电动汽车动力电池浸没冷却可行性研究

佟薇

摘要：本文研究针对使用浸没冷却系统对电动汽车动力电池进行热管理的可行性。通过与空气冷却系统的对比，从降低电池组最高温度、电池-电池最大温差、降低电池组平均温度等方面阐述了浸没冷却系统的优势。

Abstract： This paper investigated the feasibility of liquid immersion cooling of battery pack for electric vehicles. By comparing with air cooling system， the liquid cooling system showed better performance in terms of decreasing the maximum battery temperature， minimizing the temperature difference between cells， and lowering the average temperature of the battery pack.

關键词：锂离子电池;热管理;浸没冷却;电动汽车

Key words： lithium-ion battery;thermal management;immersion cooling;electrical vehicle

中图分类号：TM912.9                                   文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2020）24-0204-02

0  引言

锂离子电池具有能量密度高、功率密度高、循环寿命长、自放电率低、允许工作温度范围宽等优点，它已经成为电动汽车的首选动力电池。锂离子电池在充放电过程中会发生一系列包括锂离子在正负电极间迁移的化学反应，从而产生热量。在实际运行环境中，锂离子电池一般会在大倍率放电情况下工作以满足汽车的动力需求，这也增加了电池运行温度。高温运行及单体电池间的温度不均匀性会加速电池老化，引发热失控，是电动汽车安全性的巨大威胁[1]。

所以，有效的电池热管理系统，将锂离子电池控制在正常工作温度，对提高电池性能和汽车安全至关重要。合理的锂离子电池热管理方案，一般要求电池组内各单体电池间温度差不超过5℃，电池组保持在20-40℃的正常工作温度[2]。浸没冷却通过冷却工质液体直接与电池接触进行对流换热，将电池产生的热量散走。浸没冷却具有比热容大、换热系数高、均温性好等特点[3]。本文将利用数值模拟分析的手段，研究利用液体浸没冷却系统对电动汽车锂离子电池进行热管理的可行性。

1  系统与方法描述

本文研究一列由10个单体18650三元锂离子电池（LiNixCoyMnzO2）串联的电池组。表1列出了单个电池的主要参数。电池-电池间距为2mm。电池组安装在尺寸为248mm×90mm×24mm的浸没冷却腔中，电池组与上下壁面的距离分别为20mm和5mm，与个垂直壁面等距。冷却工质进出口分别在浸没冷却腔的上下壁面。

在模拟中，电池发热由电化学反应产生的不可逆热（Qir）和可逆热（Qre）两部分组成[5]。其中不可逆热可以表达为[6]：

I为电流（A），Re为由焦耳热导致的热阻（Ω）。可逆热可以表达为：

本文使用3M公司的工程液体Novec 7100作为冷却工质。它是一种电介质流体，具有热物性高、环保性能好、安全性高等优点。表2列出了Novec 7100的主要参数。

2  结果与讨论

通过与相同雷诺数（Re）下空气冷却电池组的结果对比，说明浸没冷却在控制电池组最高温度（Tmax），降低电池-电池间最大温差（ΔTmax = Tmax-Tmin）及降低平均温度（Tavg）的优势。雷诺数范围为1000-2500，环境温度为25℃。

如图1显示，以电池底部温度分布为例，当1C倍率放电结束时，靠近流场出口的3个单体电池温度最高，在空气冷却系统中，最高温度为40℃，已经到达锂离子电池正常运行的最高温度;而利用浸没冷却，最高温度仅为32℃。

图2进一步显示了不同冷却方式对电池组最高温度的影响。电池组的最高温度随着雷诺数的增高而降低。如在空气冷却系统中，当雷诺数从1000提高到2500时，电池组的最高温度从超过正常工作温度的42.2℃降低到正常工作温度范围的37.5℃。但这需要更大的风机功率来满足空气的流速需求。而在浸没冷却系统中，在雷诺数为1000时，电池组的最高温度也可以维持在33℃。当雷诺数为2500时，电池组的最高温度可以降低到30.8℃。

图3显示了不同冷却系统对电池组内电池间最高温差的影响。如前文提到，合理的电池-电池间的温差应控制在5℃以内。然后在空气冷却系统中，即使在最大的雷诺数下，电池-电池间的最大温差也会达到8℃。而在浸没冷却系统中，虽然在最小的雷诺数下，最大温差为6.1℃， 但最大温差随着雷诺数的增加而降低，当雷诺数为2500时，最大温差可以控制在4.4℃。

图4显示了不同冷却系统对电池组平均温度的影响。在空气冷却系统中，平均温度随着雷诺数增加而降低，但要得到较低的电池温度，需要较高的空气流速。而浸没系统可以在较低的流速下，就将电池组的平均温度控制在30.5℃的较低水平。这说明浸没系统可以在较低泵功率输入情况下，带走电池组中更多的热量，使电池保持在正常的温度。

3  結论

本文对比了浸没冷却和空气冷却锂离子电池组的散热性能。通过比较电池组内电池的最高温度、电池-电池间的最大温差、电池组平均温度说明了浸没冷却系统对冷却锂离子电池组的可行性与优势。

参考文献：

[1]G. Xia， L. Gao， G. Bi， A review on battery thermal management in electric vehicle application， Journal of Power Sources 367 （2017） 90-105.

[2]T.M. Bandhauer， S. Garimella， T.F. Fuller， A critical review of thermal issues in lithium-ion batteries， Journal of The Electrochemical Society 158 （3） （2011） R1 - R25.

[3]L. Zhu， R.F. Boehm， Y. Wang， C. Halford， Y. Sun， Water immersion cooling of PV cells in a high concentration system， Solar Energy Materials and Solar Cells 95 （2） （2011） 538 - 545.

[4]J. E， M. Yue， J. Chen， H. Zhu， Y. Deng， Y. Zhu， F. Zhang， M. Wen， B. Zhang， S. Kang， Effects of the different air cooling strategies on cooling performance of a lithium-ion battery module with baffle， Applied Thermal Engineering 144 （2018） 231 - 241.

[5]C.R. Pals， Thermal modeling of the lithium/polymer battery， Journal of The Electrochemical Society 142 （1995） 3274 - 3281.

[6]S.Al Hallaj， R. Venkatachalapathy， J. Prakash， J.R. Selman， Entropy changes due to structural transformation in the graphite anode and phase change of the LiCoO2 cathode， Journal of The Electrochemical Society 147 （2000） 2432 - 2436.

[7]G. Karimi， X. Li， Thermal management of lithium-ion batteries for electric vehicles， International Journal of Energy Research 37 （2013）：13-24.