動力電池高倍率放電下浸沒冷卻性能分析

楊建輝，王 炎,，李丹陽，王賀武，宋增海

(1.青島理工大學機械與汽車工程學院，山東青島 266520；2.清華大學汽車安全與節能國家重點實驗室，北京 100080；3.濰坊職業學院信息工程學院，山東濰坊 261000)

車載電池熱管理系統設計目的在于保證電池工作溫度、溫差在最佳范圍內，保證電動汽車安全、高效工作，防止熱失控等安全事故發生，提升整車安全性能和長期運行可靠性[1]。目前，電池熱管理方式主要包括：風冷，液冷，相變材料冷卻等[2]。其中，液冷熱管理方式因其工質具有較大比熱容和導熱系數，良好的換熱能力，其商業化應用越發廣泛[3]。

液流冷卻方式可分為直接冷卻和間接冷卻。間接冷卻多采用一體化成型鋁合金冷板，通道內液體形成閉式循環帶走電池熱量，流體工質不與電池單體直接接觸[4]；直接冷卻(即浸沒冷卻)多將電池浸沒在冷卻工質中，對冷卻工質絕緣性、散熱效率、封裝等性能提出更高要求。因冷卻工質與電池表面直接接觸，浸沒冷卻具有能抑制局部高溫和提高溫度均勻性的優點[5]。

浸沒式冷卻系統目前在綠色數據中心方面應用廣泛。如:阿里云對磐久液冷一體機Immersion DC1000 系列采用浸沒冷卻熱管理系統進行散熱，使整體能耗下降34.6%[6]；中科曙光超級計算機采用兩相浸沒冷卻對CPU 進行液冷散熱，來降低大型數據中心的能耗[7]。目前，浸沒冷卻逐漸應用于電池整車熱管理方向，邁凱輪speedtail 是全球首款采用浸沒式冷卻電池技術的高端跑車[8]；法拉第未來公司也宣布與MIVOLT 一起為FF91 電動車開發浸沒式電池冷卻系統[9]。

液流浸沒冷卻按照是否相變劃分為單相冷卻和兩相冷卻[10]。單相冷卻通過顯熱換熱方式來降低溫度，要求工質工作沸點較高(多＞110 ℃)，比熱容大，因而絕緣油類(如硅油、白油、變壓器油等)成為研究熱點[11]。張進強等提出了一種利用絕緣油浸沒電池，分析電池模組的靜態和動態冷卻特性，研究油浸沒量，環境溫度，流量及流動方式等因素對其溫升特性的影響[12]。王國陽等對硅油、白油、變壓器油進行了單相浸沒冷卻實驗，結果表明變壓器油冷卻效果最好，最高溫度可降低29.2 ℃，性能提升42.9%[13]。羅玉濤等采用變壓器油作為冷卻液，發現優化流道結構后可控制電池模組最高溫度為34.2 ℃，最大溫差為3.3 ℃[14]。

兩相冷卻方式冷卻工質沸點較低(大多數＜60 ℃)，當溫度達到工質沸點時，液體工質相變轉化為氣體[15]。能通過液-氣轉化增強對流傳熱，提高熱管理換熱效率。佟薇等采用Novec7100 型氟化液對18650 鋰離子電池模組進行浸沒兩相冷卻，探究兩相冷卻對溫均性的提升，結果表明最大溫差可降低至4.4 ℃，溫均性比空氣中提升了45%[16]。吳曦蕾等建立不同電子氟化液浸沒兩相冷卻系統仿真模型，分別對D-1,FC-72,HFE-7100,Novec 四種電子氟化液不同的流速和進口溫度對散熱能力的影響進行了研究，結果表明流速越快，進口溫度越低，其散熱能力越強[17]。李小青等采用液態丙烷對鋰離子電池在不同浸沒高度下進行浸沒兩相實驗，并對最大溫差進行了研究，結果表明浸沒高度為30%時，最大溫差保持在6.3 ℃以下[18]。Li 等基于SF33 搭建浸沒冷卻模型，研究兩相冷卻與單項冷卻的冷卻效果，證明了兩相傳熱具有比單相傳熱有更高的傳熱系數，在7C放電倍率下，仍能將鋰離子電池控制在34.5 ℃以下[19]。

液流浸沒冷卻系統是一種新型熱管理方法，但是其對大倍率放電動力電池模組溫升抑制性能與溫均增效性能研究較少。本文以電子氟化液為例，通過實驗研究了電池放電倍率、荷電狀態對其沸騰過程中氣泡成核特性影響，分析了電池模組平均溫度、最大溫差、溫升速率、傳熱速率作用規律，可以為液流浸沒冷卻系統在車載動力系統方面應用發展提供理論指導與參考。

1 實驗平臺與測試方法

1.1 實驗臺架

實驗臺架原理示意圖如圖1 所示，電池模組放在盛有電子氟化液的密封容器內，容器半徑為45 mm，高度為130 mm。密封容器在端蓋上有3個圓形通孔，分別下置溫度傳感器以及充放電控制線。實驗過程中，容器放置在環境艙內。環境艙可以提供恒溫恒濕的空氣環境，可以模擬恒溫送風冷卻工況。其中：充放電機型號為CT-4001-5V100A-NTFA；恒溫環境艙型號為MHW-200；溫度數據采集儀型號為HIOKILR8431-30；k 型熱電偶傳感器型號為WRNT-02；實驗開始前標定電子氟化液初始質量，結束后稱量殘余電子氟化液的質量。每個工況進行3 次重復實驗，殘余電子氟化液質量相差≤5%，證明實驗可靠。

圖1 實驗系統原理示意圖

1.2 電池樣品

本實驗采用的電池為日本Sony 公司生產的So‐nyUS18650VTC6 型18650 動力型鋰離子電池，直徑為18 mm，高為65 mm，額定容量3 000 mAh，其參數如表1 所示。通過3節電池并聯的方式組成總容量為9 000 mAh 的電池模組，額定電壓為4.25 V。

表1 18650鋰離子電池相關參數

1.3 電子氟化液參數

冷卻液采用的是D2 電子氟化液，化學式為C6F12，相對分子質量為300，是一種低沸點，易揮發的冷卻液，其物性參數如表2 所示。電子氟化液通過吸收電池模組產生的熱量，由液態轉換為氣態來增加換熱系數，增大吸熱速率，使得電池保持在一定的溫度。實驗過程中，首先將電池模組放入容器內，先稱重，后加入電子氟化液，其初始高度為65 mm，初始質量為700 g。

表2 電子氟化液性能參數

浸沒冷卻下根據是否發生局部沸騰，換熱方式分為潛熱和顯熱換熱兩種類型[15]。

電子氟化液總吸熱量Q計算公式為：

式中：Q為總吸熱量(kJ)；Q1為顯熱吸熱量(kJ)；Q2為潛熱吸熱量(kJ)。

電子氟化液顯熱Q1的計算公式為：

式中：m冷為冷卻液質量(g)；θ1為初始溫度(℃)；θ2為最終溫度(℃)；c為氟化液比熱[kJ/(kg·℃)]。

液-氣質量轉化速率方程為：

式中：α 為t0時刻的液-氣轉化速率(g/s)；m液-氣為液-氣轉化量(g)；t0為時間(s)。

電子氟化液潛熱Q2計算公式為：

式中：r為汽化熱(kJ/kg)；t1為開始相變的時刻(s)；t2為結束相變的時刻(s)。

傳熱速率Φ為單位時間內通過傳熱面的熱量，方程為:

式中：Φ為傳熱速率(J/s)；k為傳熱系數[W/(m2·℃)]；S為傳熱面積(m2)；Δθ為溫度差(℃)。

1.4 溫度測試

實驗過程中檢測1 號、2 號、3 號電池的壁面中心，以及3號電池正負極的溫度變化。其中：電池模組表面平均溫度、溫升速率、電池模組表面最大溫差計算公式為：

式中：θ表為電池模組表面5 個測溫點的平均溫度(℃)；θi為i點處的溫度(℃)；β為單位時間內的溫升速率(℃/min)；θ表t0為t0時刻電池模組表面平均溫度(℃)；Δθn為電池模組最大溫差(℃)；θimax為某時刻最大溫度(℃)；θi1max為某時刻的最小溫度(℃)。

2 結果與討論

2.1 浸沒冷卻熱管理

2.1.1 起始沸騰點

采用電子氟化液為液流介質，電池模組冷卻過程根據是否觀測到局部核態沸騰現象劃分為兩階段：非相變階段和局部核態沸騰階段，如圖2 所示。由圖可知，以2C倍率放電時，單相浸沒冷卻持續時間為66 s，從67 s 開始進入局部核態沸騰階段，持續時間為1 734 s；以3C倍率放電時，單相浸沒冷卻持續時間為32 s，從33 s 開始進入局部核態沸騰階段，持續時間為1 168 s；以4C放電倍率放電時，單相浸沒冷卻持續時間為15 s，從16 s 時進入局部核態沸騰階段，持續時間為885 s；以5C倍率放電時，單相浸沒冷卻持續時間為14 s，從15 s 進入局部核態沸騰階段，持續時間為706 s。由此可知，放電倍率越大，進入局部核態階段的時間越早，但局部核態沸騰階段持續的時間越短，這是因為不同放電倍率下的放電時間和電子氟化液傳熱系數不同導致的。結果表明，放電倍率會影響進入局部核態沸騰的時刻以及持續時間。

圖2 不同階段持續時間

2.1.2 氣泡成核特性

電池模組在不同放電倍率下的沸騰換熱圖像如圖3 所示。由圖可知，在同倍率放電的工況下，隨著SOC的減小，換熱形式從自然對流過渡到強制對流。尤其是SOC較小時，電子氟化液出現彈狀流，隨著放電倍率增加，其沸騰成核速率顯著提升。相同SOC狀態下，放電倍率從2C增加到5C時，電子氟化液的沸騰成核率得到強化。結果表明，隨著放電倍率的增加和放電深度的增大，熱流密度增加，這能提高電子氟化液的成核速率。綜上：由Bernardi 方程[20]可知，放電倍率和內阻與產熱正相關，初始質量相同時，產熱越大，單位時間內電子氟化液吸收的熱量越多，溫度升高的越快，電池產熱局部高溫處的電子氟化液更快達到蒸發的條件。

圖3 沸騰換熱圖像

2.2 溫控增效分析

2.2.1 表面平均溫升

電池模組在不同放電倍率下，表面平均溫度的變化特性如圖4 所示。其中(a)、(b)分別是電池模組在風冷和電子氟化液液流浸沒冷卻條件下的溫度情況，(c)、(d)、(e)、(f)分別為2C，3C，4C，5C倍率下的溫升情況。由圖(a)、(b)可知，電池的溫升曲線呈現出隨SOC的降低而增大的趨勢。

圖4 不同倍率下的溫升情況

由圖4(c)可知，在風冷條件下，電池模組從100%SOC降到0%的溫升為10.1 ℃，平均溫升速率為0.34 ℃/min。采用液流浸沒冷卻，表面平均溫度提高了9.1 ℃，平均溫升速率為0.30 ℃/min，相對于風冷，溫升抑制性能提升2.1%。性能改善較小的原因是在2C放電倍率下，風冷條件下的散熱量基本滿足抑制電池溫升的需求。

由圖4(d)可知，在風冷條件下，電池模組從100%SOC降到0%的溫升為19.6 ℃，平均溫升速率為0.98 ℃/min。采用液流浸沒冷卻，表面平均溫度提高了12.4 ℃，平均溫升速率為0.62 ℃/min，相對于風冷，溫升抑制性能提升36.7%。

由圖4(e)可知，在風冷條件下，電池模組從100%SOC降到0%的溫升為26.8 ℃，平均溫升速率為1.78 ℃/min。采用液流浸沒冷卻，表面平均溫度提高了14.8 ℃，平均溫升速率為0.99 ℃/min，相對于風冷，溫升抑制性能提升44.6%。

由圖4(f)可知，在風冷條件下，電池模組從100%SOC降到0%的溫升為29.6 ℃，平均溫升速率為2.47 ℃/min。采用液流浸沒冷卻，表面平均溫度提高了15.9 ℃，平均溫升速率為1.33 ℃/min，相對于風冷，溫升抑制性能提升46.4%。

由上可知，在大倍率放電(3C，4C，5C)下，風冷不能抑制電池模組溫升是因為空氣的比熱小、導熱系數小，攜帶的熱量少，不能滿足散熱需求。相較于風冷，電子氟化液能有效抑制電池模組的溫升，在大倍率放電工況下抑制效能平均提升42.6%。這主要是因為液流浸沒冷卻工質比熱容大，能依靠單相顯熱和沸騰相變潛熱，以及發生相變湍流強化電池表面對流換熱，來抑制電池模組表面平均溫度的升高。

2.2.2 模組最大溫差

電池模組在不同放電倍率下，風冷與電子氟化液液流浸沒冷卻條件下電池表面最大溫差如圖5 所示。其中(a)、(b)、(c)、(d)分別為2C，3C，4C，5C放電倍率下電池模組最大溫差。

圖5 不同倍率下電池模組表面最大溫差

由圖5(a)可知，在風冷條件下，50%SOC時，電池模組最大溫差為4.8 ℃；0%SOC時，電池模組最大溫差為9.5 ℃。液流浸沒冷卻下，50%SOC時，電池模組最大溫差為1.9 ℃；0%SOC時，電池模組最大溫差為3.7 ℃。相對于風冷條件，50%SOC和0%SOC溫均性分別提升了60.4%、61%。

由圖5(b)可知，在風冷條件下，50%SOC時，電池模組最大溫差為8.2 ℃；0%SOC時，電池模組最大溫差為14.7 ℃。液流浸沒冷卻下，50%SOC時，電池模組最大溫差為2.9 ℃；0%SOC時，電池模組最大溫差為4.0 ℃。相對于風冷條件，50%SOC和0%SOC溫均性分別提升了64.6%、72.8%。

由圖5(c)可知，在風冷條件下，50%SOC時，電池模組最大溫差為10.7 ℃；0%SOC時，電池模組最大溫差為18.7 ℃。液流浸沒冷卻下，50%SOC時，電池模組最大溫差為4.1 ℃；0%SOC時，電池模組最大溫差為2.9 ℃。相對于風冷條件，50%SOC和0%SOC溫均性分別提升了61.7%、84.5%。

由圖5(d)可知，在風冷條件下，50%SOC時，電池模組最大溫差為12.4 ℃；0%SOC時，電池模組最大溫差為23.3 ℃。液流浸沒冷卻下，50%SOC時，電池模組最大溫差為5.2 ℃；0%SOC時，電池模組最大溫差為2.5 ℃。相對于風冷條件，50%SOC和0%SOC溫均性分別提升了58.4%、89.3%。

綜上可知，風冷條件下，以5C倍率放電50%SOC時，溫均性能較液流浸沒冷卻顯著惡化。主要原因是：空氣的導熱系數小、比熱容小，單位時間內攜帶的熱量有限，尤其是電池表面熱流密度增大時，極易出現局部高溫，無法滿足電池模組對溫均性＜6 ℃的要求。而液流浸沒冷卻因為可以增大接觸面積，相變湍流強化傳熱，比熱容大，導熱系數大，可抑制電池模組出現局部高溫，溫均性能得到顯著改善。

2.3 電子氟化液沸騰換熱

2.3.1 熱量傳遞

對于局部過熱，電子氟化液可以依靠自然對流和強制對流進行對流換熱。其中：在強制對流過程中，根據電子氟化液是否達到飽和溫度，可以劃分為依靠顯熱和潛熱共同換熱過程和依靠潛熱的沸騰過程。全過程換熱計算如表3 所示。

表3 不同倍率下的傳熱速率

由表3 可知，傳熱速率逐漸增大，因為電子氟化液的溫度超過了本身的飽和溫度，導致傳熱系數加強，傳熱速率增大。

2.3.2 質量轉化速率

電子氟化液發生相變換熱過程與熱量傳遞過程密切相關，氣液質量轉化速率越大，則沸騰換熱能力越強。而放電倍率越大，熱流密度越大，成核速度越快，質量轉化速率越快。實驗前后對氟化液轉化質量進行標定，在保證初始質量一致的情況下，對其質量轉化速率進行分析，如表4 所示。由表4 可知，質量轉化速率隨著放電倍率的增加而增大。

表4 不同倍率下的質量轉化特性

3 結論

浸沒冷卻系統是一種新型熱管理方法，能夠有效改善動力電池溫降性和溫均性。本文以電子氟化液為研究對象，歸納分析了不同冷卻方式、電池放電倍率對電子氟化液沸騰過程氣泡成核規律，電池模組溫升及其抑制特性、最大溫差、溫升速率、傳熱速率的影響特性。結果如下:

(1) 隨著放電倍率的增加和SOC的減少，核態沸騰狀態下的氣泡會從泡狀流發展到彈狀流，成核速率加快。

(2) 浸沒冷卻熱管理形式具有良好的溫升抑制性能。以5C放電過程為例，電池模組溫升為15.9 ℃，溫升速率為1.33 ℃/min；相較于風冷，溫升抑制性能強化了46.4%。

(3) 浸沒冷卻熱管理形式具有良好的溫均性能。以5C放電過程為例，50%SOC時，電池模組的最大溫差為5.2 ℃；相較于風冷，溫均性能提升了58.4%，將最大溫差控制在6 ℃內。

(4) 電子氟化液的傳熱速率和質量轉化速率均隨著放電倍率的增加呈現增大的趨勢。

上述研究結果表明：相較于風冷，液流浸沒冷卻方式通過增大傳熱面積、強化對流傳熱的途徑，加強相變湍流產生氣泡，抑制局部高溫，實現電池模組溫均性增效目的。因此，在車載動力系統、電化學儲能電站等領域具有良好的應用價值和發展前景。