2. 上海市动力工程多相流动与传热重点实验室, 上海 200093
2. Shanghai Key Laboratory of Multiphase Flow and Heat Transfer in Power Engineering, Shanghai 200093, China
随着汽车行业的快速发展，满足能源短缺和环境友好的新能源汽车自问世以来得到人们的青睐[1-2]。常见动力锂电池(18650型)具有容量密度大、寿命长、内阻小、安全性能高、使用范围广等特点，被人们应用到新能源汽车电源设备领域[3-4]。动力电池在充放电过程中，尤其是放电过程产生大量热量，当热量无法快速地传递到外界，会导致电池出现热失控现象[5-6]，甚至发生自燃、爆炸等安全问题[7]。锂电池高效工作温度范围为20~50 ℃[8]，温度过高会恶化动力电池的性能，并增加内阻，这会导致电池性能下降和使用寿命缩短[9]。因此，合理有效的电池热管理系统对动力电池安全高效的工作十分重要。常见的电池热管理系统可分为主动冷却和被动冷却，主动冷却包括强制风冷和液冷，被动冷却包括自然风冷及相变材料冷却等。风冷可以分为串行和并行2种方式[10-11]，虽然风冷成本低，结构简单，但是存在散热不足、均温性差等缺点[12-13]。相变材料(phase change materials，PCM)冷却是通过相变过程中吸收或释放大量潜热来控制电池温度，该冷却方式结构简单、无噪声、无额外能耗，降低电池温度的同时也能提高电池的热均匀性[14-16]。基于以上散热方式，众多学者通过实验或模拟的方法来验证或改善散热效果。李悦等[17]探究风冷下18650型磷酸铁锂电池的产热情况，结果发现，随着放电倍率的增加，产热区域以正极产热和隔膜产热为主，产热类型以欧姆热为主，3 C放电时欧姆热占总产热的72.43%。沈嘉丽等[18]论述了环境温度与放电倍率对锂电池放电过程温度影响。Al-Hallaj等[19-20]通过数值模拟和实验的方法，在近似绝热的条件下，电池被相变材料包裹后的温度降低约8 ℃。Duan等[21]采用加热棒模拟电池，使用相变材料设计2种方式包裹电池，结果发现，与自然风冷相比，包裹相变材料能使加热棒温度降低30 ℃。相变材料冷却与不同风速冷却结构都较简单，因此锂电池在循环充放电的过程中，以不同风速或PCM对电池冷却时的温升特性得到了研究。本研究针对18650型动力锂电池(以下称电池)自身的结构与产热特点，考虑到电池通常工作环境，通过改变放电倍率(1、2、3 C)和环境温度(25、30、35 ℃)，研究不同散热方式(自然风冷、强制风冷、PCM)冷却对电池单体循环充放电过程中温升特性的影响，并对多组循环充放电实验结果作Error-bar图，分析不同工况下实验结果的变化规律。
2 实验部分 2.1 实验材料与设备实验所用电池为18650型锂电池，其直径为18 mm，高为65 mm，额定容量为2 600 mA⋅h，额定电压为3.7 V，截止充电电压为4.2 V，截止放电电压为2.5 V。相变材料采用低温石蜡，相变区间为46~48 ℃。实验装置流程如图 1所示，主要包括恒温槽(ME/FP50)、电池充放电仪(ZKE EBC-A10H/EBD-A20H)和安捷伦(Agilent)34972A数据采集仪。采用K型热电偶测量电池温度，测量精度为±0.01 ℃。通过调节直流电源电压控制调节风扇风速。
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图 1 实验装置流程图 Fig.1 Schematic diagram of the experimental setup |
电池表面温度测点，分别为图 1中正极处的1点、中间的2点和负极处的3点。因1和3测点温度数据差异较大，本研究只对这2个测点的温度数据进行分析。在实验过程中，先对电池进行一次充放电，确保电池的各项性能参数准确，排除实验前带来的误差。将电池单体置于恒温环境中30 min，使其表面温度与恒温环境温度相同；设置充放电程序，以1 C恒流充电，充电结束后立即以1 C恒流放电至截止电压；改变环境温度θam(25、30、35 ℃)和放电倍率Q(1、2、3 C)重复试验。每次实验共有20次充放电循环，5次循环为一组，每组之间静置30 min，共4组。在恒温环境中分别采用自然风冷(速度u=0 m⋅s−1)、强制风冷(u=1、3 m⋅s−1)、PCM对电池进行散热，检测并记录电池温升数据。
3 结果与讨论 3.1 锂电池在自然风冷工况下的温度特性在不同放电倍率和环境温度下，以自然风冷对电池散热，测得电池的温度变化数据，包括温度θ(℃)、温升速率Δθ/Δt(℃⋅min−1)、测点1最高温度θ1(℃)与测点3最低温度θ3(℃)的温差θ1−θ3。以放电倍率3 C、环境温度30 ℃为例(见图 2)，图中C1，C2……C20为锂电池20次循环充放电过程，从图中可以看出，每组温度曲线中的高峰温度随时间t(min)的延长呈现逐渐递减趋势，主要原因是每组实验电池连续充放电，且得不到恢复，导致电池容量逐渐减小。放电初期，Δθ/Δt骤升；放电后期，测点1处的温度上升至整个充放电过程的温度峰值；θ1−θ3随着时间变化具有相对应的变化趋势。
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图 2 30 ℃环境温度下锂电池3 C放电时的循环充放电温度特性 Fig.2 Temperature characteristics of lithium battery during cyclic charge/discharge at 30 ℃ and 3 C |
选取电池第一次循环的充放电进行分析。不同风冷工况下(u=0、1、3 m⋅s−1)电池温度特性如图 3所示，当u=0 m⋅s−1时，不同环境温度、同一放电倍率下θ1和θ3的温度变化随时间变化趋势相似。当电池以1 C放电时，其温升速率先减小后增大(见图 3(a))。这是因为电池放电倍率小，其放电前期产热少，内部温度低，Li+移动缓慢，导致内阻较大，造成内部产热量急速增加，进而表现出表面温度快速上升。随着放电过程的进行，电池内部温度上升，Li+移动速度加快，内阻逐渐减小，温升速度减小。到达电池放电后期时，Li+转移到正极的数量达到极限，Li+移动困难，导致内阻急剧增加，电池内部快速产热，其表面温度也急速上升。针对以上现象，李悦等[17]、沈嘉丽等[18]进行相应的论述。此外，电池的最高温度θmax及最大温差(θ1−θ3)max随着放电倍率的增加不断上升。在2和3 C放电倍率下，电池最高温度分别为65.72和75.23 ℃，均超过了其安全工作温度；而此时最大温差分别为15.76和13.50 ℃，温差减小的原因是高温促进电池内部传热。环境温度35 ℃、3 C放电工况下，电池最高温度达到了86.45 ℃。
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图 3 不同风冷工况下锂电池温度特性 Fig.3 Temperature characteristics of lithium batteries under different cooling conditions |
对比图 3(d)、(e)和(f)可以发现，当u=0 m⋅s−1时，同一环境温度下，电池表面最大温升速率(Δθ/Δt)max(℃⋅min−1)随着放电倍率的增加而快速上升；2和3 C放电倍率下，(Δθ/Δt)max随着环境温度的增加有缓慢增长，且放电倍率越大，涨幅越大；当Q=1 C放电时，环境温度为25 ℃下的(Δθ/Δt)max较高，这是因为环境温度与放电倍率都较低。因此，为保证锂电池在高倍率放电工况下持续、安全且高效工作，需强化其散热方式。
3.2 锂电池在自然风冷与强制风冷工况下的温度特性从图 3(a)中可以看出，1 C放电倍率下，电池在3个风速(u=0，1，3 m⋅s−1)时的最高温度分别为42.52、34.01及33.57 ℃，温度下降了8.51、8.95 ℃；2 C时，温度下降了26.39、26.7 ℃；3 C时，温度下降了25.53、27.26 ℃。此外，以u=1、3 m⋅s−1对电池进行风冷时，其最高温度均降到50 ℃以下。在图 3(b)中，当放电倍率为3 C时，锂电池最高温度分别为82.63、55.32和55.31 ℃；从图 3(c)中可以看出，2 C放电倍率下，最高温度分别为76.93、51.25、50.28 ℃，3 C放电倍率下，最高温度分别为86.45、59.40、58.26 ℃。由以上数据可以发现，当放电倍率和环境温度过高时，电池温度仍超过50 ℃。
与u=0 m⋅s−1相比，u=1、3 m⋅s−1的散热方式可以有效遏制电池温升速率(见图 3(d))。增大风速能够有效降低电池的温升速率，且放电倍率越高，效果越明显；但随着风速的增加，温升速率下降幅度不太明显。此外，1 C放电倍率下对应的规律与2和3 C不同，这是因为1 C放电倍率下电池产热少，当环境温度为25 ℃时，即使增大风速，但带走的热量相差不大。对比图 3(d)、(e)和(f)可以发现，随着环境温度的升高，u=1、3 m⋅s−1下电池温升速率几乎保持不变；但在u=0 m⋅s−1工况下，温升速率先降低后稍微增加，说明适当的环境温度能够有效降低电池温升速率。
同一风速下，随着放电倍率的增加，散热能力有限；同一放电倍率下，随着风速的增加，降温效果逐渐减弱。因此，增大风速可以降低电池最高温度且减缓温升，但随着风速的增加，降温效果逐渐减弱，当环境温度过高或电池放电倍率较大时，电池温度仍超过50 ℃，所以需要寻找其他散热方式，强化电池散热。
3.3 锂电池在强制风冷与PCM冷却工况下的温度特性随着放电倍率的增加及环境温度升高，通过增加风速无法有效地使电池降温，因此采用PCM对电池进行散热，并把其散热效果与3 m⋅s−1风冷对比(如图 4)。图 4(a)中，环境温度25 ℃，2种散热方式都能使电池最高温度降到50 ℃以下。随着环境温度的升高，即使当电池放电倍率为3 C时，PCM也能有效降低电池表面温度(见图 4(b)、(c))。采用PCM对电池进行散热时，电池的温升曲线斜率变得平缓，当电池温度超过46 ℃时，其温升曲线出现了一个倾斜度的平台，使电池温度维持在50 ℃以下，也能保持电池表面温差低于3 ℃。随着环境温度升高和温升速率的增加，PCM冷却下的平台时长也在增加。
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图 4 3 m⋅s−1风冷和PCM冷却工况下锂电池温度特性 Fig.4 Temperature characteristics of lithium batteries under 3 m⋅s−1 air-cooling and PCM cooling conditions |
不同实验环境温度中(图 4(d)、(e)和(f))，与强制风冷相比，PCM使电池的(Δθ/Δt)max均有所下降，且受环境温度影响也较小。在PCM冷却工况下，当电池放电倍率从1 C增加到3 C时，温升速率先下降后上升。1 C放电倍率下，(Δθ/Δt)max较高是因为电池产热少，导致PCM几乎未发生相变，主要依靠PCM导热对电池进行散热，且PCM导热系数较低。当电池以2 C放电时，其产热增加，PCM通过相变大量吸收电池产生的热量，导致电池的(Δθ/Δt)max有所下降。放电倍率达到3 C时，电池产热量骤升，PCM无法快速地吸收电池产热或把吸收的热量散发到周围环境，致使(Δθ/Δt)max有所上升。因此在不同环境温度及放电倍率下，PCM均可不同程度地控制电池升温，减小电池表面温差，使电池在安全温度范围内工作。
3.4 不同散热方式下锂电池多次循环充放电温度特性图 5展示了不同散热工况、不同环境温度及不同放电倍率下锂电池循环实验数据离散程度。从图 5(a)、(b)和(c)可以看出，随着实验次数的增加，PCM冷却工况下的电池最高温度数据波动较小，说明相变材料不仅可以降低电池最高温度，且在多次循环充放电工况下降温效果基本保持不变。
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图 5 锂电池20次循环充放电实验温度特性 Fig.5 Temperature characteristics of a lithium battery under 20 charge-discharge cycles |
从图 5(d)、(e)和(f)可以看出，当u=0 m⋅s−1时，(Δθ/Δt)max随实验次数的增加波动较大，说明自然风冷对电池降温效果不稳定。使用PCM对电池散热时，不仅可以降低(Δθ/Δt)max，也可以降低多次实验数据之间的偏差。图 5(g)、(h)和(i)展示了电池多次试验的最大温差，从图中可以看出，当放电倍率过大时，PCM散热工况下多次实验结果偏差较大，但相比其他散热方式，可以有效降低电池温差。
当电池在35 ℃环境温度以3 C倍率放电时，高温时段较长，通过改变散热方式来缩短电池高温时长。在放电过程中，超过45 ℃和超过50 ℃的时长在每组5次循环过程中有递减的趋势，主要原因是电池的容量随着循环次数增加而减少，导致其不能达到原来放电容量，而在每组结束后静置30 min后，电池容量能够恢复到原来的98.31%。如表 1所示，表中，x为锂电池在相同工况下超过45 ℃或者50 ℃的放电时长与总放电时长的比值，增加风速虽然可以改善电池的工作环境，但仍存在超过50% 的放电时长在危险温度之上。而在相变材料冷却工况下，虽然超过45 ℃的时长比0 m⋅s−1工况下的大，但可以控制电池温度低于50 ℃。此外，电池放电后期会出现一个温度平台，此时PCM通过相变潜热控制电池表面温度小于50 ℃。
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表 1 锂电池循环充放电实验高温时长 Table 1 High temperature intervals of lithium battery charge-discharge processes |
如图 6所示为锂电池20次循环充放电实验高温时长，θam=35 ℃，Q=3 C，从图中可以发现，增加风速可以缩短电池高温时长，但是多次实验结果偏差逐渐增大。PCM冷却可以控制电池表面温度在50 ℃以下，但是此散热方式下超过45 ℃的时间较长，甚至超过自然风冷下的结果，这主要是因为电池放电前期PCM未发生相变，且PCM导热系数比自然对流传热系数低。
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图 6 锂电池20次循环充放电实验高温时长 Fig.6 High temperature intervals of lithium battery after 20 cycles of charge-discharge processes |
本研究以18650型锂电池为研究对象，通过实验探究不同放电倍率和环境温度下，3种散热方式(自然风冷、强制风冷、PCM冷却)对锂电池循环充放电过程中散热时的温度变化特性，为锂电池的热管理提供一定参考，结论如下：
(1) 自然风冷工况下，当锂电池在35 ℃环境温度中以3 C倍率放电时，其表面最高温度达到了86.45 ℃；当锂电池在25 ℃环境温度中以1 C倍率放电时，其最大温升速率较高，随着环境温度增加，温升速率有所下降。
(2) 强制风冷工况下，可以明显降低锂电池最高温度及减缓温升，但当环境温度过高或电池放电速率较大时，锂电池温度仍会超过安全温度，且随着风速的增加，降温效果逐渐减弱。
(3) PCM冷却工况下，锂电池的温升曲线斜率变得平缓，当其温度超过46 ℃时，温升曲线出现了一个倾斜度的平台，使电池表面温度维持在50 ℃以下，能够良好地控制电池在循环充放电过程中的温升。在多次循环充放电实验中，PCM冷却效果也相对比较稳定。
(4) 增加风速可以缩短锂电池高温时长，但多次实验结果偏差较大；PCM冷却可以控制锂电池表面温度长时间在50℃以下，但由于其导热系数低，导致锂电池超过45 ℃的时间较长。
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