基于浸没冷却的锂离子电池热管理性能研究

自 20 世纪末以来，环境污染和能源危机已经成为两个全 球性的焦点问题[1]，发展新能源汽车是解决这些问题的一个 有效的途径。近年来，锂离子电池广泛应用于纯电动和混合 动力汽车上。然而，由于锂离子电池自身的特点，其适宜的 工作温度范围比较窄，最佳工作温度在 20~40 ℃之间[2]。同 时，当电池温度持续升高且不能及时散热时，一旦温度超过 临界温度就可能引发热失控[3]。因此，锂离子电池热管理对 于汽车性能和安全都是至关重要的。

目前，电池热管理系统包括空气冷却系统、液体冷却系 统和相变材料冷却系统等。由于液体拥有高导热性和高比 热容,因此与其他冷却策略相比，液冷是一种有效的冷却方 法[4]。液冷一般又分为直接液冷和间接液冷两种方式，在间 接液冷方面通常使用水、水和乙二醇混合物作为冷却液，但 由于其导电性而限制了其有效性[5]。与间接液冷相比，直接 液冷通常使用冷却液介质有效降低电池的热量，具有体积更 小、冷却速度更快的优点[6]。目前，浸没冷却技术已成功应用 于冷却数据中心服务器和电力电子设备。Endo Toshio 等建 立了最先进的超级计算机原型，并采用了油浸冷却，测试发 现与风冷同类产品相比，总功耗降低了 29%[7]。近年来，浸没 冷却也逐渐应用于锂离子电池热管理，Chen 比较了空气冷 却、直接油冷却和间接水/乙二醇冷却。研究发现，即使采取 低流量直接油冷仍比空气冷却具有更高的散热效率[8]。佟薇 采用氟化液 Novec 7100 作为冷却液对 18650 型锂离子电池进 行浸没冷却，模拟结果表明电池组的最高温度可以降低至30.8 ℃[9]。罗玉涛等采用变压器油作为冷却液对锂电池进行 直接液冷，通过模拟发现在优化流道结构后可将电池组最高 温度控制在 34.2 ℃[10]。本文选取了硅油、白油以及变压器油 作为绝缘冷却液，开展了锂离子电池浸没冷却的相关实验研 究，对不同工况下的 18650 型锂离子电池的温升情况、表面温 度均匀性及电学性能进行了对比分析。

本实验采用的电池为日本松下 18650 型锂离子电池,所 采用的硅油为西亚试剂公司生产的甲基硅油，白油、变压器 油为天成美加公司生产的 15#白油及 25#变压器油，其导热系 数分别为 0.226 5、0.288 7、0.284 5 W/(m·K)。

图 1 为锂离子电池 1 C、2 C 充放电采用的设备，分别为新 威公司生产的型号为 CT-ZWJ-4S-1-1U 和型号为 CT-4008- 10V20A-NTFA 的电池检测系统，温度数据分别由美国国家仪 器(NI)生产的温度采集卡进行记录。所采用的热电偶均为亿 佳 公司生产 的 K 型 铠 装 热 电 偶 WRNK - 191，测 温 范围为 0~1 100 ℃，温度测量精度均为 0.1 ℃。实验所用的浸没容器 为 1 000 mL 标准烧杯，电池水平放置于烧杯的底部中央。热 电偶的位置是固定的，1 号、2 号、3 号热电偶的探针位置分别 位于电池距正极 3.3 cm、距正极 1 cm、距负极 1 cm 的位置。

本实验分别在空气、硅油、白油及变压器油中进行对比 研究，冷却液的用量均为 170 mL(完全浸没)。实验在纸箱 (长×宽×高，36 cm×25 cm×22 cm)中进行，室温为 20 ℃，具体 的实验工况见表 1。

锂电池在充放电过程中，其内部发生化学反应产生热 量，热量从内部传播到表面，表现为电池表面温度升高。图 2 分别显示了电池在 1 C、2 C 充放电过程中表现出的温升变化 趋势及不同冷却液浸没冷却效果的对比。从图 2 中可以看 出：在空气中 1 C 充放电状态下的锂电池表面温度从 20 ℃升 至 43.1 ℃，在硅油、白油及变压器油中电池最高温度分别为33.8、31.6、31.2 ℃。浸没冷却状态下的锂电池温度大幅下 降，且处于合理的工作温度区间。在硅油、白油及变压器油 中浸没状态下的锂电池温度分别下降了 9.3、11.5、11.9 ℃，降 幅分别为 21.6%、26.7%、27.6%。温度降幅的差异性主要是由 三种冷却液的导热系数不同导致的。结果表明，在 1 C 充放 电工况下，硅油、白油和变压器油均能有效降低锂电池的表 面温度，其中白油和变压器油两种矿物油的降温效果最好， 硅油的降温效果一般。

从图 2中可以看出，在空气中 2 C 充放电状态下的锂电池 最高温度可达到 68 ℃，这个温度已经远远超出锂电池的合理 工作温度区间。高倍率放电工况下，放电电流较大，锂电池 内部化学反应速度加快，内部产生大量热量，导致热量累积 及温度快速升高，且放电倍率越高，温度升高越快，温度峰值 越大。结果表明，浸没冷却对高倍率充放电下锂离子电池的 温度进行了有效控制。在硅油、白油及变压器油中电池最高 温度分别可达 47.1、39.1 和 38.8 ℃，降温分别为 20.9、28.9、 29.2 ℃，降幅分别为 30.7%、42.5%、42.9%。2 C 工况下不同冷 却液降温效果差异性体现更为明显，高导热系数的白油和变 压器油更适合锂电池的浸没冷却。

锂离子电池在不同位置的表面温度差异也对锂电池的 安全性起到十分重要的作用。随着充放电倍率的提高和持 续时间的延长，单个锂电池表面温度不均匀性也会随之逐渐 升高。这会引起电池性能的下降，严重的将导致热失控的发 生。本实验的表面温度均匀性分析过程中采取了中间与两 侧极耳处的温差来表示电池的表面温度均匀性情况，进而探 讨在不同浸没情况下的冷却效果。

图 3 表明，在空气中电池 1 C 充放电工况下中间与负极、 中间与正极的最大温差分别为 1.4 和 2.3 ℃。在中间和负极 的最大温差方面，硅油、白油及变压器油浸没冷却可以将其 缩小到 0.4、0.4、0.2 ℃，温差分别减少了 1、1、1.2 ℃。在中间 和正极的最大温差方面，硅油、白油及变压器油浸没冷却，可 将其分别缩小为 0.7、0.7、0.8 ℃，温差分别减少了 1.6、1.6、 1.5 ℃。结果表明，在 1 C 充放电情况下，锂离子电池的产热 较小，此时在三种冷却液中均有良好的散热效果，锂电池的 表面温度均匀性能保持 1 ℃以内的温差。从图 3 中可以看出在空气中电池 2 C 充放电工况下中间与负极、中间与正极的 最大温差分别为 2.4 和 2.9 ℃。在中间和负极的温差方面，硅 油、白油及变压器油浸没冷却可以将最大温差缩小到 2.4、 1.5、1.6 ℃，温差分别减少了 0、0.9、0.8 ℃。在中间和正极的 温差方面，硅油、白油及变压器油浸没冷却可将温差分别缩 小为 2、1.1、0.8 ℃，温差分别减少了 0.9、1.8、2.1 ℃。说明在 2 C 充放电工况下，锂电池的产热迅速升高，从而导致锂电池 的表面温度也出现了极大的不平衡。相对于 1 C 充放电，在 2 C 工况下，中间与负极的最大温差增大了 1 ℃，中间与正极 的最大温差增大了 0.6 ℃。在浸没冷却介质方面，硅油冷却 效果一般，白油和变压器油能将中间与正极温差值及中间与 负极的温差值控制在 2 ℃以内，能够有效控制锂电池表面温 度均匀性。

浸没冷却对锂电池产生的影响除了温度的降低以外，在 电学性能方面也会产生相应的影响。图 4 分别显示了在 1 C 和 2 C 充放电工况下，锂电池在电流、电压方面的变化情况。

通过图 4 发现，空气中电池的放电时间较长，在硅油、白油及 变压器油中，电池的放电时间依次缩短。在充放电过程中的 恒流阶段会有相应的时间缩短现象，这是因为在恒流条件下 锂离子的总通量大致相同，在较低温度环境下，需要更高的 浓度梯度来克服较慢的扩散率以满足所需的通量。浓度梯 度越大，电极过电位越高，电极利用率不均匀，导致在较低温 度下工作时更快达到截止电压。通过电压变化趋势可以进 一步验证对锂电池充放电时间不同的解释。在恒流放电开 始以后电压同时从 3.8 V 开始下降，在变压器油、白油、硅油 及空气三种状态下的锂电池先后达到截止电压。这种现象 在 2 C 充放电工况下更为明显。通过表 2 对容量的统计对比 可以发现，在硅油、白油及变压器油中电池的容量是逐渐下 降的。硅油、白油、变压器油浸没冷却在 1 C 充放电工况下平 均充放电总容量下降分别为 181.25、238.5、237.25 mAh，容量 降幅分别为 5.76%、7.58%、7.54%。在 2 C 充放电工况下，平 均放电容量下降分别为 593、1 038.75、1 174.5 mAh，容量降幅 分别为 19.69%、34.49%、38.99%。单体 18650 锂电池充放电 容量受浸没冷却影响较大，主要是因为温度的降低导致了锂 电池充放电时间的缩短。浸没冷却对锂电池容量的影响主 要体现在恒流放电和恒流充电阶段，在这两个阶段中，容量 与电流呈正相关的关系，随着恒流充放电时间的缩短，充放电容量也会逐渐减小，这与图 4 中的电流和电压数据一致。

直接液冷是冷却效果十分明显的锂离子电池热管理方 式，其中利用绝缘油来进行浸没冷却具有经济、方便、有效的 优点，本实验选取三种绝缘油来进行对比实验，得出以下结 论：

(1)在浸没冷却中不同充放电倍率情况下，不同的绝缘油 有不同的冷却效果，其中在 2 C 充放电倍率下，锂离子电池在 空气中温度可达 68 ℃，变压器油可使电池表面温度下降至 38.8 ℃，表现出极好的冷却效果; 

(2)在 1 C 与 2 C 充放电情况下，电池表面最大温差分别 为 2.3 和 2.9 ℃。在 2 C 充放电工况下，白油与变压器油可以 将表面温度差控制在 2 ℃以内，硅油在表面温度均匀性的表 现不及白油与变压器油; 

(3)随着冷却效果的提升，电池更快达到充放电截止条 件，使充放电的时间相应缩短，导致锂电池充放电总容量随 着恒流充放电时间的缩短相应减少。这种现象在高倍率充 放电工况下更为明显;

(4)硅油较低的导热系数限制了其作为导热油的有效性。变压器油和白油在高温情况下具有更好的冷却效果，但是降 温会带来电池充放电总容量下降的问题