摘要：鋰離子電池熱管理系統(tǒng)是控制其在合理溫度范圍內(nèi)工作的重要手段，其中浸沒冷卻是十分有效的鋰電池熱管 理方式。開展了不同絕緣冷卻液和不同充放電倍率下 18650 型鋰離子電池浸沒冷卻熱管理的實驗研究。詳細分析了 浸沒冷卻對鋰離子電池表面最高溫度、表面溫度均勻性及各項電學性能的影響。研究結(jié)果表明，三種絕緣冷卻液都 有較好的降溫效果。其中變壓器油對鋰離子電池浸沒冷卻效果顯著，在 2 C 充放電循環(huán)中可將最高溫度控制在 38.8 ℃，最高溫度下降 29.2 ℃，降溫幅度達到 42.9%，表面溫度差異可控制在 2 ℃以內(nèi)。浸沒冷卻使溫度大幅下降的 同時會伴隨有充放電時間的縮短和總?cè)萘康南陆怠?

自 20 世紀末以來，環(huán)境污染和能源危機已經(jīng)成為兩個全 球性的焦點問題[1]，發(fā)展新能源汽車是解決這些問題的一個 有效的途徑。近年來，鋰離子電池廣泛應用于純電動和混合 動力汽車上。然而，由于鋰離子電池自身的特點，其適宜的 工作溫度范圍比較窄，最佳工作溫度在 20~40 ℃之間[2]。同 時，當電池溫度持續(xù)升高且不能及時散熱時，一旦溫度超過 臨界溫度就可能引發(fā)熱失控[3]。因此，鋰離子電池熱管理對 于汽車性能和安全都是至關(guān)重要的。

目前，電池熱管理系統(tǒng)包括空氣冷卻系統(tǒng)、液體冷卻系 統(tǒng)和相變材料冷卻系統(tǒng)等。由于液體擁有高導熱性和高比 熱容,因此與其他冷卻策略相比，液冷是一種有效的冷卻方 法[4]。液冷一般又分為直接液冷和間接液冷兩種方式，在間 接液冷方面通常使用水、水和乙二醇混合物作為冷卻液，但 由于其導電性而限制了其有效性[5]。與間接液冷相比，直接 液冷通常使用冷卻液介質(zhì)有效降低電池的熱量，具有體積更 小、冷卻速度更快的優(yōu)點[6]。目前，浸沒冷卻技術(shù)已成功應用 于冷卻數(shù)據(jù)中心服務器和電力電子設備。Endo Toshio 等建 立了最先進的超級計算機原型，并采用了油浸冷卻，測試發(fā) 現(xiàn)與風冷同類產(chǎn)品相比，總功耗降低了 29%[7]。近年來，浸沒 冷卻也逐漸應用于鋰離子電池熱管理，Chen 比較了空氣冷 卻、直接油冷卻和間接水/乙二醇冷卻。研究發(fā)現(xiàn)，即使采取 低流量直接油冷仍比空氣冷卻具有更高的散熱效率[8]。佟薇 采用氟化液 Novec 7100 作為冷卻液對 18650 型鋰離子電池進 行浸沒冷卻，模擬結(jié)果表明電池組的最高溫度可以降低至30.8 ℃[9]。羅玉濤等采用變壓器油作為冷卻液對鋰電池進行 直接液冷，通過模擬發(fā)現(xiàn)在優(yōu)化流道結(jié)構(gòu)后可將電池組最高 溫度控制在 34.2 ℃[10]。本文選取了硅油、白油以及變壓器油 作為絕緣冷卻液，開展了鋰離子電池浸沒冷卻的相關(guān)實驗研 究，對不同工況下的 18650 型鋰離子電池的溫升情況、表面溫 度均勻性及電學性能進行了對比分析。

1 實驗裝置和實驗方法

本實驗采用的電池為日本松下 18650 型鋰離子電池,所 采用的硅油為西亞試劑公司生產(chǎn)的甲基硅油，白油、變壓器 油為天成美加公司生產(chǎn)的 15#白油及 25#變壓器油，其導熱系 數(shù)分別為 0.226 5、0.288 7、0.284 5 W/(m·K)。

圖 1 為鋰離子電池 1 C、2 C 充放電采用的設備，分別為新 威公司生產(chǎn)的型號為 CT-ZWJ-4S-1-1U 和型號為 CT-4008- 10V20A-NTFA 的電池檢測系統(tǒng)，溫度數(shù)據(jù)分別由美國國家儀 器(NI)生產(chǎn)的溫度采集卡進行記錄。所采用的熱電偶均為億 佳 公司生產(chǎn) 的 K 型 鎧 裝 熱 電 偶 WRNK - 191，測 溫 范圍為 0~1 100 ℃，溫度測量精度均為 0.1 ℃。實驗所用的浸沒容器 為 1 000 mL 標準燒杯，電池水平放置于燒杯的底部中央。熱 電偶的位置是固定的，1 號、2 號、3 號熱電偶的探針位置分別 位于電池距正極 3.3 cm、距正極 1 cm、距負極 1 cm 的位置。

本實驗分別在空氣、硅油、白油及變壓器油中進行對比 研究，冷卻液的用量均為 170 mL(完全浸沒)。實驗在紙箱 (長×寬×高，36 cm×25 cm×22 cm)中進行，室溫為 20 ℃，具體 的實驗工況見表 1。

2 結(jié)果和討論 2.1 浸沒冷卻下18650型鋰離子電池溫升分析

鋰電池在充放電過程中，其內(nèi)部發(fā)生化學反應產(chǎn)生熱 量，熱量從內(nèi)部傳播到表面，表現(xiàn)為電池表面溫度升高。圖 2 分別顯示了電池在 1 C、2 C 充放電過程中表現(xiàn)出的溫升變化 趨勢及不同冷卻液浸沒冷卻效果的對比。從圖 2 中可以看 出：在空氣中 1 C 充放電狀態(tài)下的鋰電池表面溫度從 20 ℃升 至 43.1 ℃，在硅油、白油及變壓器油中電池最高溫度分別為33.8、31.6、31.2 ℃。浸沒冷卻狀態(tài)下的鋰電池溫度大幅下 降，且處于合理的工作溫度區(qū)間。在硅油、白油及變壓器油 中浸沒狀態(tài)下的鋰電池溫度分別下降了 9.3、11.5、11.9 ℃，降 幅分別為 21.6%、26.7%、27.6%。溫度降幅的差異性主要是由 三種冷卻液的導熱系數(shù)不同導致的。結(jié)果表明，在 1 C 充放 電工況下，硅油、白油和變壓器油均能有效降低鋰電池的表 面溫度，其中白油和變壓器油兩種礦物油的降溫效果最好， 硅油的降溫效果一般。

從圖 2中可以看出，在空氣中 2 C 充放電狀態(tài)下的鋰電池 最高溫度可達到 68 ℃，這個溫度已經(jīng)遠遠超出鋰電池的合理 工作溫度區(qū)間。高倍率放電工況下，放電電流較大，鋰電池 內(nèi)部化學反應速度加快，內(nèi)部產(chǎn)生大量熱量，導致熱量累積 及溫度快速升高，且放電倍率越高，溫度升高越快，溫度峰值 越大。結(jié)果表明，浸沒冷卻對高倍率充放電下鋰離子電池的 溫度進行了有效控制。在硅油、白油及變壓器油中電池最高 溫度分別可達 47.1、39.1 和 38.8 ℃，降溫分別為 20.9、28.9、 29.2 ℃，降幅分別為 30.7%、42.5%、42.9%。2 C 工況下不同冷 卻液降溫效果差異性體現(xiàn)更為明顯，高導熱系數(shù)的白油和變 壓器油更適合鋰電池的浸沒冷卻。

2.2 浸沒冷卻下 18650 型鋰離子電池表面溫度均勻 性分析

鋰離子電池在不同位置的表面溫度差異也對鋰電池的 安全性起到十分重要的作用。隨著充放電倍率的提高和持 續(xù)時間的延長，單個鋰電池表面溫度不均勻性也會隨之逐漸 升高。這會引起電池性能的下降，嚴重的將導致熱失控的發(fā) 生。本實驗的表面溫度均勻性分析過程中采取了中間與兩 側(cè)極耳處的溫差來表示電池的表面溫度均勻性情況，進而探 討在不同浸沒情況下的冷卻效果。

圖 3 表明，在空氣中電池 1 C 充放電工況下中間與負極、 中間與正極的最大溫差分別為 1.4 和 2.3 ℃。在中間和負極 的最大溫差方面，硅油、白油及變壓器油浸沒冷卻可以將其 縮小到 0.4、0.4、0.2 ℃，溫差分別減少了 1、1、1.2 ℃。在中間 和正極的最大溫差方面，硅油、白油及變壓器油浸沒冷卻，可 將其分別縮小為 0.7、0.7、0.8 ℃，溫差分別減少了 1.6、1.6、 1.5 ℃。結(jié)果表明，在 1 C 充放電情況下，鋰離子電池的產(chǎn)熱 較小，此時在三種冷卻液中均有良好的散熱效果，鋰電池的 表面溫度均勻性能保持 1 ℃以內(nèi)的溫差。從圖 3 中可以看出在空氣中電池 2 C 充放電工況下中間與負極、中間與正極的 最大溫差分別為 2.4 和 2.9 ℃。在中間和負極的溫差方面，硅 油、白油及變壓器油浸沒冷卻可以將最大溫差縮小到 2.4、 1.5、1.6 ℃，溫差分別減少了 0、0.9、0.8 ℃。在中間和正極的 溫差方面，硅油、白油及變壓器油浸沒冷卻可將溫差分別縮 小為 2、1.1、0.8 ℃，溫差分別減少了 0.9、1.8、2.1 ℃。說明在 2 C 充放電工況下，鋰電池的產(chǎn)熱迅速升高，從而導致鋰電池 的表面溫度也出現(xiàn)了極大的不平衡。相對于 1 C 充放電，在 2 C 工況下，中間與負極的最大溫差增大了 1 ℃，中間與正極 的最大溫差增大了 0.6 ℃。在浸沒冷卻介質(zhì)方面，硅油冷卻 效果一般，白油和變壓器油能將中間與正極溫差值及中間與 負極的溫差值控制在 2 ℃以內(nèi)，能夠有效控制鋰電池表面溫 度均勻性。

2.3 浸沒冷卻對 18650 型鋰離子電池的電學性能影響分析

浸沒冷卻對鋰電池產(chǎn)生的影響除了溫度的降低以外，在 電學性能方面也會產(chǎn)生相應的影響。圖 4 分別顯示了在 1 C 和 2 C 充放電工況下，鋰電池在電流、電壓方面的變化情況。

通過圖 4 發(fā)現(xiàn)，空氣中電池的放電時間較長，在硅油、白油及 變壓器油中，電池的放電時間依次縮短。在充放電過程中的 恒流階段會有相應的時間縮短現(xiàn)象，這是因為在恒流條件下 鋰離子的總通量大致相同，在較低溫度環(huán)境下，需要更高的 濃度梯度來克服較慢的擴散率以滿足所需的通量。濃度梯 度越大，電極過電位越高，電極利用率不均勻，導致在較低溫 度下工作時更快達到截止電壓。通過電壓變化趨勢可以進 一步驗證對鋰電池充放電時間不同的解釋。在恒流放電開 始以后電壓同時從 3.8 V 開始下降，在變壓器油、白油、硅油 及空氣三種狀態(tài)下的鋰電池先后達到截止電壓。這種現(xiàn)象 在 2 C 充放電工況下更為明顯。通過表 2 對容量的統(tǒng)計對比 可以發(fā)現(xiàn)，在硅油、白油及變壓器油中電池的容量是逐漸下 降的。硅油、白油、變壓器油浸沒冷卻在 1 C 充放電工況下平 均充放電總?cè)萘肯陆捣謩e為 181.25、238.5、237.25 mAh，容量 降幅分別為 5.76%、7.58%、7.54%。在 2 C 充放電工況下，平 均放電容量下降分別為 593、1 038.75、1 174.5 mAh，容量降幅 分別為 19.69%、34.49%、38.99%。單體 18650 鋰電池充放電 容量受浸沒冷卻影響較大，主要是因為溫度的降低導致了鋰 電池充放電時間的縮短。浸沒冷卻對鋰電池容量的影響主 要體現(xiàn)在恒流放電和恒流充電階段，在這兩個階段中，容量 與電流呈正相關(guān)的關(guān)系，隨著恒流充放電時間的縮短，充放電容量也會逐漸減小，這與圖 4 中的電流和電壓數(shù)據(jù)一致。

3 結(jié)論

直接液冷是冷卻效果十分明顯的鋰離子電池熱管理方 式，其中利用絕緣油來進行浸沒冷卻具有經(jīng)濟、方便、有效的 優(yōu)點，本實驗選取三種絕緣油來進行對比實驗，得出以下結(jié) 論：

(1)在浸沒冷卻中不同充放電倍率情況下，不同的絕緣油 有不同的冷卻效果，其中在 2 C 充放電倍率下，鋰離子電池在 空氣中溫度可達 68 ℃，變壓器油可使電池表面溫度下降至 38.8 ℃，表現(xiàn)出極好的冷卻效果; 

(2)在 1 C 與 2 C 充放電情況下，電池表面最大溫差分別 為 2.3 和 2.9 ℃。在 2 C 充放電工況下，白油與變壓器油可以 將表面溫度差控制在 2 ℃以內(nèi)，硅油在表面溫度均勻性的表 現(xiàn)不及白油與變壓器油; 

(3)隨著冷卻效果的提升，電池更快達到充放電截止條 件，使充放電的時間相應縮短，導致鋰電池充放電總?cè)萘侩S 著恒流充放電時間的縮短相應減少。這種現(xiàn)象在高倍率充 放電工況下更為明顯;

(4)硅油較低的導熱系數(shù)限制了其作為導熱油的有效性。變壓器油和白油在高溫情況下具有更好的冷卻效果，但是降 溫會帶來電池充放電總?cè)萘肯陆档膯栴}