锂离子电池散热技术研究进展

刘泽慧,高迎慧,孙鹞鸿,3,严 萍

( 1. 中国科学院电工研究所,北京 100190; 2. 中国科学院大学,北京 100049;3. 中国科学院电力电子与电气驱动重点实验室,北京 100190 )

锂离子电池在使用过程中会受到温度的影响。 低温条件下,电池的电性能差,放出的比容量较低;高温条件下,电池的电性能好,但副反应增多,因此循环寿命缩短;单体电池表面温度不均,会导致电池表面出现应力,使电池发生不可逆的破坏,降低模组的电性能[1]。 此外,过充电、过放电或短路等不当使用,会使锂离子电池温升过快,电池内部发生一系列副反应,最终可能导致热失控,出现冒烟、起火甚至爆炸现象,危害使用者的人身安全[2]。

良好的散热技术是锂离子电池能够安全高效应用的必要保障。 随着锂离子电池行业的发展,除常用的风冷、液冷、相变冷却及三种冷却方式组合的复合冷却方式外,还衍生出了其他一些冷却形式,如微流体冷却、液气相变冷却和喷雾冷却等,以适应人们对散热技术更高的要求。 本文作者介绍常用的产热模型,分析电池散热技术的发展现状,对比不同技术的优缺点,对锂离子电池散热技术的应用进行展望。

1 产热模型

散热技术的选取是由产热决定的,因此电池散热技术的首要问题是预估电池产生的热量。 产热估计方法主要包含基于能量平衡、基于电化学反应和基于量热法等3 种方式。

1.1 基于能量平衡的产热估计

锂离子电池在充放电过程中,因内部发生化学反应,放出大量热,通过与热沉之间的相互作用将热量耗散,使电池的温度维持在工作温度范围内。 式(1)为通用能量平衡方程,表示电池充放电过程中产生的热量(Qg)一部分储存在电池本身(Q),另一部分通过热交换耗散在周围介质(Qd)中。电池产生的热量Q可根据电池质量(mb)、比热容(Cb)和温升(ΔT)的乘积计算。 通过热交换耗散的热量Qd包含传导散热、对流散热和辐射散热等3 部分,其中,辐射散热因散热功率极小,在锂离子电池散热研究中一般被忽略。 在该产热估计方法中,对材料热性能参数的获取是关键[3]。

1.2 基于电化学反应的产热估计

电池产热的本质是电化学反应,因此还可从化学反应角度进行热量估算。 对电化学反应的不同过程理解越深刻,建立的模型就越精确,但所需的参数和计算量也会增大,因此电化学模型的发展由简单到复杂,再由复杂到简练,出现了适用于不同人群、不同需求的多种模型,常用的有电化学模型、Bernadi 均匀生热模型、伪二维电化学模型和电化学-热耦合模型等。

J.M.Sherfey 等[4]从电流分数、熵变及各反应的过电势角度出发,确立了较完备的电化学模型。 随后,G.Sidney[5]将参与电化学反应的反应物以焓变电压的形式引入公式中;H.F.Gibbard[6]将反应物溶解带来的热效应引入到公式中。

D.Bernardi 等[7]根据电池本身的工作原理,综合考虑可逆反应、相变过程、混合效应和焦耳产热,将电池的产热来源主要分为欧姆热、熵热、相变热和混合热等4 个部分,并分别建立了数学模型。 这种精确的电化学模型,可用在锂离子电池的设计及验证阶段。 相变热和混合热在一般情况下占比极小,通常可忽略,因此,可将电化学模型进行简化。 最终的电池产热模型只考虑欧姆热和熵热,并且将电池等效为均匀发热体,如式(2)所示。 可使用电池内阻进一步替代,简化该公式,如式(3)所示。 式(3)的第一项为欧姆热,为不可逆热,常为正值;第二项为反应热,为可逆热,可为负值。

式(2)-(3)中:I为放电电流;R为电池内阻,包括欧姆内阻和极化内阻;T为电池温度;U是开路电压,其导数常认为是熵的热系数;E是实际电压。

式(3)是工程中最常用的热仿真模型,可通过电池出厂参数或实验测得电池内阻及熵热系数,也可通过数据训练的方式,在不同荷电状态(SOC)、温度和放电倍率估测电池的欧姆内阻和极化内阻[8]。 该模型所需参数少,精度也可满足一般工程的需求。 式(3)在实际应用中有一些假设条件,如将电池温度T设为常数,忽略R在不同温度下的变化,使用电池整体的平均开路电压代替开路电压等,因此该模型计算出的产热会与实际情况有较大差异。

L.Rao 等[9]使用法拉第定律优化了式(2)中开路电压对热计算引起的较大误差,提出了基于多孔电极理论的局部产热模型。 局部产热不仅区分了欧姆热和极化热,还将正极、负极和隔膜处的反应区分开来,可以计算每一部分的产热。局部产热模型是一维模型,只在电极厚度方向上进行积分,忽略了Li+扩散、相变及电解液中浓度梯度的影响。 在后续研究中,M.Doyle 等[10]基于菲克定律、浓溶液理论和巴特勒-福尔默方程,描述了Li+在单体电池电极固相颗粒中的嵌脱过程、Li+进入电解液的扩散过程以及球形颗粒表面与电解液反应的电化学过程,在局部产热模型上引入了沿电极方向的扩散公式,建立了锂离子电池伪二维电化学数值模型。 该模型需要材料参数、电池SOC 和平衡电位等较多的参数。

电化学-热耦合模型以电化学模型为基础,同时耦合了温度场。 这类模型考虑了锂离子电池在充放电过程中温度场的影响,可得到更符合实际的产热计算结果,因此电化学模型常与二维/三维电池散热模型耦合,通过二维/三维模型计算物体的实际温度分布,修正一维模型中的温度设置。

1.3 基于量热法的产热估计

量热法是一种直接测量被测物产生热量的方法,通过创造近似于理想的绝热环境,对被测量物及周围空气介质的温度变化情况进行测量和控制,再由设备内部集成的算法得到被测物产热量。 量热法分为等温测量法和非等温测量法。在等温测量法中,量热仪吸收被测物所产生的热量,并保持被测物工作在设定温度值;在非等温测量法中,量热仪测定被测物周围的空气介质被加热的温升情况。 两种测量方法均与电池实际应用存在一定差异。 在实际工作中,随着充放电的进行,锂离子电池持续产热,再与周围空气介质进行换热。 由于电池在不同温度下表现出的性能不同,量热法与锂离子电池的真实工作状态有差距。 在等温测量法中,电池工作温度保持不变,而在实际工作时,温度是动态变化的;非等温法则因设备原因抑制了电池散热,估计的温度高于电池实际工作温度[11]。 这两种方法的选取,要结合锂离子电池本身性能对温度的敏感性和实际工作的温升情况来进行。

2 散热技术

常用的散热手段有风冷、液冷和相变冷却等。 风冷和液冷利用介质的流动性将热量耗散,因此可基于流体建立方程。 相变材料(PCM)在相变过程中温度不变,但能吸收或释放大量潜热,因此数学方程包含两相材料的建模。 由于问题的复杂性,相变材料一般使用数值解法求解。 常用的数值解法是界面跟踪法和固定网格法,前者需要实时跟踪固液相变界面,不适用于多相变区域等复杂情况问题的求解,后者将不同相状态的区域作为整体求解,方法较为灵活,便于扩展到多维、多区域界面问题。 固定网格法包含显热容法和焓法,其中焓法是目前相变材料仿真较为常用的方法。

2.1 风冷

风冷是一种利用设备周围空气与设备进行换热的冷却手段,成本低,无需添加过多的设备,在提高电池系统的能量密度方面具有较大优势。 风冷相较于液冷、相变冷却,散热能力低、散热效果差,难以解决锂离子电池容量、倍率性能提升后带来的产热功率大的问题。 提升风冷效果的研究,目前主要从结构参数、流场分布以及控制策略等方面进行。

在风冷结构设计中,常通过优化风道设计、改变电池排列及添加散热装置改善冷却效果。 常用的风道结构有串行结构和并行结构,如图1 所示[12]。

图1 电池模组流道串行和并行结构图Fig.1 Schematic diagram of serial and parallel flow passage of battery module

串行结构简单,流动阻力较大,空气介质在流动过程中不断被加热,最终可能导致散热失效的问题[13],但可通过设置两个流向相反或多个流向不同的流道避免这一问题,且有多种结构形式可选[14-15]。 K.Chen 等[15]通过设置对称流道结构,将模组内的最大温差降低了43%,同时将能耗降低了33%。 并行结构复杂,占用空间大,可通过改变流道进风角度、出风角度和预留的流道尺寸调整散热效果[16]。 并行结构由于保证了各流道入口处的初温近似相等,散热均匀性较好。 袁征等[16]发现,当进风速度为15 m/s、进风口倾斜角度为8°,且电池间距相同时,可将最高温度降低11.8%。 在风道结构设计的基础上改变电池排布方式,可影响局部空气的流动性质。 当空气流动过程中出现旋涡时,会加速热量传递过程,从而增强散热效果。 在预留空气流道时,由于排布不够紧凑,对安装及振动性能提出了更高的要求,此时可通过添加散热片提高装置的紧凑性和散热性能。 散热片与电池单体之间还可填充导热硅脂及其他高性能散热材料,以增强结构紧凑性和散热效果。

在风冷结构确定后,若需进一步增强冷却效果,除提高空气本身流速外,还可通过调整环境温度来实现冷却效果。这种方式一般用于密闭空间,如电动汽车、大型实验室等。

风冷的控制策略可实现在相同风道结构条件下对温度的优化控制,主要有往复流[17]和分时流[18]两种方式,即改变气流流动方向和进气时机,控制最大温升和最大温差。 贾骥业等[17]发现,在往复流控制策略中,改善散热效果的能力由高到低依次为:来流速度、冷却空气温度和往复流周期。

2.2 液冷

液冷是一种使用液体作为导热介质进行冷却的热管理方式。 与空气相比,液体的比热容大、选择面广,包括制冷剂、冷却剂和纳米流体等,因此通常能获得较好的冷却效果,如矿物油在同等条件下的散热效果是空气的4 倍[19]。 液冷可根据是否外加泵源,分为主动冷却和被动冷却;根据应用形式分为直接式冷却(浸泡式冷却)和非直接式冷却(结合冷板/散热管的冷却)。 液冷在使用时要考虑结构的安全性,避免导热介质泄漏带来的电池短路、电池热滥用等问题。

冷板是最常使用的液冷方式。 冷板中设计有流道结构,冷板放置位置、流体流速、温度和管道设置等因素,均会影响散热效果[20]。 曾俊雄等[21]研究发现,以制冷剂作为冷板散热介质时,与普通液冷相比,电芯温度降低了约16%,最大温差由4 ℃改善至3 ℃。 沈姗姗等[22]设计了回形、螺旋形和树形等3 种流道结构,在10C放电倍率下,树形流道结构的冷却效果最好,最高温度降低11.7%,最大温差降低43.5%,且流阻和消耗的水泵功耗最小。 冷板一般放置在模组下端,单纯放置冷板会造成冷板与电池模组之间的磨损,工程上还要考虑添加硅胶等材料,以提高润滑性[23]。

浸泡式冷却为常用的被动冷却手段。 将电池模组浸泡在绝缘性良好的去离子水、硅基油或矿物质油中,既能保证绝缘性能,又能保证冷却性能。 在应用时,电池模组若处于移动设备中,采用浸泡式冷却容易发生泄漏问题,因此浸泡式冷却不常应用于电池模组中,更多用于结构不规则且基本不需移动的大型设备中。 浸泡式冷却装置的质量大,还会降低电池系统的比能量。 分立浸泡冷却针对每个电池设计散热结构,虽然可减轻液体质量,但由于液体流动性较差,导致散热效果并不理想[24]。

随着设备对于散热功率需求的提升,微流体冷却开始应用于锂离子电池领域。 微流体冷却是在微观尺寸下控制、操作和检测复杂流体,实现高效散热的技术[25],所需流量和功耗低,具有集成度高、体积小及质量轻的特点,散热系数可达790 W/cm2[26],有望应用于电池内部冷却。 微流体的冷却效果受流道类型、表面粗糙度、液体添加剂及流体雷诺数等因素的影响[27],因此多从这几方面进行散热效果优化。

2.3 相变冷却

相变材料是一种在相变过程中保持温度不变或变化范围很小,能吸收或释放大量潜热的物质。 相变冷却是一种冷却效果较好的被动冷却方式。 相变材料除了用作散热材料外,由于潜热和比热容较大,还常用作储能材料。 在相同发热功率条件下,相变冷却的效果优于风冷。 相变材料及应用形式可选范围多,散热效果上限高于液冷,涉及的相变过程包括液气相变和固液相变。 常用相变材料是石蜡(固态),相变温度约为40 ℃,且无毒无害、成本低廉,但石蜡的导热系数不高,容易造成与热源较近的材料处于融化状态,而外部材料处于固态的状况,不适用于快速产热的情况,通常需填充质量轻、导热系数大的铝泡沫等金属骨架或膨胀石墨等材料,以提升导热系数。 其他可用于锂离子电池领域的相变材料,还有低熔点的无机水合盐,如氯化钙和硫酸钠等。

相较于需要结合流道结构的液冷,相变冷却应用时常将电池模组浸泡在相变材料中,解决了圆柱形电池散热设计时热传递界面小的问题。 相变冷却可满足圆柱形、方形和软包装等各种类型电池的冷却需求,但应用于移动设备时,电池模组的安装方向会对相变材料的性能产生影响。

相较于发展较成熟的固液相变,液气相变应用于锂离子电池领域的起步较晚。 液氨[28-29]和丙烷[24]等作为冷却介质,在低倍率放电时可较好地控制最高温升和温差。 目前,使用冷却剂的大容积沸腾和强制对流沸腾形式的散热研究逐步增加。 Y.F.Wang 等[30]发现,使用HFE-7000 电子氟化液的强制对流沸腾进行散热,可在5C放电条件下将温差控制在4 ℃以内。

热管散热是一种利用热管中介质发生相变,将热量从导热端传递到散热端的冷却方式。 导热端将热量从电池内部转移到热管中,随着热管内部的相变过程,热量从导热端移至散热端。 散热端可将风冷、液冷等方式结合,高效地散热。热管本身体积小,与电池的接触面积小,因此散热时需要的数量较多,安装和固定工作复杂,导致后续的维护困难。

2.4 复合冷却

复合冷却同时使用多种冷却技术,常将主动冷却和被动冷却结合,将传统冷却技术和新型冷却技术结合,来提高冷却效果,同时降低能耗。 采用多种复合冷却手段带来的问题是结构附件增加,总质量、总体积增大。

相变材料的储能能力大,散热能力略微不足,常结合风冷或液冷方式提高相变材料的潜热[31]。 吴学红等[31]将液冷和相变冷却结合,可将最大温差减少75%。 J.H.Cao 等[32]设计了一种相邻通道流向相反的三通道流道,结合延时液冷策略对相变材料进行散热,4C放电倍率下的温差小于5 ℃。

喷雾冷却、液滴辐射散热和半导体冷却等冷却方式,常常与成熟的冷却技术结合使用。 如S.R.Lei 等[33]结合相变材料、热管、散热翅片以及喷雾冷却多种方式,对电池进行快速降温。

目前,新型冷却在应用于锂离子电池领域时的可拓展性较差。 如在更大体积的电池模组中使用时,喷雾冷却中喷嘴的尺寸、位置和流量设计等要重新考虑;与新型冷却技术配合的散热翅片的选型和安装位置,也要根据应用场景来设计。 新型冷却技术的应用理论尚不成熟,需要更多实验来探索。

3 结论与展望

本文作者综述了常用的产热模型和产热估计方法,以及近年来锂离子电池散热技术的研究。 较常见的风冷、液冷和相变冷却方式,除了结构参数的优化研究外,逐渐出现了控制策略的研究,如对液体流向的控制、进气时间的控制等,但研究尚不成系统。 喷雾冷却、液气相变冷却等在锂离子电池领域尚处于探索阶段,结构设计方面还有不尽合理之处,要继续优化结构的合理性和紧凑性,保证冷却效果的稳定性。

锂离子电池正在向高能量密度、高功率密度方向发展,与此同时,电池体积增大、产热功率增加,单体电池表面温度不均匀性更加显著,因此,有3 个较为关键的问题值得注意:研究单体电池的温度分布情况,需要针对单体电池所设计的均温和散热结构进行;电池的危险性增加,要充分验证散热技术的失效极限,提升实际应用时的安全性;电池产热功率增加,瞬时温升较大,要考虑散热技术的快速响应能力,并且在一定程度上兼顾抑制电芯热失控的功能。