基于浸没式冷却的锂离子电池实验研究

吴成会，梁才航

(桂林电子科技大学机电工程学院，广西桂林 541000)

汽车已经成为日常生活的重要组成部分，给人们带来了极大的便利，同时在一定程度上导致全球变暖、臭氧层破坏等环境问题。因此，在全球环境污染问题以及实现“双碳”目标的背景下[1]，电动汽车将逐渐取代燃油汽车，成为未来交通出行的首选。锂离子电池因其高比能量、高效率、长寿命和低自放电率等[2]优点而被广泛应用于电动汽车。锂离子电池的循环寿命、降解率、安全性和可靠性受到工作温度的强烈影响。基于锂离子动力电池自身的特点，适宜的工作温度范围比较狭窄，最佳工作温度在20～40 ℃[3]。另外，对于电池组来说，电池之间的最大温差应控制在5 ℃以下，以防止单个电池性能迅速衰减，缩短电池组的寿命。过高或过低的工作温度和过大的温差将会直接影响锂离子电池的性能和安全性。同时，充电和放电过程中产生的热量会显著提高电池的温度，尤其是在持续充放电或大功率放电时。因此，一个有效的电池热管理系统(battery thermal management system,BTMS)在调节电池温升和温差中是必不可少的。

根据冷却介质的不同，电池热管理系统可分为液体冷却、空气冷却、相变冷却。空气冷却系统具有质量轻、构造简单、成本低等[4]优点。但由于空气比液体的导热系数低、散热慢，无法对电池在高倍率工况下产生的热量进行高效散热，降低电池组最高温度和保持温度均匀性的能力较差。相变冷却热管理系统具有散热效率好、温度均匀性好的优点，但是由于结构过于复杂、成本高等缺点而无法广泛应用。根据冷却剂是否与电池接触，液冷系统可分为直接液冷或间接液冷，通过选择合适的冷却工质直接或间接与电池接触从而带走大量的热量，能够将锂离子电池组最高温度控制在安全的范围内以及很好地保障电池之间的温度均匀性，且结构紧凑但不复杂，有效地规避了热失控等安全问题的发生。然而，间接液冷系统比直接液冷更加复杂，存在冷却液泄漏的风险，容易导致电气短路、电池燃烧和爆炸。

直接液体冷却，也称为浸没式冷却，它将电池直接浸没在电介质冷却剂中，如矿物油和硅油以及一些氟化液[5]，是一种高效的冷却方式。在浸没式冷却中，电池产生的热量可以直接有效地传递到冷却剂中，降低了电池和冷却剂之间的热阻，使得电池表面温度控制在适宜的范围内，并且电池的温度比较均匀，从而对电池的循环寿命起到保护作用。浸没式冷却可以分为单相浸没式冷却与两相浸没式冷却。与单相浸没式冷却相比，两相浸没式冷却可以通过沸腾过程(液相到气相的变化)，实现更高的传热效率。近年来有不少国内外学者开展了基于两相浸没式冷却的锂离子动力电池的传热性能研究。Gils 等[6]以HFE7000 为冷却工质对锂离子电池进行实验研究，研究结果表明：电池产生的热量使得冷却工质沸腾，沸腾过程能够让电池温度均匀化。Wu 等[5]设计了一种以HFE7000 为冷却工质的电动汽车电池热管理系统，利用数值模拟和实验研究结合的方法对其传热性能进行分析。结果表明，冷却工质在电池壁面上流动和沸腾，降低了热接触电阻，增强了传热过程，电池模块的传热性能得到了提高；单体电池间的温度均匀性主要取决于两相湍流的形核沸腾吸热和局部扰动；数值计算结果与实验结果吻合较好。Maan 等[7]通过改变冷却工质R134a 浸没电池组的高度，研究该条件下对电池组散热的影响，研究结果表明，随着制冷剂浸没高度的增加，电池组的散热效果越好。安周建等[8]设计并搭建了以HFE7000 为冷却工质的电池冷却实验系统，并展开了相关的实验研究。结果表明，该实验系统有着良好的电池冷却效果，在电池持续充放电过程中，冷却工质的沸腾能够将电池的表面最大温度控制在34～36 ℃。Pulugundla 等[9]的研究表明，与基于冷板的冷却相比，即使在较高的充放电倍率情况下，浸没式冷却的圆柱形电池的温度仍然是均匀的。Hirano等[10]利用HFE-7000 作为冷却工质，研究了浸没式冷却电池组的温度变化。研究结果表明，电池组温度能够控制在35 ℃左右，接近HFE-7000 的沸点。

冷却剂的性质对电池的散热性能有着非常重要的影响。OpteonTMSF33 是一种新型的电介质流体，具有ODP 为零，不破坏臭氧层；GWP 值非常低，温室效应低；沸点为33 ℃，很适合在电池冷却场合中使用。目前对于SF33 的浸没式冷却锂离子电池的实验研究不多。本文搭建了以SF33 为冷却工质的浸没式冷却锂电池的实验台和风冷式冷却锂电池的实验台，实验研究两种冷却方式下对单体电池的散热性能，并用可视化手段分析冷却工质SF33 的沸腾过程。

1 实验系统与研究对象

本研究中，建立了两种冷却方式的实验台，两种冷却方式的实验流程图如图1 所示。实验中，采用双向可编程直流电源对单体锂离子电池进行充放电；安捷伦数据采集仪对电池表面进行温度的采集，并将数据传输到电脑中。强制风冷实验中风速设置为2 m/s。浸没式冷却实验中，则是将电池放置在玻璃容器当中，电池全部浸没在SF33 冷却工质中。表1给出了OpteonTMSF33 的热物性参数。

图1 两种冷却方式的实验流程图

表1 OpteonTM SF33的热物性参数

实验选用18650 型锂离子电池进行研究分析，其参数如表2 所示。考虑圆柱型的对称性，在电池的上中下三个位置进行热电偶的布置，如图2 所示。为了减少系统误差，在实验前对热电偶进行标定。

图2 热电偶的布置

表2 锂离子电池参数

2 结果与分析

2.1 自然对流条件下电池的传热分析

为了能更好地分析浸没式冷却的散热效果，需要对自然对流条件下电池的温度变化情况进行研究，分析在不同放电倍率下电池的产热情况。实验过程中，首先将电池放置在温度为30 ℃的环境中，通过电脑软件控制仪器设置0.5C(1 A)电流对电池充电至4.2 V，然后再以4.2 V 电压对电池充电至电流小于200 mA(1C/10)时截止，静置60 min；然后以3C、5C放电倍率分别对电池进行放电，记录电池的温度变化情况。

如图3 所示，自然对流条件下，电池放电倍率为3C、5C时，最大温度分别为48.72 和64.59 ℃，均超过了电池的安全工作温度范围。这对电池的安全和散热性能有较大的影响。随着放电倍率增大，电池最高温度随之上升，且在放电末期电池温度迅速上升。这是因为在放电末期锂离子电池的内阻迅速增大，产热量增大，从而导致温度迅速上升。当电池以3C倍率放电时，电池最大温升为18.72 ℃，测点最大温差为0.79 ℃；5C倍率放电时，电池最大温升为34.59 ℃，比3C倍率放电时的温度高出15.87 ℃，测点最大温差为0.59 ℃。在不同放电倍率下电池测点的温差不超过1 ℃，因此可选择电池中点作为浸没式冷却实验的测点。

图3 自然对流条件下电池的温升曲线

2.2 不同冷却方式对电池温度的影响

由上一节可知电池在高倍率放电情况下产生大量热量，导致电池温度超出了适宜的工作温度范围，对电池的性能产生较大的影响。因此，对锂离子电池采用散热手段是必不可少的。

本节通过2.1 节所述的充电机制对单体电池进行充电，然后静置至环境温度开始放电。分别对强制风冷、浸没式冷却条件下进行单体电池3C、5C的放电实验，记录在两种不同冷却方式下电池的温度变化情况，对比两种冷却方式的冷却效果。

由图4 可知，在风速为2 m/s 的强制风冷条件下，放电倍率为3C、5C时电池最大温度分别为37.95 和41.72 ℃，强制风冷能够在电池以低倍率放电时满足冷却需求，但在高倍率放电时，电池的温度将超出适宜的工作温度范围。采用浸没式冷却时，电池的最大温度分别为35.27 和35.49 ℃，最终在35 ℃左右波动，这是由于工质的沸点在一定的压力下是保持不变的，能够将电池温度控制在34～36 ℃而不再升高。在3C、5C放电倍率下，浸没式冷却与强制风冷的电池最大温差分别为2.36 和6.45 ℃。因此，以SF33 为冷却工质的浸没式冷却方式有较好的冷却效果。

图4 两种冷却方式下电池的温升曲线

2.3 动态放电策略对电池温度的影响

电动汽车在实际行驶过程中通常会遇到起步、爬坡、加速等状况，导致电池放电过程并非一个持续的过程。因此，研究单体电池在动态放电策略下的温度变化情况具有重要意义。在风速为2 m/s的强制风冷与浸没式冷却方式中分别对充满电的电池以5C倍率进行230 s 的放电，然后静置230 s，循环三次，通过数据采集仪记录电池的温度变化情况。

图5(a)是电池以5C倍率进行动态放电时的电压电流变化曲线。电流以恒电流10 A 进行放电，而电压逐渐降低。由图5(b)可知，单体锂离子电池以5C倍率进行动态放电时，电池温度呈现出波动变化的趋势。电池在强制风冷的条件下温度波动比较大，约为4 ℃，最高温度达到了38.44 ℃。而在SF33 浸没式冷却条件下电池温度波动比较小，低于1 ℃，比强制风冷的要少4 倍左右，且两种冷却方式的最大温差达到了3.55 ℃。由此可见，以SF33 作为冷却工质的浸没式冷却系统对于电池的最高温度以及温度波动变化可以有更好的控制，即使在行驶过程当中遇到不可预测的动态操作时，浸没式冷却也能够将电池温度控制在安全的范围内。

图5 5 C倍率动态放电的电压电流与温升曲线

2.4 可视化实验

当单体锂离子电池以高倍率进行放电时，会释放出大量的热量，而通过浸没式冷却锂离子电池时冷却工质吸收这些热量导致温度升高，冷却工质达到沸点后进行沸腾冷却。沸腾过程通过较小的过余温度从而获得数值很大的对流系数与传热速率，能够快速地带走更多的热量，成为许多工程装置在进行冷却时所追求的目标。为了观察沸腾冷却过程中气泡的生长过程，利用高速摄像机对浸没式冷却沸腾时进行研究。图6 为电池在5C放电倍率下冷却工质开始沸腾与放电结束时的沸腾图像。

由图6 可知，冷却工质持续吸收单体锂离子电池产生的热量，从而导致沸腾的发生，在沸腾的初期，气泡产生的比较少、体积小且速率较慢；在这种状态下电池所产生的大部分热量从表面传递给了冷却工质，而不是通过蒸汽泡来传递热量。随着放电深度加大，冷却工质吸收的热量越多，导致沸腾产生的气泡更多、体积更大且速率越快。而气泡在上升的过程中会与周围的气泡合并，从而产生更大的气泡上升到电池表面，强化了对流传热，带走更多的热量。

通过观察气泡产生的位置以及生长过程，可以了解沸腾冷却对电池传热的影响，气泡的产生过程如图7 所示。由图7可知，气泡的产生主要发生在正负极之间的连线处以及电线处，因为在粗糙表面以及缝隙处容易产生气泡。图7(a)为开始记录气泡在电池底端产生；随着电池放电持续产热，气泡体积逐渐增大，如图7(b)所示，气泡即将分离；随着气泡体积的增大，气泡开始离开电池，如图7(c)所示；图7(d)为气泡上升过程以及下一个气泡开始产生。气泡的生长过程对电池表面的热边界层进行了破坏，导致对冷却工质进行强烈的扰动，降低了热接触电阻，强化了对流传热。

3 电池组浸没式冷却实验

3.1 浸没式冷却电池组实验系统

浸没式冷却实验系统如图8 所示。浸没式冷却结构包括电池模块、储液箱、恒温水箱、蠕动泵、数据采集仪、直流电源、流量计等元件，其中：直流电源为电池组进行充放电提供电源支持；蠕动泵是浸没式冷却系统的动力所在，为冷却液在整个系统中正常循环提供动力；储液箱的作用保证了冷却液在整个循环中得到充足利用；数据采集仪的作用在于记录电池模块当中电池的温度变化并传输到电脑中；系统工作时通过蠕动泵的驱动作用将储液箱的冷却工质运输到电池模块所在的密封箱中，在电池模块当中冷却工质吸收热量从而汽化，流出的气体经过恒温水箱的冷凝液化后回到储液箱体中进行循环实验，通过恒温水箱以及流量计来控制冷凝段的冷凝温度和冷凝水的流量。利用艾德克斯所生产的电池充放电仪器(IT-M3422)对电池进行充放电。在电池表面布置K型热电偶，采集电池表面平均温度并传输到数据采集仪(Agilent34970A)且记录到电脑当中。

3.2 结果分析

由图9 可知，电池组在1C、2C、3C倍率下，通过100%浸没在冷却工质当中的测点温度变化曲线趋势基本相似，呈现出随着放电深度的加深，电池组各测点温度逐渐升高，电池之间的温差较小，最终稳定在36 ℃左右波动而不再升高，且冷却工质出现了沸腾的现象，但是冷却工质沸腾的程度不同。

图9 不同放电倍率下100%浸没高度时电池组温升曲线

4 结论

本文对基于SF33 为冷却工质的浸没式冷却锂离子电池实验进行了相关的研究，并与风速为2 m/s 的强制风冷进行对比分析，得出的主要结论如下：

(1)以SF33 为冷却工质的浸没式冷却系统具有良好的散热效果。单体锂离子电池分别以3C、5C倍率进行放电时，浸没式冷却的最大温升比强制风冷分别低2.36 和6.45 ℃。

(2)当电池以5C倍率进行动态放电时，浸没式冷却能够将电池温度控制在34～36 ℃之间波动，波动温度低于1 ℃；强制风冷条件下电池温度波动上升，且波动范围比较大，约为浸没式冷却的4 倍。

(3)可视化实验中，冷却工质吸收电池的热量导致沸腾，气泡的产生破坏了电池表面的热边界层，对冷却工质进行强烈的扰动，降低了热接触电阻，从而强化了对流传热。

(4)浸没式冷却锂离子电池组实验中，电池温度保持在36 ℃不再升高，且电池之间的温差较小。