中車青島四方車輛研究所有限公司(以下簡稱中車四方所)與美國M公司合作,共同研發(fā)了下一代軟包鋰電容單體(以下簡稱鋰電容),并在國內(nèi)建立了生產(chǎn)線生產(chǎn)?目前常見的
中車青島四方車輛研究所有限公司(以下簡稱“中車四方所”)與美國M公司合作,共同研發(fā)了下一代軟包鋰電容單體(以下簡稱“鋰電容”),并在國內(nèi)建立了生產(chǎn)線生產(chǎn)?目前常見的鋰電池(如磷酸鐵鋰?鈦酸鋰和錳酸鋰電池)和該鋰電容的性能參數(shù)對比如表1所示?
由表1可知,鋰電容具有功率密度高?循環(huán)壽命長以及工作溫度范圍廣等優(yōu)點,因此,鋰電容模組非常適合于城市軌道交通和乘用車等需要短時?大功率放電的工況?由于鋰電容的最低工作溫度較低,因此在熱管理系統(tǒng)中一般不需要考慮保溫和加熱功能;但是,與鋰電池相比,鋰電容模組的放電倍率較高,發(fā)熱情況更為嚴重,因此對散熱能力提出了更高的要求?
目前國內(nèi)關(guān)于軟包鋰電容模組的散熱研究較少,考慮到鋰電池與鋰電容的工作原理相同,具有相同的產(chǎn)熱和散熱模式,因此,本文首先對業(yè)內(nèi)常用的軟包鋰電池的散熱方式進行研究和對比分析,然后根據(jù)鋰電容的特點尋求更為合理的軟包鋰電容模組的散熱方案?目前軟包鋰電池共有種散熱模式:空氣冷卻?散熱片冷卻?間接液冷和直接液冷?這4種模式有一個共同特點,即選擇2個最大的相對表面作為散熱路徑?而文獻的研究表明,軟包鋰電池單體疊片或卷繞式結(jié)構(gòu)決定了在電池平板平面內(nèi)的導熱系數(shù)約為21W/(m·K),而在厚度方向僅為0.48W/(m·K),大約為平板平面的2%?因此,從理論上來看,鋰電池工作產(chǎn)生的熱量很難從內(nèi)部沿著厚度方向傳遞到這2個最大的相對表面進而傳遞到外部空間?在實際運用過程中,空氣冷卻和散熱片冷卻均需要氣流吹過電池表面,無法滿足模組的密封性要求,而液冷方式可以滿足模組的密封性要求?但是,間接液冷存在能量密度相對較低,液冷板價格昂貴,液冷管路復雜?接口多且大部分在模組內(nèi)部等缺點,一旦泄漏,會導致立刻短路;直接液冷一般采用礦物油作為冷媒,不存在冷媒泄漏導致短路的問題,但常用冷媒如二甲基硅油的導熱系數(shù)在25℃工作溫度下為0.14~0.16W/(m·K),約為水的1/4,因此其帶走熱量的能力一般,不適合短時?發(fā)熱嚴重的工況,且礦物油的存在會嚴重降低模組的質(zhì)量能量密度?可見,選擇2個最大的相對表面作為散熱路徑,無論是風冷模式還是液冷模式都存在很多不足,因此迫切需要對鋰電容進行進一步的研究,探索全新的散熱路徑,進而設(shè)計和生產(chǎn)出一種采用風冷散熱的密封型鋰電容模組?針對前文所述的4種散熱模式存在的問題,為了簡化散熱結(jié)構(gòu),提高散熱效果,有學者研究了采用單體極耳作為散熱路徑的可行性?試驗表明,采用極耳散熱具有極限散熱能力大?電池溫度一致性好的優(yōu)勢?鋰電容模組通過極耳散熱的路徑為:鋰電容單體→極耳→鋁基板(含高導熱陶瓷絕緣層)→散熱片(或水冷板),其中以并行液冷的散熱效果最好?但是,這種散熱模式仍然有一些缺點,如極耳和鋁基板之間?鋁基板和散熱片(或水冷板)之間的貼合效果不易保證?接觸熱阻難以控制,水冷管道泄漏等依然會導致短路故障,因此該散熱模式還需進一步優(yōu)化?優(yōu)化后的散熱路徑為:鋰電容單體→極耳→導熱膠墊(導熱凝膠)→散熱片(或水冷板)?與原有散熱路徑相比,取消了鋁基板,減少了2個接觸面,同時導熱膠墊或?qū)崮z具有導熱系數(shù)相對較高?接觸熱阻小的優(yōu)點,散熱效果較好?為驗證該散熱模式的有效性,本文將其應用于中車四方所研制的密封型鋰電容模組設(shè)計中,并對比導熱膠墊和導熱凝膠的散熱效果,為工程化的應用提供設(shè)計依據(jù)?根據(jù)工程需要,散熱路徑優(yōu)化后的密封型鋰電容模組結(jié)構(gòu)如圖1所示?其中,鋰電容模塊由中車四方所生產(chǎn)的2200F鋰電容單體“3并22串”輔以匯流排?塑料支架等零件構(gòu),單體的極耳和匯流排通過激光焊接實現(xiàn)電氣連接;極耳上面粘貼4片導熱膠墊;散熱片通過密封圈?相關(guān)緊固件與鋁合金外殼固定在一起,實現(xiàn)密封并保證導熱膠墊壓緊極耳表面使其具有合理的壓縮量?檢驗密封型鋰電容模組是否滿足散熱需求,最直接的方法是進行溫升試驗,試驗方案如圖2所示?首先在鋰電容模組內(nèi)部?極耳位置以及散熱片外側(cè)選定測溫點并布置NTC溫度傳感器?外部測溫點P1~P4位于散熱片外側(cè),P5~P8位于對向的散熱片外側(cè),且與P1~P4在該散熱片上的垂直投影重合;內(nèi)部測溫點p1~p8位于鋰電容模塊和導熱膠墊之間,和極耳排緊密貼合,位置與外部測溫點一一對應,內(nèi)部測溫點p9?p10位于鋰電容模組的幾何中心?鋰電容單體之間?使用溫度測試儀配合NTC溫度傳感器記錄各測溫點的溫度值?
將該鋰電容模組放置到特制的風道中,并使用EPDM等材料保證空氣最大程度從模組兩側(cè)的散熱片齒隙通過,最后在風道的末端安裝調(diào)速風機?在環(huán)境溫度27℃?充放電電流100A的試驗條件下,按照表2的試驗順序首先進行試驗1和試驗2,然后將模組內(nèi)的導熱膠墊更換為導熱凝膠進行試驗3?在達到穩(wěn)態(tài)的情況下,記錄3個試驗中各測溫點的溫度?在3個溫升試驗中,取內(nèi)部測溫點p9?p10的平均溫升作為鋰電容模組內(nèi)部平均溫升ΔT內(nèi),取內(nèi)部測溫點p1~p8的平均溫升作為極耳平均溫升ΔT極耳,取外部測溫點P1~P8的平均溫升作為外部平均溫升ΔT外?溫升試驗結(jié)果如表3所示?從試驗1來看,在風機轉(zhuǎn)速很低的情況下,ΔT內(nèi)為17.5℃,滿足鋰電容模組內(nèi)部溫升不得超過20℃的技術(shù)要求?從試驗2和試驗1的試驗結(jié)果對比來看,風機轉(zhuǎn)速從300r/min提高到600r/min后,ΔT內(nèi)下降了11.4%,ΔT極耳下降了30.4%,說明適當提高風速可以有效提高散熱效率?從試驗3和試驗1的試驗結(jié)果對比來看,將模組內(nèi)的導熱膠墊更換為導熱凝膠后,ΔT內(nèi)下降了約5%,ΔT極耳下降了17.9%,說明雖然導熱凝膠的導熱系數(shù)略低,但由于它和極耳?散熱片的界面熱阻更小,所以具有更好的散熱效果?在3組試驗中,鋰電容模組內(nèi)部和散熱片的溫差(ΔT內(nèi)-ΔT外)較小,分別為6.9℃?7.2℃?8.1℃,說明優(yōu)化后的散熱路徑有效?(1)采用“鋰電容單體→極耳→導熱膠墊(導熱凝膠)→散熱片”作為散熱路徑?強迫風冷作為散熱模式的密封型鋰電容模組具有良好的散熱效果,而且結(jié)構(gòu)簡單,可靠性高,成本更低?(2)在一定范圍內(nèi),提高風速是降低模組內(nèi)部溫度的有效途徑?(3)與導熱膠墊相比,雖然導熱凝膠的導熱系數(shù)略低,但仍具有較好的散熱效果?另外,在鋰電容模組其他結(jié)構(gòu)不變的情況下,可用液冷板代替散熱片,即可將鋰電容模組的散熱模式改為間接液冷散熱模式?與傳統(tǒng)的間接液冷模式相比,可節(jié)省大量的液冷板,而且結(jié)構(gòu)簡單,管道接口少且均在模組外部,即使漏液也不會導致立刻短路?建議今后對該液冷模式進行更深入的研究,進一步探索鋰電容模組的合理散熱模式?
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