摘要：

基于工質(zhì)相變換熱和無泵循環(huán)思路，提出了一種動力電池冷熱雙向熱管理系統(tǒng)。以某款三元鋰電池為研究對象，試驗測試了冷熱雙向循環(huán)熱管理系統(tǒng)的散熱和加熱工況。結(jié)果表明：該系統(tǒng)能實現(xiàn)電池箱低溫工況加熱與高溫工況散熱的運行切換管理。散熱工況下，換熱板采用4 根豎管比單根蛇形管的散熱能力強；冷凝器側(cè)強制風冷散熱與自然對流散熱相比，能將系統(tǒng)一換熱功率提高10%～44.2%，系統(tǒng)二換熱功率提高20%～48.6%；電池箱溫度為60 ℃時，自然對流散熱系統(tǒng)換熱板的最大溫差小于2 ℃，強制對流散熱系統(tǒng)換熱板的最大溫差小于1 ℃；在電池初始溫度25 ℃時，1C、2C、3C 放電倍率下，放電結(jié)束強制對流散熱在能將8 塊電池的平均溫度分別降低2.1、3.9、4.7 ℃。加熱工況下，多組試驗電池箱的升溫效果一致性較好。考慮車輛行駛中換熱板傾斜的影響，受制于工質(zhì)的流量分配，散熱工況時溫度均勻性優(yōu)于加熱工況。

引 言

采用鋰電池作為動力源，可有效提高電池組的能量密度及其安全性能、使用壽命，不僅被用于電動汽車、飛機、潛艇、小型船只和航天器等高科技行業(yè)[1-2]，同時隨著現(xiàn)代智慧農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，農(nóng)用車輛電動化已成為國家重點發(fā)展的領(lǐng)域，相關(guān)應(yīng)用研究亦得到格外關(guān)注[3]。

然而，電池作為動力電源使用時常產(chǎn)生大量熱量，加上更為復雜的農(nóng)用車輛工作條件，以及電池組緊致的布置，不可避免會引起電池的熱堆積，造成其溫度超出最佳工作溫度區(qū)間，嚴重影響電池的性能甚至會直接導致電池的報廢。當前見諸報道的動力電池組熱管理系統(tǒng)研究主要集中在散熱方面，如農(nóng)用車輛中的電池采用風冷散熱方式[4]，徐曉明等[5]對強迫風冷散熱條件下的電動農(nóng)用車橫向電池包進行了研究。但是在高溫或者持續(xù)作業(yè)等特殊工況下，電池產(chǎn)熱的快速積聚容易導致電池包的熱失控，甚至發(fā)生燃燒或爆炸[6-7]，需要引入更好的熱管理方式，當前已經(jīng)在電動汽車上使用的更為高效的散熱方式有液冷[8]、熱管冷卻[9]、相變材料冷卻等[10-13]。同時，由于鋰離子電池低溫充放電循環(huán)易造成不可逆的容量損失，在北方寒冷地區(qū)使用時，還需要考慮電池的加熱，受制于成本及空間限制，普遍采用（PTC, PositiveTemperature Coefficient）加熱，雖設(shè)計簡單但耗電嚴重。因此，為了保證農(nóng)用電動車電池組的使用壽命和安全性等指標，需要開發(fā)設(shè)計良好、行之有效，兼顧加熱與冷卻2 種工況的動力電池組熱管理系統(tǒng)。

基于此，本文基于工質(zhì)（制冷劑）相變換熱思路，結(jié)合液冷和熱管冷卻2 種高效熱管理方式，利用液態(tài)工質(zhì)吸熱氣化產(chǎn)生熱虹吸效應(yīng)，作為熱管理系統(tǒng)循環(huán)的推動力，提出一種冷熱雙向循環(huán)熱管理系統(tǒng)，研究該系統(tǒng)的散熱與加熱熱管理特性。

01  裝置原理與電池產(chǎn)熱計算

1.1 雙向循環(huán)系統(tǒng)組成與原理

圖1 為雙向循環(huán)熱管理系統(tǒng)圖，包括熱管理模塊A、數(shù)據(jù)采集模塊B 和模擬熱源C。熱管理模塊由加熱棒、氣泡泵、單向閥、翅片管式冷凝器、前換熱板、導熱硅膠片組成，內(nèi)部循環(huán)制冷劑。模擬熱源由溶液罐、恒溫箱、直流電源和循環(huán)水泵組成，內(nèi)部流動乙二醇水溶液。數(shù)據(jù)采集模塊包括安捷倫34970A和T型熱電偶溫度傳感器（圖中圓點為測溫點）。為便于驗證冷熱雙向熱管理系統(tǒng)的工作性能，采用后換熱板替代動力電池，動力電池產(chǎn)熱量按電池產(chǎn)熱規(guī)律由模擬熱源等量生成。系統(tǒng)工作原理：散熱工況下，閥3 和閥5 打開，閥4 關(guān)閉，待電池箱11 穩(wěn)定在設(shè)定溫度后，開啟循環(huán)水泵10。前換熱板下部管中積聚液態(tài)制冷劑。制冷劑選用R141b，在常壓下其沸點為32.1 ℃，屬于非可燃性液體，化學穩(wěn)定性好。電池產(chǎn)熱后，其溫度與液態(tài)制冷劑之間建立溫差，制冷劑吸收后換熱板9 的熱量氣化，氣體攜帶液態(tài)制冷劑提升進入冷凝器6，氣液兩相流體冷凝為純液態(tài)流至氣泡泵2，氣泡泵2 的底部與前換熱板下部管道相通，以此完成工質(zhì)循環(huán)。

加熱工況下，閥4 打開，閥3 和閥5 關(guān)閉。氣泡泵2中的液態(tài)制冷劑吸收加熱棒1 的熱量氣化，氣液兩相流體提升進入前換熱板，后換熱板9 吸收前換熱板的熱量使電池箱11 的溫度升高，前換熱板中的氣液兩相流體冷凝為液態(tài)，通過前換熱板下部管道回流至氣泡泵2，完成循環(huán)。

前換熱板循環(huán)制冷劑?？紤]到回路熱管中多管蒸發(fā)器和單管蒸發(fā)器設(shè)計均可實現(xiàn)高效換熱[14]，將前換熱板設(shè)計成單根蛇形換熱板7 系統(tǒng)一和4 根立式直管換熱板15（與冷凝器距離由近及遠為豎管1、2、3、4）系統(tǒng)二2 種結(jié)構(gòu)，以此考察換熱板內(nèi)工質(zhì)氣化后，熱虹吸效應(yīng)下，不同的循環(huán)驅(qū)動力及冷凝器不同散熱方式（自然、強制對流散熱），對該熱管理系統(tǒng)的影響。后換熱板循環(huán)來自恒溫箱（后文簡稱電池箱）的乙二醇水溶液。前后換熱板之間填充導熱硅膠，外部包裹保溫棉，保證熱量僅在換熱板之間傳遞。

導熱硅膠已普遍應(yīng)用于電池散熱，劉一凡等[15]研究了導熱系數(shù)為 0.5 W/（m/℃）的導熱硅膠在電池包內(nèi)的應(yīng)用。王聰[16]使用導熱系數(shù)為 4W/（m/℃）的導熱硅膠片對電池組的熱管理系統(tǒng)進行研究。本文試驗系統(tǒng)使用的導熱硅膠片的導熱系數(shù)為 3W/（m/℃），能及時將電池產(chǎn)熱傳遞給熱管理系統(tǒng)。

電池箱產(chǎn)熱和耗熱量由乙二醇水溶液的熱容量等量衡算，通過溫度變化計算出試驗系統(tǒng)的換熱功率，如式（1）所示。

1.2 電池產(chǎn)熱

鋰離子電池放電過程會產(chǎn)生大量的熱[17-18]，為此，以某三元鋰電池為研究對象，計算其放電產(chǎn)熱量，電池單體具體參數(shù)參考文獻[19]。目前，基于電池均勻產(chǎn)熱的假設(shè)，Bernardi 等[20]提出的電池生熱速率模型，得到廣泛認同，該模型中電池內(nèi)阻計算參考文獻[21-22]獲得，由此得到不同放電倍率下電池的熱特性，具體結(jié)果如表1所示，其中，放電倍率（C）代表電池放電電流與額定容量的比值。在相同的電池放電規(guī)律下，與李海君[19]實測的電池溫度相比，二者的最大誤差小于10%。

02 結(jié)果與分析

2.1 散熱工況

散熱工況下，研究電池箱設(shè)定溫度為40、50、60 和70 ℃時，2 種熱管理系統(tǒng)的散熱能力。圖2 給出了電池箱設(shè)定溫度60 ℃時，熱管理模塊啟動后，各測溫點溫度變化曲線。圖2a、2b 是系統(tǒng)一的溫度變化曲線，圖2c、2d 是系統(tǒng)二的溫度變化曲線。由圖可知，散熱循環(huán)建立之前，系統(tǒng)各測溫點溫度均快速升高，循環(huán)建立后，各測溫點溫度均勻降低。在圖2a 中約660 s 時，制冷劑側(cè)溫度出現(xiàn)明顯波動，是因為系統(tǒng)一采用蛇形管換熱，氣液兩相制冷劑流通距離長，阻力大，且自然對流散熱與強制對流散熱相比，系統(tǒng)建立制冷劑循環(huán)需要克服更大的阻力。不斷積聚的制冷劑兩相混合物使系統(tǒng)溫度壓力不斷升高。當積聚的量足夠多，推動力足夠大，氣液兩相制冷劑通過冷凝器冷凝成為純液體，循環(huán)建立起來。而強制對流散熱時，氣液兩相制冷劑在冷凝器中能迅速冷凝，冷凝后的液態(tài)制冷劑受重力流動時又產(chǎn)生虹吸力加速循環(huán)，故在圖2b 中未出現(xiàn)明顯波動。而在系統(tǒng)二中，4 根換熱管供液充足，相同溫度下更有利于產(chǎn)生制冷劑氣體，提升力大，提高了系統(tǒng)的散熱能力，故圖2c 和2d也未出現(xiàn)明顯波動。

表 2 是電池箱設(shè)定溫度為40 ℃、50 ℃和70 ℃時，3 個狀態(tài)點的試驗參數(shù)。其中，電池箱開始試驗時為初始狀態(tài)，對應(yīng)電池箱的初始溫度；達到電池箱設(shè)定溫度且系統(tǒng)穩(wěn)定循環(huán)，即電池箱溫度開始下降時為穩(wěn)定狀態(tài)，對應(yīng)電池箱的穩(wěn)定溫度，并記錄此時的時間；試驗結(jié)束時在結(jié)束狀態(tài)點測得電池箱的結(jié)束溫度。由表可知，電池箱設(shè)定溫度為40 ℃時，2 個系統(tǒng)達到穩(wěn)定的時間普遍較短，這是因為此時電池箱的溫度處于其合適工作溫度范圍，電池產(chǎn)熱量小，換熱板內(nèi)的液態(tài)制冷劑吸熱，即可有效抑制電池溫升，熱量儲存在換熱板中的液態(tài)制冷劑中，并未建立循環(huán)。電池箱設(shè)定溫度為50 ℃時，系統(tǒng)達到穩(wěn)定的時間較長，此時電池溫度升高，制冷劑吸熱形成熱虹吸效應(yīng)，進而完成工質(zhì)在系統(tǒng)內(nèi)部的循環(huán)，才能有效散熱，而建立循環(huán)需要時間，因此系統(tǒng)達到穩(wěn)定的時間較長。隨著電池溫度繼續(xù)升高，產(chǎn)生的制冷劑氣液兩相混合物量更大，建立循環(huán)更快，系統(tǒng)達到穩(wěn)定的時間縮短，故在電池箱設(shè)定溫度為70 ℃時系統(tǒng)達到穩(wěn)定循環(huán)的時間又縮短。表中，系統(tǒng)二達到穩(wěn)定的時間均快于系統(tǒng)一，說明系統(tǒng)二更有利于工質(zhì)熱虹吸效應(yīng)的形成。

圖 3 為不同電池箱溫度，2 個系統(tǒng)換熱功率變化曲線。由圖可知，隨電池箱溫度升高，系統(tǒng)換熱功率增大，且強制對流比自然對流換熱功率高。強制對流換熱功率與自然對流換熱功率相比，系統(tǒng)一提高10%～44.2%，系統(tǒng)二提高20%～48.6%，且系統(tǒng)二的自然對流換熱功率與系統(tǒng)一強制對流換熱功率幾乎相同，說明系統(tǒng)二散熱更好。

2.1.1 溫度均勻性試驗

目前，電動汽車電池組主要通過換熱板傳熱進行換熱，而電池組的溫度均勻性受換熱板溫度的影響較大。行業(yè)通常要求動力電池組內(nèi)部的溫差應(yīng)不大于5℃ [23]。

為探究散熱工況下，系統(tǒng)二中立式直管換熱板的溫度均勻性，在電池箱設(shè)定溫度為60 ℃時，在不同散熱形式下對系統(tǒng)二進行試驗，4 根豎管的溫度變化曲線如圖4所示，圖4a 是自然對流散熱，圖4b 是強制對流散熱。由圖可知，初始溫度相同，試驗開始后，4 根豎管溫度先劇烈升高并快速降低，而后緩慢上升至系統(tǒng)建立起穩(wěn)定散熱循環(huán)，之后4 根管溫度均勻緩慢降低，2 圖變化趨勢相同。原因在于試驗剛開始時，系統(tǒng)內(nèi)液態(tài)制冷劑吸收電池熱量快速產(chǎn)生大量制冷劑氣液兩相混合物，導致4 根豎管溫度劇烈變化。循環(huán)建立之后，系統(tǒng)換熱達到動態(tài)平衡，隨著換熱時間增加，4 根管溫度緩慢降低。圖4a中4 根管溫度普遍高于圖4b，這是因為自然對流換熱速率較慢，系統(tǒng)內(nèi)制冷劑氣液兩相混合物積聚較多，故溫度偏高。而強制對流散熱系統(tǒng)產(chǎn)生的氣液兩相制冷劑能很快冷凝，系統(tǒng)內(nèi)流通性較好，溫度較低。自然對流散熱形式下，4 根管溫度與平均值之差在正負1 ℃之內(nèi)，強制對流散熱形式下，4 根管溫度與平均值之差在正負0.5 ℃之內(nèi)，均勻性較好。

2.1.2 傾角試驗

考慮車輛實際行駛上下坡等路況，在強制對流散熱工況對系統(tǒng)二進行傾角試驗，溫度取60 ℃，傾角取15°，不同傾角下立式直管換熱板的4 根豎管溫度曲線如圖5所示，圖5a 為左傾15°，系統(tǒng)換熱功率為79.8 W；圖5b為右傾15°，系統(tǒng)換熱功率為81.2 W。與無傾角相比，換熱功率基本不變，區(qū)別是4 根管溫差較大。這是因為有角度時，液體制冷劑在豎管內(nèi)分布不均，產(chǎn)生的制冷劑氣體量有多有少，溫差較大。左傾時，大部分制冷劑積聚在氣泡泵部分，4 根管內(nèi)制冷劑液體很少甚至沒有，制冷劑氣體在豎管內(nèi)無規(guī)律流動，豎管1 與豎管3 最大溫差達到11 ℃。右傾時，豎管4、3、2、1 內(nèi)制冷劑由多到少，導致每根管產(chǎn)生的制冷劑氣體量不同，溫度也不均勻，4 根管在300 s 時達到最大溫差15 ℃，平衡后溫差維持在4 ℃左右。說明傾角對系統(tǒng)溫度均勻性不利，需后期改進。

真實環(huán)境中車輛沖擊和顛簸對電池的瞬間放電要求，導致電池溫度快速上升，與本文熱管理系統(tǒng)相近的傳熱技術(shù)散熱研究，已有文獻報導。Tran 等[9]認為顛簸環(huán)境下，平板熱管的換熱效果不受影響；Connors等[24]試驗測試表明熱管在軍用車輛沖擊和顛簸條件下的熱性能沒有下降；Guo 等[25]通過機械振動方式增加了矩形微槽潤濕面積，強化了微槽傳熱；由此，顛簸狀態(tài)下電池熱管理性能研究僅做傾斜狀態(tài)下的換熱效果分析。

2.2 電池箱加熱工況

圖6 給出了2 種系統(tǒng)加熱工況下各測溫點溫度變化曲線。圖6a 為系統(tǒng)一的溫度變化曲線，加熱棒功率為150 W；圖6b 為系統(tǒng)二的溫度變化曲線，加熱棒功率為54 W。由圖可知，加熱開始后，制冷劑側(cè)溫度迅速升高，溶液側(cè)溫度隨之均勻上升。圖6a 在500 s 左右制冷劑進出口溫度達到平衡并緩慢升高，進出口溫差維持在30 ℃左右，電池換熱功率約為80 W，與加熱棒功率相差較大，原因是加熱棒放置在套管中，熱量損失較大，故功率較低。圖6b 在300 s 左右制冷劑進出口溫度達到平衡并緩慢升高，進出口溫差維持在15 ℃左右，電池換熱功率約53.7 W，與加熱棒功率基本吻合，這是因為系統(tǒng)二加熱棒與制冷劑直接接觸，熱量不存在耗散。圖6b 達到平衡的時間、制冷劑進出口溫度及溫差均低于圖6a，是因為立式直管換熱器采用4 根豎管布置，流道縮短，換熱效率高，故整體溫度低且平衡建立較快。

圖 7 為使用系統(tǒng)二對電池箱進行加熱時，不同電池箱初始溫度，系統(tǒng)二中立式直管換熱板4 根豎管溫度變化曲線。圖7a、7b、7c、7d 的電池箱初始溫度分別為-5、0、5、25 ℃。由圖可知，豎管1 溫度升高最快，豎管2、3、4 依次隨之。這是因為系統(tǒng)整體溫度較低時，高溫制冷劑氣體在先接觸的豎管流通并換熱，當前排的豎管溫度升高后，多余的高溫制冷劑氣體才會進入后排豎管，隨著加熱時間增加，4 根豎管溫度逐漸趨于均勻。

2.3 全工況測試分析

通過前文的試驗分析，發(fā)現(xiàn)熱管理系統(tǒng)二在加熱與散熱方面的換熱效果均優(yōu)于熱管理系統(tǒng)一，因此，使用系統(tǒng)二對電池箱進行加熱和散熱連續(xù)試驗，如圖8所示。

圖8 為使用系統(tǒng)二對電池箱進行加熱和散熱連續(xù)試驗，電池箱溫隨時間變化曲線。電池箱初始溫度為0 ℃，熱管理系統(tǒng)先對電池箱加熱，加熱功率為54 W，加熱過程中電池不放電，當電池箱溫度達到25 ℃時停止加熱，之后將熱管理系統(tǒng)切換至散熱工況，電池箱開始放電至放電結(jié)束。電池箱散熱的熱量為8 塊前述電池的產(chǎn)熱量，由此獲得基于系統(tǒng)二的動力電池加熱與散熱全工況測試。相同加熱功率下，9 組試驗電池箱達到25 ℃的時間均在3050～3 150 s；全工況試驗結(jié)束后，可以發(fā)現(xiàn)3 種放電倍率下，電池箱溫度無散熱時最高，自然對流散熱居中，強制對流散熱最低；與無散熱相比，1C 放電倍率下強制對流散熱能將電池箱平均溫度降低2.1 ℃，2C 放電倍率下強制對流散熱能將電池平均溫度降低3.9 ℃，3C 放電倍率下能將電池平均溫度降低4.7 ℃。

03 結(jié) 論

1）基于工質(zhì)相變的飽和壓力-飽和溫度關(guān)系，利用熱虹吸原理，構(gòu)建的動力電池冷熱雙向熱管理系統(tǒng)，能實現(xiàn)電池箱加熱與散熱工況的運行切換，實現(xiàn)電池箱溫度的管理。

2）電池箱散熱工況下，雙向熱管理系統(tǒng)的散熱能力隨電池箱溫度的升高而增大，對2 種換熱板結(jié)構(gòu)而言，冷凝器側(cè)強制對流散熱均比自然對流散熱時有更好的散熱特征，且采用4 根立式直管換熱板也明顯比單根蛇形管換熱板的散熱能力更強。

3）電池箱加熱工況下，氣泡泵內(nèi)工質(zhì)吸熱能有效形成熱虹吸效應(yīng)，工質(zhì)在系統(tǒng)內(nèi)的循環(huán)更為流暢，相同加熱功率下，電池箱達到設(shè)定溫度的時間一致性較好。

4）無傾斜角度時，相對于加熱工況來說，4 根豎管的溫度均勻性在散熱工況下較好，即換熱板的最大溫差小于2 ℃；而處于傾斜狀況下，由于工質(zhì)的流動特征，其在4 根豎管內(nèi)的流量分配不均，致使其溫度均勻性受到較大影響。