電動車石墨烯浸潤式冷卻電池熱管理系統技術

摘要：本文主要探討浸潤式冷卻技術在電動車電池系統中的應用。電動車因高馬力的輸出與快速充電的需求逐年提升，導致電池的發熱量不斷增加，然而高溫對電池性能和壽命的不良影響成為一個關鍵問題。利用石墨烯浸潤式冷卻技術可以提供更穩定的溫度控制，延長電池的壽命，同時提高車輛的性能和安全性。隨著對電動車需求的增加，浸潤式冷卻技術有望在未來得到廣泛應用。
Abstract：This article primarily explores the application of immersive cooling technology in electric vehicle battery systems. As the demand for electric vehicles continues to rise due to high power output and fast charging requirements, the heat generation of batteries also increases. However, the adverse effects of high temperatures on battery performance and lifespan have become a critical issue. Graphene immersion cooling technology can provide more stable temperature control, prolong the lifespan of batteries, and enhance vehicle performance and safety. With the increasing demand for electric vehicles, immersive cooling technology is expected to be widely applied in the future.

關鍵詞：電動車、電池熱管理系統、石墨烯浸潤式冷卻
Keywords：Electric vehicle, Battery thermal management system, Graphene immersion cooling

前言
淨零碳排為全球對於環境發展的共識，面對這股浪潮各國莫不致力發展電動車[1]，以達成淨零碳排的目標。作為電動車儲能和動力來源的關鍵元件的電池，成為各大廠爭相投入的研發重點。隨著電池的功率密度逐年提升，電池的發熱量與之增加。若電池的溫度超過45℃將會損害充放電的性能[2]，過高的溫度將導致電池起火，嚴重危害人員的安全。因此如何快速且大量地將熱導離電池以便有效散熱，成為一項重要的研究議題。
將奈米流體導入散熱領域，最早是源自於Maxwell [3]發表電磁學通論，內部除了整合電磁特性理論，另帶來粒子在流體內的混合液體雙相流的新觀念，雖20世紀初期無法製作出奈米流體，Maxwell利用理論預測懸浮液體加入圓形粒子，熱傳導性能會提升。到了20世紀中期，Hamilton與Crosser [4]認為熱傳應在粒子表面發生，於是控制粒子外型及表面積，修正Maxwell模型，並進一步增加熱傳導率。1975年Ahuja [5]研究粒子的體積、尺寸和流率對熱傳導影響，然而當時尚無法製作出奈米粒子與合適的懸浮劑，無法將奈米粒子於流體中恰當地分離，僅在工作流體中加入微米和毫米尺寸的粒子，卻發現熱傳導率增加，驗證Maxwell的理論預測是正確的。可惜因粒子較大，實驗最終出現微米和毫米尺寸的粒子，阻塞管路甚至造成管路磨損。
在20世紀末期，奈米科技漸漸成熟，Choi 等人[6]第一個使用氧化銅奈米流體和二氧化鈦奈米流體，在奈米流體中探討熱傳導能力，改善之前的微米粒子和毫米粒子的缺失。目前在奈米材料中，以石墨烯的熱傳導效率最佳，可達5,300 W/mK，遠高於奈米氧化銅粉、奈米氧化鋁粉等材質。
You等人[7]研究奈米流體在池沸騰時，奈米粉末對臨界熱通量的影響，實驗結果發現奈米流體的臨界熱通量約為水的兩倍。而浸潤式冷卻可應用於太陽能板、Data Center、電動車電池散熱等議題[8]，並可提升空間溫度均勻度、節省散熱能源、節省散熱成本。Roe等人[9]對浸潤式冷卻於鋰電池做文獻回顧，包含電池於浸潤式冷卻的優點，可以達到更均溫，使得電池健康壽命提升。Luo等人[10]利用奈米碳化矽添加油，對data center進行浸潤式冷卻，研究其最佳散熱。研究結果發現，添加奈米碳化矽可以增加浸潤式冷卻液體的熱傳能力，因為懸浮奈米粉末能夠在流體流動時，達到很好的熱交換。Suhaib等人[11]對金剛石-石墨烯摻雜在礦物油中分析流變行為，其中發現黏度受濃度、溫度、剪切速率和表面活性劑有顯著影響。Dinesh等人[12]研究並模擬氧化石墨烯對礦物油奈米潤滑劑的熱流變行為，找到0.75 vol%氧化石墨烯之潤滑劑，熱導率和動態黏度分別提高到70%和50%。故本文將石墨烯混入到浸潤式冷卻液體，雖使電阻下降，然其熱傳導能力不降反升，並利用實驗平台驗證模型電池在不同充放電時的溫度。
理論分析和實驗架構
1.電池發熱量
Yuqi等人[13]研究電池放電時的發熱量。單顆電池放電時的發熱率可以透過Bernadi方程式計算，如式(1)所示。單位時間單位體積的電池發熱率q(W/m3)可表示為

(1)

I是通過電池的電流，充電時為正號，放電時為負號。Vb為單顆電池單元的有效計算體積。U和U0分別為電池單元的測試電壓和開路電壓。T是當前的電池溫度。TdU0/dT是與電化學反應有關的參數，稱為溫度係數。內阻可設為0.04 Ω，TdU0/dT可設為0.01116 V。之後將不同放電條件下的發熱率計算為恆定值。如計算單顆18650電池在放電下的發熱率，1C放電電流1.35 A。單顆18650電池的直徑1.8 cm，高6.5 cm，則體積Vb為1.654x10-5 m3。假設其內組為0.04 Ω，TdU0/dT為0.01116 V，則單顆電池單位體積發熱率q為0.087966 W。如計算單顆18650電池在放電下的發熱率，2C放電電流2.70 A，則單顆電池單位體積發熱率q為0.321732 W。依此類推，3C的單顆電池單位體積發熱率q為0.701346 W；4C的單顆電池單位體積發熱率q為1.226744 W。
2.實驗架構
實驗設計利用紅銅製作電動車的18650電池模型，直徑1.8 cm，高6.5 cm，中心放置加熱棒直徑0.65 cm，高5.0 cm。並布置熱電偶、這些thermocouples, K-type 1 mm-diameter (Omega, Inc.), 其溫度分別標示為T1至T4。 T1緊貼加熱棒，並利用熱介面材料降低加熱棒、熱電偶和電池模型內壁的空氣熱阻，熱介面材料的熱傳導係數為1.0 W/m-K。T2於加熱棒表面、T3觀察浸潤式冷卻液體的溫度變化、T4則為環境溫度，如圖1。而整體實驗架構，在裝浸潤式冷卻的腔體，採用四面透明設計，作為可視化研究。透明腔體下方，則為一腔體，內建一泵浦，可將下方的冷流體輸送到上方的透明腔體右邊，透明腔體左邊設計流道，可讓被加熱的流體從上方利用重力回流至下方做冷卻，如圖2為實驗架構。

圖1 電池和浸潤式以及熱電偶位置

圖2 整體實驗設置
 

3.石墨烯浸潤式冷卻液體製程和絕緣測試
利用化學氣相沉積法，將甲烷和氮氣通過Remote Plasma Source (RPS)，在電漿下進行石墨烯製作。操作電磁波頻率使用300 MHz到2.45 GHz的範圍，並利用真空泵浦和過濾器，在<10-2 torr的真空環境下進行氣體與石墨烯粉分離，流程如圖3所示。取下石墨烯粉，和礦物油混合並不含活性劑，每組實驗於混合後兩小時內完成。石墨烯粉比例添加2.5 wt%以內。將石墨烯與工作流體混合後，以電磁攪拌器攪拌60分鐘，再進行超音波震盪8小時，並將溫度維持在25°C。此流程有助於石墨烯於礦物油中均勻分散。