍率的增加和放電深度的增大，熱流密度增加，這能提高電子氟化液的成核速率。綜上：由Bernardi 方程[20]可知，放電倍率和內(nèi)阻與產(chǎn)熱正相關(guān)，初始質(zhì)量相同時(shí)，產(chǎn)熱越大，單位時(shí)間內(nèi)電子氟化液吸收的熱量越多，溫度升高的越快，電池產(chǎn)熱局部高溫處的電子氟化液更快達(dá)到蒸發(fā)的條件。

圖3 沸騰換熱圖像

2.2 溫控增效分析

2.2.1 表面平均溫升

電池模組在不同放電倍率下，表面平均溫度的變化特性如圖4 所示。其中(a)、(b)分別是電池模組在風(fēng)冷和電子氟化液液流浸沒冷卻條件下的溫度情況，(c)、(d)、(e)、(f)分別為2C，3C，4C，5C倍率下的溫升情況。由圖(a)、(b)可知，電池的溫升曲線呈現(xiàn)出隨SOC的降低而增大的趨勢(shì)。

圖4 不同倍率下的溫升情況

由圖4(c)可知，在風(fēng)冷條件下，電池模組從100%SOC降到0%的溫升為10.1 ℃，平均溫升速率為0.34 ℃/min。采用液流浸沒冷卻，表面平均溫度提高了9.1 ℃，平均溫升速率為0.30 ℃/min，相對(duì)于風(fēng)冷，溫升抑制性能提升2.1%。性能改善較小的原因是在2C放電倍率下，風(fēng)冷條件下的散熱量基本滿足抑制電池溫升的需求。

由圖4(d)可知，在風(fēng)冷條件下，電池模組從100%SOC降到0%的溫升為19.6 ℃，平均溫升速率為0.98 ℃/min。采用液流浸沒冷卻，表面平均溫度提高了12.4 ℃，平均溫升速率為0.62 ℃/min，相對(duì)于風(fēng)冷，溫升抑制性能提升36.7%。

由圖4(e)可知，在風(fēng)冷條件下，電池模組從100%SOC降到0%的溫升為26.8 ℃，平均溫升速率為1.78 ℃/min。采用液流浸沒冷卻，表面平均溫度提高了14.8 ℃，平均溫升速率為0.99 ℃/min，相對(duì)于風(fēng)冷，溫升抑制性能提升44.6%。

由圖4(f)可知，在風(fēng)冷條件下，電池模組從100%SOC降到0%的溫升為29.6 ℃，平均溫升速率為2.47 ℃/min。采用液流浸沒冷卻，表面平均溫度提高了15.9 ℃，平均溫升速率為1.33 ℃/min，相對(duì)于風(fēng)冷，溫升抑制性能提升46.4%。

由上可知，在大倍率放電(3C，4C，5C)下，風(fēng)冷不能抑制電池模組溫升是因?yàn)榭諝獾谋葻嵝?、?dǎo)熱系數(shù)小，攜帶的熱量少，不能滿足散熱需求。相較于風(fēng)冷，電子氟化液能有效抑制電池模組的溫升，在大倍率放電工況下抑制效能平均提升42.6%。這主要是因?yàn)橐毫鹘]冷卻工質(zhì)比熱容大，能依靠單相顯熱和沸騰相變潛熱，以及發(fā)生相變湍流強(qiáng)化電池表面對(duì)流換熱，來抑制電池模組表面平均溫度的升高。

2.2.2 模組最大溫差

電池模組在不同放電倍率下，風(fēng)冷與電子氟化液液流浸沒冷卻條件下電池表面最大溫差如圖5 所示。其中(a)、(b)、(c)、(d)分別為2C，3C，4C，5C放電倍率下電池模組最大溫差。

圖5 不同倍率下電池模組表面最大溫差

由圖5(a)可知，在風(fēng)冷條件下，50%SOC時(shí)，電池模組最大溫差為4.8 ℃；0%SOC時(shí)，電池模組最大溫差為9.5 ℃。液流浸沒冷卻下，50%SOC時(shí)，電池模組最大溫差為1.9 ℃；0%SOC時(shí)，電池模組最大溫差為3.7 ℃。相對(duì)于風(fēng)冷條件，50%SOC和0%SOC溫均性分別提升了60.4%、61%。

由圖5(b)可知，在風(fēng)冷條件下，50%SOC時(shí)，電池模組最大溫差為8.2 ℃；0%SOC時(shí)，電池模組最大溫差為14.7 ℃。液流浸沒冷卻下，50%SOC時(shí)，電池模組最大溫差為2.9 ℃；0%SOC時(shí)，電池模組最大溫差為4.0 ℃。相對(duì)于風(fēng)冷條件，50%SOC和0%SOC溫均性分別提升了64.6%、72.8%。

由圖5(c)可知，在風(fēng)冷條件下，50%SOC時(shí)，電池模組最大溫差為10.7 ℃；0%SOC時(shí)，電池模組最大溫差為18.7 ℃。液流浸沒冷卻下，50%SOC時(shí)，電池模組最大溫差為4.1 ℃；0%SOC時(shí)，電池模組最大溫差為2.9 ℃。相對(duì)于風(fēng)冷條件，50%SOC和0%SOC溫均性分別提升了61.7%、84.5%。

由圖5(d)可知，在風(fēng)冷條件下，50%SOC時(shí)，電池模組最大溫差為12.4 ℃；0%SOC時(shí)，電池模組最大溫差為23.3 ℃。液流浸沒冷卻下，50%SOC時(shí)，電池模組最大溫差為5.2 ℃；0%SOC時(shí)，電池模組最大溫差為2.5 ℃。相對(duì)于風(fēng)冷條件，50%SOC和0%SOC溫均性分別提升了58.4%、89.3%。

綜上可知，風(fēng)冷條件下，以5C倍率放電50%SOC時(shí)，溫均性能較液流浸沒冷卻顯著惡化。主要原因是：空氣的導(dǎo)熱系數(shù)小、比熱容小，單位時(shí)間內(nèi)攜帶的熱量有限，尤其是電池表面熱流密度增大時(shí)，極易出現(xiàn)局部高溫，無法滿足電池模組對(duì)溫均性＜6 ℃的要求。而液流浸沒冷卻因?yàn)榭梢栽龃蠼佑|面積，相變湍流強(qiáng)化傳熱，比熱容大，導(dǎo)熱系數(shù)大，可抑制電池模組出現(xiàn)局部高溫，溫均性能得到顯著改善。

2.3 電子氟化液沸騰換熱

2.3.1 熱量傳遞

對(duì)于局部過熱，電子氟化液可以依靠自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流進(jìn)行對(duì)流換熱。其中：在強(qiáng)制對(duì)流過程中，根據(jù)電子氟化液是否達(dá)到飽和溫度，可以劃分為依靠顯熱和潛熱共同換熱過程和依靠潛熱的沸騰過程。全過程換熱計(jì)算如表3 所示。

表3 不同倍率下的傳熱速率

由表3 可知，傳熱速率逐漸增大，因?yàn)殡娮臃旱臏囟瘸^了本身的飽和溫度，導(dǎo)致傳熱系數(shù)加強(qiáng)，傳熱速率增大。

2.3.2 質(zhì)量轉(zhuǎn)化速率

電子氟化液發(fā)生相變換熱過程與熱量傳遞過程密切相關(guān)，氣液質(zhì)量轉(zhuǎn)化速率越大，則沸騰換熱能力越強(qiáng)。而放電倍率越大，熱流密度越大，成核速度越快，質(zhì)量轉(zhuǎn)化速率越快。實(shí)驗(yàn)前后對(duì)氟化液轉(zhuǎn)化質(zhì)量進(jìn)行標(biāo)定，在保證初始質(zhì)量一致的情況下，對(duì)其質(zhì)量轉(zhuǎn)化速率進(jìn)行分析，如表4 所示。由表4 可知，質(zhì)量轉(zhuǎn)化速率隨著放電倍率的增加而增大。

表4 不同倍率下的質(zhì)量轉(zhuǎn)化特性

3 結(jié)論

浸沒冷卻系統(tǒng)是一種新型熱管理方法，能夠有效改善動(dòng)力電池溫降性和溫均性。本文以電子氟化液為研究對(duì)象，歸納分析了不同冷卻方式、電池放電倍率對(duì)電子氟化液沸騰過程氣泡成核規(guī)律，電池模組溫升及其抑制特性、最大溫差、溫升速率、傳熱速率的影響特性。結(jié)果如下:

(1) 隨著放電倍率的增加和SOC的減少，核態(tài)沸騰狀態(tài)下的氣泡會(huì)從泡狀流發(fā)展到彈狀流，成核速率加快。

(2) 浸沒冷卻熱管理形式具有良好的溫升抑制性能。以5C放電過程為例，電池模組溫升為15.9 ℃，溫升速率為1.33 ℃/min；相較于風(fēng)冷，溫升抑制性能強(qiáng)化了46.4%。

(3) 浸沒冷卻熱管理形式具有良好的溫均性能。以5C放電過程為例，50%SOC時(shí)，電池模組的最大溫差為5.2 ℃；相較于風(fēng)冷，溫均性能提升了58.4%，將最大溫差控制在6 ℃內(nèi)。

(4) 電子氟化液的傳熱速率和質(zhì)量轉(zhuǎn)化速率均隨著放電倍率的增加呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。

上述研究結(jié)果表明：相較于風(fēng)冷，液流浸沒冷卻方式通過增大傳熱面積、強(qiáng)化對(duì)流傳熱的途徑，加強(qiáng)相變湍流產(chǎn)生氣泡，抑制局部高溫，實(shí)現(xiàn)電池模組溫均性增效目的。因此，在車載動(dòng)力系統(tǒng)、電化學(xué)儲(chǔ)能電站等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展前景。