甲醇基二元工质热管电池热管理实验研究

摘要

:

(资料图)

高效的热管理系统是确保动力电池高性能

、

长寿命和安全的关键

。

以热管为传热器件

，

选用纯水比例为

5%

的水

－

甲醇二元混合工质作为传热介质

，

充液率为

30%

。

设计并搭建了实验测试平台

，

在环境温度

20

℃

，

3C

放电倍率下

，

对比分析了无热管理系统

、

风冷散热和热管冷却三种散热方式下模拟电池表面温度分布

。

测试结果

表明

，

1

476

s

后

，

相比于无热管理系统

，

基于风冷的模拟电池表面温度降低了

12．

9%

，

基于热管冷却的模拟电池表

面温度降低了

28．

0%

;

三种散热方式中基于热管冷却的电池热管理系统效果最佳

，

可将模拟电池最高温度和温差

控制在

35

℃

和

5

℃

以内

。

关键词

:

动力电池

;

热管理

;

热管

;

实验研究

1

引言

在全球变暖和能源危机的严峻挑战下

，

许多

国家承诺在本世纪中叶减少碳排放并实现碳中

和

，

“

双碳目标

”

为新能源汽车发展带来新的机

遇

。

作为新能源汽车的动力源

，

动力电池性能对

其行驶里程和寿命起着决定性的作用

。

伴随

着电池大尺寸和模块化

，

热安全问题愈加突出

，

对

电池热管理系统

(

battery

thermal

management

sys

tem

，

BTMS

)

提出了更高的要求

。

研究者就不同传热介质

(

空气

、

水

、

相变材

料

)

的

BTMS

开展了相关研究工作

，

希望通过合理

的设计以降低电池模块最高温度和最大温差

。

目

前风冷

BTMS

主要集中在电池模块布局

、

气流

通道设计

和模型控制

，

但由于空气的比热容

和热导率低

，

温控表现并不理想

。

相较而言

，

液冷

拥有更高的传热系数和空间紧凑性

，

温控表现优

异

，

但由于严格的密封条件和压力需求

，

增加

了系统复杂性

，

限制了实际应用

。

基于相变材料

(

phase

change

material

，

PCM

)

的

BTMS

具有零能

耗

、

无移动部件和高潜热等优点

。

但

PCM

本身

导热能力较差

，

并且一旦温度超过熔点

，

PCM

的

冷却性能就会显著降低

。

热管由于极高的传热系数

，

具有易集成化

、

轻

质

、

温度波动范围小及成本低等优势

，

引起学者们

广泛关注

。

Wang

采用模拟电池作为实验对象

，

发现在高温下热管仍能确保电池正常运行

。

Ye

等人

指出对于动力电池快速充电时产生的热

问题

，

风冷

、

液冷和基于相变材料的

BTMS

都难以

解决

，

但使用热管冷却的动力电池在

8C

的快充

工况下温度仍在合理范围内

。

随着技术的发展

，

对热管的传热性能有了更

高的

要

求

。

当

前

，

研究人员主要通过结构优

化

、

操作条件

和管内工质

三个方面对热

管热性能进行提高

。

其中强化传热最有效的是选

择高效的工作流体

。

对于单工质热管

，

Kannan

等

通过实验研究纯水

、

甲醇和乙醇热管

，

发现

工作温度低于

30

℃

时

，

甲醇热管热传输能力最

强

;

而在

40

～

70

℃

内

，

纯水热管传热能力较强

。

由于单工质有其物性上的局限性

，

将物性差异较

大的单工质进行混合并形成互补

，

其产生的温度

滑移与浓度滑移特性将有助于提高热管的传热性

能

。

Jouhara

等人

通过研究乙醇

－

水共沸物

作为热管工质的特性

，

发现乙醇

－

水共沸物相比

于采用水为工质

，

能明显增强热管传热能力

。

王

迅等人

选取甲醇

－

丙酮混合物为工质发现混

合工质的传热特性与混合工质的携热能力和阻力

特性相关

。

Cui

等人

发现在低充液率下加入水

可以提高甲醇基热管换热性能

，

但没有讨论不同

混合比的影响

。

综上可知

，

目前对基于热管冷却的

BTMS

研

究还不全面

，

基本为单一工质

。

本文基于甲醇基

二元混合工质热管的传热特性研究

，

搭建实验测

试平台

，

并将其应用于

BTMS

，

与风冷

BTMS

进行

比较

，

研究结果可为今后

BTMS

发展提供理论依

据和数据支撑

。

2热管性能测试

甲醇基二元混合工质热管传热特性实验测试

系统如图

1

所示

，

主要由热管

、

风冷系统

、

电阻丝

加热系统

、

真空充液系统和数据采集系统组成

。

图

1

热管实验系统示意图

热管管壳为纯铜

(

λ

w

=

385

W

/

(

m

·

K

)

)

，

内

径为

8．

32

mm

，

壁厚

0．

8

mm

，

蒸发段

、

绝热段和冷

凝段长度分别为

200

mm

、

100

mm

和

200

mm

。

冷

凝段采用风量为

0．

33

m3

/s

的风机进行散热

;

蒸

发段采用电阻丝加热

，

并裹有保温材料

，

减少向环

境的散热

。

真空充液系统由真空泵

、

真空表和充

液器构成

，

采用防水密封胶确保系统密封性

。

数

据采集系统由热电偶

、

数据采集仪和计算机构成

，

7

组热电偶

(

Omega

T

，

±0．

1

℃

)

沿热管轴向布置

，

为

尽可能保证采集数据准确性

，

每组热电偶沿径向均

匀布置

3

支

，

取平均值作为该测点的壁面温度

。

选择不同充液率

(

30%

～

70%

)

和纯水比例

(

5%

～

95%

)

的甲醇基二元混合工质进行实验

，

两种单组分传热工质的热物性参数如表

1

所示

。

实验时

，

先通过真空系统将热管内压力抽至

20

kPa

(

真空度为

0．

8

)

，

调节加热功率为

30

W

，

采用

Agilent

34970A

监测输出的测点温度数据

，

确保无

异常波动

;

当系统达到稳定状态时

，

保存数据后进

行下一个工况的实验测试

，

实验过程环境温度维

持在

25

±

1

℃

。

表

1

单一工质的热物性参数

图

2

纯水

－

甲醇混合工质热阻

图

3

不同工作液的启动特性

图

2

所示为不同纯水比例的甲醇基二元混合

工质热管的热阻随充液率变化规律

，

图

3

所示为

相应几种热管的启动特性

。

由图可知

，

当充液率

为

30%

、

纯水比例为

5%

时重力热管热阻最小

，

其

数值为

0．

447

K

/W

，

相较于甲醇单工质热管减小

了

35%

，

较纯水单工质热管减小了

47．

2%

，

这是

由于甲醇和水混合后产生温度滑移和浓度滑移

，

拥有更大的相变区间

，

导致传热效果提升

;

此外

，

含有

5%

纯水的热管启动时间最短

，

为

200

s

，

相

较其它提前了

33%

，

这是因为该混合工质的甲醇

含量最高

，

由于甲醇黏度小

，

因此更易于启动

。

综

上

，

选择充液率为

30%

、

纯水比例为

5%

的甲醇基

二元混合工质热管作为

BTMS

散热元件

。

3热管理系统设计

3．1模拟电池设计

实验以

210

AH

矩形

LiFePO4

电池单元为研

究对象

，

基本参数如表

2

所示

。

表

2

动力电池模块基本参数

对于

LiFePO4

电池而言

，

Sato

认为锂离子

电池产热主要为焦耳热

、

极化热

、

化学反应热和副

反应热

。

在实际情况下

，

锂电池发热量主要来源

于内阻产生的焦耳热

。

本文采用

3

C

放电倍

率对电池温度特性进行研究

，

此时电池发热功率

为

30

W

，

1

476

s

后放电结束

。

为便于实验研究

，

假定电池发热均匀恒定

，

采

用模拟电源替代实际电池

。

设计加工与实际电池

几何尺寸相同的矩形铝壳

，

铝壳内均匀布置加热

电阻丝

，

并填充具有高导热性的氧化镁粉

，

热源产

热量为

30

W

。

3．2实验系统与方法

甲醇基二元混合工质热管

BTMS

实验系统如

图

4

所示

，

主要由热管散热装置

、

模拟电池

、

测试

系统

、

数据采集系统组成

。

其中热管散热装置是

由

5

根甲醇基二元混合工质热管及铝板组成

，

铝

板尺寸与电池大小一致

，

能够与电池紧密接触

，

将

热量快速传递给热管

。

BTMS

置于绝热环境中

，

可避免向环境的散热量

。

图4

热管散热系统示意图

图

5

电池表面温度测点布置

实验前

，

对相关测试仪器进行校准

。

电池表

面热电偶

(

Omega

T

，

±

0．

1

℃

)

布置方式如图

5

所

示

。

首先进行无热管理电池实验

，

通过调节稳压

电源模拟电池放热量为

30

W

，

将模拟电池自然放

置不采取任何热管理措施

，

采用数据采集仪

(

Agilent

34970A

)

记录模拟电池

1

476

s

内表面温度变

化

，

并时刻观察输出的测点温度数据

，

确保无异常

波动

;

待模拟电池温度降至室温后

，

继续启动加热

系统模拟发热量

，

采用风机

(

V

=0．

33

m3

/s

)

对模拟

电池进行风冷强制散热实验

，

记录模拟电池

1

476

s

内表面温度变化

;

待模拟电池温度降至室温后

，

将热

管散热装置与电池紧密接触进行热管

BTMS

实验测

试

，

调节加热功率模拟发热量

，

利用风机将热管冷凝

段热量带走

，

记录模拟电池

1

476

s

内表面温度变

化

。

实验过程环境温度维持在

20

±1

℃

。

3．3实验误差分析

本研究直接测量参数为温度

、

电压及电流

，

其

中

，

热电偶校准后的误差为

±

0．

1

℃

，

电压读数精

度为

±

0．

01

V

，

电流读数精度为

±

0．

01

A

。

间接

测量参数为温差

、

热阻和功率

。

根据误差分析计

算

，

各参数测量误差如表

3

所示

:

表3实验主要参数误差

4结果分析

图

6

为模拟电池在

3

C

放电倍率

、

三种散热

方式下表面温度变化

。

由图

6

(

a

)

可知

，

随着电池

开始工作

(

模拟热源启动

)

，

电池表面温度逐渐升

高

，

在自然放置不采取任何热管理措施的情况下

，

1

476

s

放电结束后电池表面最高温度为

48．

2

℃

，

最大温升为

28．

3

℃

。

此时动力电池温度已经

远大于最佳工作温度

35

℃

，

靠自然对流散热

无法满足电池正常工作需要

。

由图

6

(

b

)

可知

，

风

冷

BTMS

电池测点最高温度为

42．

5

℃

，

此时动力

电池温度在正常工作范围内

，

但仍大于最佳工作

温度范围

。

图

6

(

c

)

所示为采用本实验设计的热管

BTMS

，

放电结束后电池测点最高温度为

35．

6

℃

，

最

大温升为

15．

4

℃

，

相比于其他两种散热方式

，

其

温度升高速率最慢

，

且表面最大温差小于

5

℃

，

满

足动力电池正常工作需要

。

另外

，

通过分析比较图

6

(

a

)

～

(

c

)

，

得到三种

散热方式下模拟电池表面最高温度

、

最低温度的

下降情况

，

如表

4

所示

。

由表中数据可知

，

与无热

管理系统相比

，

热管

BTMS

可使电池表面温度下

降

26%

～

28．

7%

，

可将电池温度控制在最佳工作

温度范围内

。

图6三种散热方式下电池表面温度

表4三种散热方式下电池表面温度比较

图

7

为模拟电池在无热管理

、

强制风冷和热

管

BTMS

三种散热方式下表面平均温度变化情

况

。

从图中可以看出

，

自然放置不采取任何热管

理措施的模拟电池表面平均温度一直大于风冷和

热管

BTMS

，

这是由于自然冷却时空气对流换热

系数低

，

电池换热量小

;

对强制风冷和热管

BTMS

而言

，

在散热初始阶段

(

400

s

)

电池表面平均温度

相近

，

主要原因是热管需要一定的启动时间

;

随着

电池持续放热

，

当表面平均温度增加到

25

℃

后

，

采用热管

BTMS

的电池平均温度上升趋势明显减

慢

，

此时电池热量通过热管传递至冷凝段被风机

带走

。

当电池放电结束后

，

三种散热方式中热管

BTMS

的冷却效果最佳

，

表面平均温度为

33．

5

℃

，

较无热管理电池表面温度低

13

℃

，

较风冷电

池表面平均温度低

6

℃

，

可使表面温度处于最佳

工作温度范围

。

图7电池表面平均温度变化

5结论

论文基于前期二元混合工质热管换热性能研

究的基础

，

搭建实验测试系统

，

研究了三种散热方

式对动力电池表面温度的影响

，

分析讨论了模拟

电池在无热管理

、

强制风冷和热管

BTMS

三种散

热方式下

，

表面温度随工作时间的变化关系

。

结

果表明

:

在

3C

放电倍率下

，

当模拟电池工作

1

476

s

后

，

自然放置不采取任何热管理措施的电池表

面温度最高

，

温升最快

;

采用热管

BTMS

时表面温

度最低

，

温度上升最慢

。

本文实验条件下

，

强制风

冷散热比无热管理措施的模拟电池表面最高温度

降低了

11．

6%

，

热管

BTMS

比无热管理措施的模

拟电池表面最高温度降低了

26．

0%

。

三种散热

方式中热管

BTMS

冷却效果最佳

，

可以将模拟电

池平均温度控制在最佳工作温度

15

～

35

℃

。

本

文实验研究结果对于将热管换热装置与

BTMS

相

结合具有一定参考价值

。

作者：黄茹，黄澳，鲁进利，韩亚芳，岳胜男，汪琪薇

作者单位：安徽工业大学建筑工程学院，黄山学院建筑工程学院

标签： 表面温度 最高温度 管理系统