液冷辅助热管动力电池热管理性能研究

电池的冷却系统是电动汽车电池发展的重要研究课题?基于夹层结构的热管冷却系统来测量锂电池在25℃环境温度和3C放电倍率下的表面温度?文章分析了自然对流?热管和液冷辅助热管冷却方式,通过对比锂电池表面Tmax来比较冷却系统的性能,与自然冷却相比,热管和液冷辅助热管冷却系统的最高电池温度分别降低了8.21%和30.09%,实验结果表明液冷辅助热管的冷却系统在较高热负荷下是有效的?20?30和40L/h的水流循环能够将Tmax平均减少31.74%,实验结果表明该冷却系统的冷却性能会分别随着冷却液流量的加快和冷却液温度的降低而提高?

随着“碳中和”的压力越来越大,迫使汽车行业转型生产电动汽车,以此来解决碳排放问题?电池是电动汽车的主要驱动能源,锂离子电池功率高?循环寿命长?自放电低?比能高,是各种电池中最理想的一种[1]?锂电池的最佳工作温度在25℃至40℃之间,温差ΔT超过5℃就可能在锂电池内部形成热点,对锂电池的运行和寿命都不利[2]?目前使用主动?被动和混合冷却的三种方式来满足锂电池的散热要求,主动冷却系统需要外部能源,分为强制风冷和液体冷却系统;

强制风冷由于空气的传热系数较低,在紧急情况和高充放电倍率下并不是一种理想的冷却方法?液体传热系数高,可以有效地从电池单体/模组中带走热量?但液体冷却存在系统重量大,成本高?高功耗?高压降等问题[3]?被动冷却系统不消耗外部能量,由相变材料(PCM)?热管?翅片和自然对流组成;混合冷却系统是主动?被动或两者的组合?PCM能够在固液转化过程中和恒定温度下储存/释放大量热量,并且无需消耗外部能源?然而,PCM在熔化后存在导热率低?密封难和易泄漏等问题?因此,许多研究选择用添加纳米颗粒?翅片?泡沫铜和热管等方法去弥补这些问题[4,5]?

热管导热性高?成本低?寿命长,被用于许多冷却装置[6]?如图1所示,电池单体产生的热量通过热传导传给热管蒸发段,该热量导致液体在毛细芯内蒸发转变为蒸汽?热管两端的温差会导致相对压力差,使得产生的蒸汽向冷凝段移动,热量伴随蒸汽通过强制传热到达冷凝段,在冷凝段蒸汽冷凝并将热量释放到环境中,冷凝的液体通过毛细力返回蒸发段?热管的冷凝段部分必须始终冷却,需要第二个冷却系统为热管冷凝段散热?Behi等人通过实验和仿真研究了基于L形扁平热管的空气冷却系统在1.5C放电速率下对圆柱形电池组的影响[7]?Li等人通过实验研究了圆柱形电池组的强制风冷结合热管冷却装置的冷却性能[8]?Zhao等人在棱柱形电池组的3C放电率下使用扁平热管?风扇和喷雾改变空气湿度来研究冷却效果[9]?

Liang等人通过实验研究了冷凝段嵌入液体冷却通道时环境温度?冷却剂启动时间对热管冷却系统热性能的影响?使用间歇冷却可将电池的最高温度和温差控制在所需范围内?这表明可以通过减少冷却系统的工作时间来降低其的功耗[10]?Hussein等人设计了基于扁平热管和冷却板的冷却系统,在50?60W的发热功率和不同冷却液流速下依然能将电池Tmax控制在55℃内[11]?

目前大部分研究仅以电池的温度分布为参照,较少从系统结构层面进行设计?液体重量大,持续循环和制冷势必会加大系统功耗,降低电池模组比能?热管作为被动冷却方式,可以弥补液冷在系统能耗上的欠缺,还可以减少TMS的重量?综合放电特性?系统能耗和轻量化指标[12],设计一套基于扁平热管和液冷的TMS?

在锂电池快速放电(3C)下采集电池的表面温度,并与自然冷却和热管冷却进行比较?为了进一步测试液冷辅助热管冷却系统的传热性能,在不同的冷却液流量和温度下记录电池表面温度?

图2的实验装置由直流稳压电源?水泵?流量计?恒温箱?循环槽和温度采集系统组成?实验中采用电池的最大持续放电倍率对电池从SOC(荷电量)%到0%进行一次放电,对电池组进行密封保温,防止电池与外部空气进行换热?根据宁德时代LN50三元锂方形电池的各项参数,选择大小相同具有导热性的铝块模拟锂电池?在每个铝块中类似锂电池极耳的顶部位置,插入两个加热管?

用直流稳压电源控制加热管的电流和电压,来模拟真实电池在25℃环境温度,s内完全放电(3C)下的发热功率?选择以蒸馏水为工质的扁平热管对电池进行散热,计算机连接到温度数据采集器以记录电池温度?棱柱形锂电池和扁平热管的关键参数如表1所示?

数据处理

为了使铝块更准确的模拟电池,需要计算电池的产热量?Bernardi等人计算了电池的发热量,其表达式如式(1):

式(1)中,I为电池充放电电流,A;Uocv为电池的开路电压,V;T为温度,K;R为电池总内阻(欧姆内阻和极化内阻),Ω;?Uocv?T为温度变化系数?在25℃环境温度的不同SOC下,采用HPPC脉冲电流法测取欧姆内阻R,结果如表2所示?电池的SOC在趋于0和1的时候,极化内阻会较大?SOC在0.2到0.8内的内阻波动较小,故取该区间测量值的平均值2.12mΩ,算得电池平均生热速率为37.88W?

采用3个铝块来代替电池包[13],调节加热管的功率达到37.88W?对棱柱形锂离子电池在自然对流?热管自然对流和液冷辅助热管的冷却性能进行了研究,每组测试做三次,取温度变化的平均值,测试设置如图3?图4?图5所示?

如图6所示,电池置于恒温箱内,温度控制在25℃,通过自然对流冷却,在放电截止时电池表面Tmax达到58.5℃,远超出最佳电池工作温度范围?自然对流冷却的目的是观察锂电池发热过程中,3C放电倍率和25℃环境温度对电池热特性的瞬态影响?进而用来对比有热管理系统的电池温度,评价其散热性能?

图4中基于夹层热管的冷却系统,将热管中间部分作为蒸发段与电池壁接触,热管首尾端为冷凝段,并将热管蒸发段与电池组外壁进行隔热保温,避免电池热量直接散失到空气中,电池与热管放置于恒温箱中,恒温箱温度设置为25℃?图6显示了热管冷却系统中电池Tmax的变化趋势,热管在自然对流中通过更大的表面积帮助散热?由于散热面积的增加和热管的高导热性,电池的最高温度达到53.7℃,相比自然对流下降了4.8℃,证明了热管传热的有效性,但电池的最高温度仍然超出最佳工作范围?

为了达到锂离子电池的最佳工作温度,基于夹层热管结构建立了一个液冷辅助热管冷却系统,电池和整套冷却系统置于恒温箱内,保持温度为25℃不变?在该方法中,热管的冷凝段直接浸没在冷却液中以降低电池温度,水为冷却剂,其在循环槽中的温度保持在25℃,蒸发段与冷凝段的长度比例为1:0.6[14]?该冷却系统的最大电池温度为40.9℃,与自然对流和热管自然对流相比,降低了17.6℃?12.8℃,液冷辅助热管对锂电池的冷却表现出更好的性能?这是因为在整个热交换过程中,水冷使得热管蒸发段中的工质可以连续工作,不断地吸收并转移热量到冷凝段?

相比单一的液冷散热系统,液冷辅助热管冷却系统还可减少冷却液质量和循环消耗功率?如图7所示,两个电池组可以共用一个液冷循环槽,由于电池组的对称几何结构,当电池组以平行交错布置进行冷却时,液冷辅助热管只需要消散相当于一个电池组中产生的热量?

通过改变冷却系统关键参数对液冷辅助热管TMS进行了敏感性研究,包括冷却液温度和流速?在环境温度25℃下对电池进行3C放电,以20?30和40L/h的水流循环通过热管冷凝段传递热量?图8?图9?图10显示了不同冷却液流速和温度对传热性能的影响?在25℃的冷却液温度下,不同水流量的液冷辅助热管冷却系统能够将Tmax分别保持在40.9℃?39.9℃和39℃,与自然对流相比,分别减少30.09%?31.79%和33.33%,平均减少31.74%?

ΔT保持在1.5℃?1.6℃和1.2℃?当以不同流速将冷却液温度降低到20℃时,冷却系统能将Tmax控制在37.4℃?36.9℃和35.3℃,和自然对流相比,将Tmax降低36.07%?36.92%和39.66%,平均降低37.55%?温度均匀性ΔT保持在2.1℃?2.2℃和1.1℃?冷却液温度为15℃时,冷却液流量在20?30和40L/h之间变化,Tmax为34.4℃?33.9℃和33℃,与自然对流相比,分别提高了41.20%?42.05%和43.59%的冷却效果,平均提高42.28%?ΔT增加至约2.2℃?2.2℃和2.3℃?

在每种冷却液温度下,Tmax随着流速的增加几乎降低1.4~2.1℃?冷却水冷流量从20L/h变化为30L/h后,对ΔT有轻微影响,但从30L/h加快到40L/h后,ΔT有明显改善,尤其是在20℃冷却液温度下?与20L/h相比,40L/h的冷却系统明显提高了2.39~3.59%的冷却效果?

在不同冷却液流量下,冷却液温度从25℃到15℃,Tmax降低6~6.5℃?与加快水冷流速相比,降低冷却液温度对热管液冷热管理系统的传热效率影响更大?冷却液温度低也会对电池温度的均匀性产生负面影响,图8?图9?图10显示了不同冷却液温度下冷却剂质量流量的电池的温差变化?结果满足电池模块温差的标准应低于5℃,但温度均匀性随着冷却剂温度的降低而恶化?15℃的冷却液相比自然对流提高了42.28%的冷却效果,上一节中40L/h的冷却系统有着更好的传热性能,在40L/h的质量流量中,20℃冷却液相比25℃的冷却液有着较低的表面温度,ΔT则相差不多,相比15℃的冷却液有着更好的温度均匀性?20℃冷却水对于锂离子电池的推荐操作温度范围是理想和有效的?

研究了锂电池在25℃环境温度,3C放电速率下的热管结合液冷热管理系统的冷却性能?结果如下:

(1)在自然对流冷却下,Tmax达到58.5℃?基于热管的自然空气TMS将电池的Tmax降至53.7℃?使用液冷辅助热管冷却系统,Tmax都能控制在40.9℃以下,依托于扁平热管寿命高?成本低等优点,使得该系统结构紧凑,重量轻?在冷凝段用液冷作为辅助,以较少的能量消耗成本就能将电池组的温度控制在合适的温度范围内?

(2)电池表面Tmax随着冷却液流量的变大而降低,每种冷却液温度下的最低Tmax都是在40L/h时获得?相比从20L/h到30L/h,30L/h到40L/h后Tmax的降低幅度更大?冷却液流量对ΔT的影响在每种情况下略有不同,通常在40L/h下观察到更好的性能?但与降低冷却液温度相比,改变冷却液流量对提高冷却系统的性能不够有效?

(3)降低冷却液温度可以提高该系统的传热性能,Tmax对冷却液温度的变化更敏感?在15℃的冷却液温度下,能有更多的热量从电池中传递出去?从25℃到20℃,相比自然冷却,液冷辅助热管冷却系统的传热性能提高了18.3%,从20℃到15℃,传热性能提高了12.6%?ΔT则随着冷却液温度的降低而升高,20℃的冷却液比15℃的冷却液有着更好的温度均匀性?

作者：马磊1,金志浩1,袁奇1,韩振南2

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