摘要:高效的熱管理系統(tǒng)是確保動(dòng)力電池高性能、長(zhǎng)壽命和安全的關(guān)鍵。以熱管為傳熱器件，選用純水比例為5%的水－甲醇二元混合工質(zhì)作為傳熱介質(zhì)，充液率為30%。設(shè)計(jì)并搭建了實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，在環(huán)境溫度20℃，3C放電倍率下，對(duì)比分析了無熱管理系統(tǒng)、風(fēng)冷散熱和熱管冷卻三種散熱方式下模擬電池表面溫度分布。測(cè)試結(jié)果表明，1476s后，相比于無熱管理系統(tǒng)，基于風(fēng)冷的模擬電池表面溫度降低了12．9%，基于熱管冷卻的模擬電池表面溫度降低了28．0%;三種散熱方式中基于熱管冷卻的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)效果最佳，可將模擬電池最高溫度和溫差控制在35℃和5℃以內(nèi)。

關(guān)鍵詞:動(dòng)力電池;熱管理;熱管;實(shí)驗(yàn)研究

1引言

在全球變暖和能源危機(jī)的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)下，許多國(guó)家承諾在本世紀(jì)中葉減少碳排放并實(shí)現(xiàn)碳中和，“雙碳目標(biāo)”為新能源汽車發(fā)展帶來新的機(jī)遇。作為新能源汽車的動(dòng)力源，動(dòng)力電池性能對(duì)其行駛里程和壽命起著決定性的作用。伴隨著電池大尺寸和模塊化，熱安全問題愈加突出，對(duì)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)(batterythermalmanagementsystem，BTMS)提出了更高的要求。

研究者就不同傳熱介質(zhì)(空氣、水、相變材料)的BTMS開展了相關(guān)研究工作，希望通過合理的設(shè)計(jì)以降低電池模塊最高溫度和最大溫差。目前風(fēng)冷BTMS主要集中在電池模塊布局、氣流通道設(shè)計(jì)和模型控制，但由于空氣的比熱容和熱導(dǎo)率低，溫控表現(xiàn)并不理想。相較而言，液冷擁有更高的傳熱系數(shù)和空間緊湊性，溫控表現(xiàn)優(yōu)異，但由于嚴(yán)格的密封條件和壓力需求，增加了系統(tǒng)復(fù)雜性，限制了實(shí)際應(yīng)用。基于相變材料(phasechangematerial，PCM)的BTMS具有零能耗、無移動(dòng)部件和高潛熱等優(yōu)點(diǎn)。但PCM本身導(dǎo)熱能力較差，并且一旦溫度超過熔點(diǎn)，PCM的冷卻性能就會(huì)顯著降低。

熱管由于極高的傳熱系數(shù)，具有易集成化、輕質(zhì)、溫度波動(dòng)范圍小及成本低等優(yōu)勢(shì)，引起學(xué)者們廣泛關(guān)注。Wang采用模擬電池作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，發(fā)現(xiàn)在高溫下熱管仍能確保電池正常運(yùn)行。Ye等人指出對(duì)于動(dòng)力電池快速充電時(shí)產(chǎn)生的熱問題，風(fēng)冷、液冷和基于相變材料的BTMS都難以解決，但使用熱管冷卻的動(dòng)力電池在8C的快充工況下溫度仍在合理范圍內(nèi)。

隨著技術(shù)的發(fā)展，對(duì)熱管的傳熱性能有了更高的要求。當(dāng)前，研究人員主要通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化、操作條件和管內(nèi)工質(zhì)三個(gè)方面對(duì)熱管熱性能進(jìn)行提高。其中強(qiáng)化傳熱最有效的是選擇高效的工作流體。對(duì)于單工質(zhì)熱管，Kannan等通過實(shí)驗(yàn)研究純水、甲醇和乙醇熱管，發(fā)現(xiàn)工作溫度低于30℃時(shí)，甲醇熱管熱傳輸能力最強(qiáng);而在40～70℃內(nèi)，純水熱管傳熱能力較強(qiáng)。

由于單工質(zhì)有其物性上的局限性，將物性差異較大的單工質(zhì)進(jìn)行混合并形成互補(bǔ)，其產(chǎn)生的溫度滑移與濃度滑移特性將有助于提高熱管的傳熱性能。Jouhara等人通過研究乙醇－水共沸物作為熱管工質(zhì)的特性，發(fā)現(xiàn)乙醇－水共沸物相比于采用水為工質(zhì)，能明顯增強(qiáng)熱管傳熱能力。王迅等人選取甲醇－丙酮混合物為工質(zhì)發(fā)現(xiàn)混合工質(zhì)的傳熱特性與混合工質(zhì)的攜熱能力和阻力特性相關(guān)。Cui等人發(fā)現(xiàn)在低充液率下加入水可以提高甲醇基熱管換熱性能，但沒有討論不同混合比的影響。

綜上可知，目前對(duì)基于熱管冷卻的BTMS研究還不全面，基本為單一工質(zhì)。本文基于甲醇基二元混合工質(zhì)熱管的傳熱特性研究，搭建實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，并將其應(yīng)用于BTMS，與風(fēng)冷BTMS進(jìn)行比較，研究結(jié)果可為今后BTMS發(fā)展提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

2熱管性能測(cè)試

甲醇基二元混合工質(zhì)熱管傳熱特性實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示，主要由熱管、風(fēng)冷系統(tǒng)、電阻絲加熱系統(tǒng)、真空充液系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。

圖1熱管實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

熱管管殼為純銅(λw=385W/(m·K))，內(nèi)徑為8．32mm，壁厚0．8mm，蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段長(zhǎng)度分別為200mm、100mm和200mm。冷凝段采用風(fēng)量為0．33m3/s的風(fēng)機(jī)進(jìn)行散熱;蒸發(fā)段采用電阻絲加熱，并裹有保溫材料，減少向環(huán)境的散熱。真空充液系統(tǒng)由真空泵、真空表和充液器構(gòu)成，采用防水密封膠確保系統(tǒng)密封性。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由熱電偶、數(shù)據(jù)采集儀和計(jì)算機(jī)構(gòu)成，7組熱電偶(OmegaT，±0．1℃)沿?zé)峁茌S向布置，為盡可能保證采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，每組熱電偶沿徑向均勻布置3支，取平均值作為該測(cè)點(diǎn)的壁面溫度。

選擇不同充液率(30%～70%)和純水比例(5%～95%)的甲醇基二元混合工質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，兩種單組分傳熱工質(zhì)的熱物性參數(shù)如表1所示。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，先通過真空系統(tǒng)將熱管內(nèi)壓力抽至20kPa(真空度為0．8)，調(diào)節(jié)加熱功率為30W，采用Agilent34970A監(jiān)測(cè)輸出的測(cè)點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)，確保無異常波動(dòng);當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，保存數(shù)據(jù)后進(jìn)行下一個(gè)工況的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)過程環(huán)境溫度維持在25±1℃。

表1單一工質(zhì)的熱物性參數(shù)(101．325kPa)

圖2純水－甲醇混合工質(zhì)熱阻

圖3不同工作液的啟動(dòng)特性

圖2所示為不同純水比例的甲醇基二元混合工質(zhì)熱管的熱阻隨充液率變化規(guī)律，圖3所示為相應(yīng)幾種熱管的啟動(dòng)特性。由圖可知，當(dāng)充液率為30%、純水比例為5%時(shí)重力熱管熱阻最小，其數(shù)值為0．447K/W，相較于甲醇單工質(zhì)熱管減小了35%，較純水單工質(zhì)熱管減小了47．2%，這是由于甲醇和水混合后產(chǎn)生溫度滑移和濃度滑移，擁有更大的相變區(qū)間，導(dǎo)致傳熱效果提升;此外，含有5%純水的熱管啟動(dòng)時(shí)間最短，為200s，相較其它提前了33%，這是因?yàn)樵摶旌瞎べ|(zhì)的甲醇含量最高，由于甲醇黏度小，因此更易于啟動(dòng)。綜上，選擇充液率為30%、純水比例為5%的甲醇基二元混合工質(zhì)熱管作為BTMS散熱元件。

3熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3．1模擬電池設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)以210AH矩形LiFePO4電池單元為研究對(duì)象，基本參數(shù)如表2所示。

表2動(dòng)力電池模塊基本參數(shù)

對(duì)于LiFePO4電池而言，Sato認(rèn)為鋰離子電池產(chǎn)熱主要為焦耳熱、極化熱、化學(xué)反應(yīng)熱和副反應(yīng)熱。在實(shí)際情況下，鋰電池發(fā)熱量主要來源于內(nèi)阻產(chǎn)生的焦耳熱。本文采用3C放電倍率對(duì)電池溫度特性進(jìn)行研究，此時(shí)電池發(fā)熱功率為30W，1476s后放電結(jié)束。為便于實(shí)驗(yàn)研究，假定電池發(fā)熱均勻恒定，采用模擬電源替代實(shí)際電池。設(shè)計(jì)加工與實(shí)際電池幾何尺寸相同的矩形鋁殼，鋁殼內(nèi)均勻布置加熱電阻絲，并填充具有高導(dǎo)熱性的氧化鎂粉，熱源產(chǎn)熱量為30W。

3．2實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與方法

甲醇基二元混合工質(zhì)熱管BTMS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖4所示，主要由熱管散熱裝置、模擬電池、測(cè)試系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。其中熱管散熱裝置是由5根甲醇基二元混合工質(zhì)熱管及鋁板組成，鋁板尺寸與電池大小一致，能夠與電池緊密接觸，將熱量快速傳遞給熱管。BTMS置于絕熱環(huán)境中，可避免向環(huán)境的散熱量。

圖4熱管散熱系統(tǒng)示意圖

圖5電池表面溫度測(cè)點(diǎn)布置

實(shí)驗(yàn)前，對(duì)相關(guān)測(cè)試儀器進(jìn)行校準(zhǔn)。電池表面熱電偶(OmegaT，±0．1℃)布置方式如圖5所示。首先進(jìn)行無熱管理電池實(shí)驗(yàn)，通過調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電源模擬電池放熱量為30W，將模擬電池自然放置不采取任何熱管理措施，采用數(shù)據(jù)采集儀(Agilent34970A)記錄模擬電池1476s內(nèi)表面溫度變化，并時(shí)刻觀察輸出的測(cè)點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)，確保無異常波動(dòng);待模擬電池溫度降至室溫后，繼續(xù)啟動(dòng)加熱系統(tǒng)模擬發(fā)熱量，采用風(fēng)機(jī)(V=0．33m3/s)對(duì)模擬電池進(jìn)行風(fēng)冷強(qiáng)制散熱實(shí)驗(yàn)，記錄模擬電池1476s內(nèi)表面溫度變化;待模擬電池溫度降至室溫后，將熱管散熱裝置與電池緊密接觸進(jìn)行熱管BTMS實(shí)驗(yàn)測(cè)試，調(diào)節(jié)加熱功率模擬發(fā)熱量，利用風(fēng)機(jī)將熱管冷凝段熱量帶走，記錄模擬電池1476s內(nèi)表面溫度變化。實(shí)驗(yàn)過程環(huán)境溫度維持在20±1℃。

3．3實(shí)驗(yàn)誤差分析

本研究直接測(cè)量參數(shù)為溫度、電壓及電流，其中，熱電偶校準(zhǔn)后的誤差為±0．1℃，電壓讀數(shù)精度為±0．01V，電流讀數(shù)精度為±0．01A。間接測(cè)量參數(shù)為溫差、熱阻和功率。根據(jù)誤差分析計(jì)算，各參數(shù)測(cè)量誤差如表3所示:

表3實(shí)驗(yàn)主要參數(shù)誤差

4結(jié)果分析

圖6為模擬電池在3C放電倍率、三種散熱方式下表面溫度變化。由圖6(a)可知，隨著電池開始工作(模擬熱源啟動(dòng))，電池表面溫度逐漸升高，在自然放置不采取任何熱管理措施的情況下，1476s放電結(jié)束后電池表面最高溫度為48．2℃，最大溫升為28．3℃。此時(shí)動(dòng)力電池溫度已經(jīng)遠(yuǎn)大于最佳工作溫度35℃，靠自然對(duì)流散熱無法滿足電池正常工作需要。由圖6(b)可知，風(fēng)冷BTMS電池測(cè)點(diǎn)最高溫度為42．5℃，此時(shí)動(dòng)力電池溫度在正常工作范圍內(nèi)，但仍大于最佳工作溫度范圍。圖6(c)所示為采用本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的熱管BTMS，放電結(jié)束后電池測(cè)點(diǎn)最高溫度為35．6℃，最大溫升為15．4℃，相比于其他兩種散熱方式，其溫度升高速率最慢，且表面最大溫差小于5℃，滿足動(dòng)力電池正常工作需要。

另外，通過分析比較圖6(a)～(c)，得到三種散熱方式下模擬電池表面最高溫度、最低溫度的下降情況，如表4所示。由表中數(shù)據(jù)可知，與無熱管理系統(tǒng)相比，熱管BTMS可使電池表面溫度下降26%～28．7%，可將電池溫度控制在最佳工作溫度范圍內(nèi)。

圖6三種散熱方式下電池表面溫度

表4三種散熱方式下電池表面溫度比較

圖7為模擬電池在無熱管理、強(qiáng)制風(fēng)冷和熱管BTMS三種散熱方式下表面平均溫度變化情況。從圖中可以看出，自然放置不采取任何熱管理措施的模擬電池表面平均溫度一直大于風(fēng)冷和熱管BTMS，這是由于自然冷卻時(shí)空氣對(duì)流換熱系數(shù)低，電池?fù)Q熱量小;對(duì)強(qiáng)制風(fēng)冷和熱管BTMS而言，在散熱初始階段(400s)電池表面平均溫度相近，主要原因是熱管需要一定的啟動(dòng)時(shí)間;隨著電池持續(xù)放熱，當(dāng)表面平均溫度增加到25℃后，采用熱管BTMS的電池平均溫度上升趨勢(shì)明顯減慢，此時(shí)電池?zé)崃客ㄟ^熱管傳遞至冷凝段被風(fēng)機(jī)帶走。當(dāng)電池放電結(jié)束后，三種散熱方式中熱管BTMS的冷卻效果最佳，表面平均溫度為33．5℃，較無熱管理電池表面溫度低13℃，較風(fēng)冷電池表面平均溫度低6℃，可使表面溫度處于最佳工作溫度范圍。

圖7電池表面平均溫度變化

5結(jié)論

論文基于前期二元混合工質(zhì)熱管換熱性能研究的基礎(chǔ)，搭建實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，研究了三種散熱方式對(duì)動(dòng)力電池表面溫度的影響，分析討論了模擬電池在無熱管理、強(qiáng)制風(fēng)冷和熱管BTMS三種散熱方式下，表面溫度隨工作時(shí)間的變化關(guān)系。結(jié)果表明:在3C放電倍率下，當(dāng)模擬電池工作1476s后，自然放置不采取任何熱管理措施的電池表面溫度最高，溫升最快;采用熱管BTMS時(shí)表面溫度最低，溫度上升最慢。本文實(shí)驗(yàn)條件下，強(qiáng)制風(fēng)冷散熱比無熱管理措施的模擬電池表面最高溫度降低了11．6%，熱管BTMS比無熱管理措施的模擬電池表面最高溫度降低了26．0%。三種散熱方式中熱管BTMS冷卻效果最佳，可以將模擬電池平均溫度控制在最佳工作溫度15～35℃。本文實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果對(duì)于將熱管換熱裝置與BTMS相結(jié)合具有一定參考價(jià)值。

作者：黃茹，黃澳，魯進(jìn)利，韓亞芳，岳勝男，汪琪薇

作者單位：安徽工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，黃山學(xué)院建筑工程學(xué)院