基于無機超導(dǎo)熱管的車用鋰離子電池組散熱性能

鄂加強 ，胡小峰 ，胡遼平，龍艷平 ，朱蓉甲

(1. 湖南大學(xué) 汽車車身先進設(shè)計制造國家重點實驗室，湖南 長沙，410082；

2. 湖南大學(xué) 機械與運載工程學(xué)院，湖南 長沙，410082；3. 湖南大學(xué) 先進動力總成技術(shù)研究中心，湖南 長沙，410082)

動力電池是電動汽車中的主要儲能元件和關(guān)鍵部件[1]。鋰離子電池具有高比能量和大輸出功率等特點，有望在新一代電動汽車和混合動力汽車中取代鎳氫電池。 但鋰離子電池在工作過程中產(chǎn)生大量的熱，在散熱不良的情況下可能發(fā)生燃燒或爆炸, 這極大地阻礙了大型鋰離子電池的實際應(yīng)用[2?6]。電池組中單體電池是互相串聯(lián)的，任何1塊電池性能下降都會影響電池組的整體性能，當(dāng)溫差為5，10和15 ℃時，在相同充電條件下，電池組的荷電態(tài)分別下降 10%，15%和20%[7?8]。溫差的變化會影響電池的整體壽命和穩(wěn)定性，為了提高鋰離子電池的性能,避免發(fā)生安全事故，有必要對電池組進行冷卻。在電動汽車電池?zé)峁苌希壳皣鴥?nèi)普遍采用強制風(fēng)冷，在一定程度上滿足要求[9?10]，但傳統(tǒng)的風(fēng)冷系統(tǒng)需要消耗大量的電能，縮短了汽車的里程。Mills等[11]研究了相變材料冷卻方法并驗證了其可行性。在眾多傳熱元件中，熱管是最有效傳熱原件之一，它可以將大量熱量通過很小的傳熱面遠(yuǎn)距離輸送而無需使用外加動力；熱管的構(gòu)造簡單，無運動部分，工作可靠，質(zhì)量小，能在失重狀況下工作，溫差很小。熱管從問世以來得到飛速發(fā)展，目前已廣泛應(yīng)用于熱交換、余熱回收利用、大功率電子元件中散熱、建筑節(jié)能等領(lǐng)域中[12?14]。Wu等[15]通過鋰離子電池放電實驗發(fā)現(xiàn)：自然冷卻不能滿足散熱要求；當(dāng)強制對流冷卻時，電池單體間的溫差較大，而采用帶鋁肋片熱管冷能滿足要求。隨著鋰離子放電電流越來越大，對散熱系統(tǒng)提出了更苛刻的要求，為此，本文作者擬采用無機超導(dǎo)熱管冷卻車用鋰離子電池組。

1 車用鋰離子電池組散熱模型

1.1 無機超導(dǎo)熱管技術(shù)

1.1.1 無機超導(dǎo)熱管工作原理

無機熱傳導(dǎo)技術(shù)是以無機元素為導(dǎo)熱介質(zhì)，將其注入到各類金屬(或非金屬)管狀夾層板腔內(nèi)，經(jīng)密封成型后，形成具有導(dǎo)熱特性的元件，簡稱無機熱傳導(dǎo)元件，如圖1所示。當(dāng)無機熱傳導(dǎo)元件內(nèi)的無機導(dǎo)熱介質(zhì)受熱后，利用分子的震蕩、摩擦，將熱能快速激發(fā)并成波狀快速傳遞，這樣可將熱量由元件的一端迅速傳向另一端。在整個傳熱過程中，元件表面呈現(xiàn)出熱阻趨于0 K/W的特性(即熱超導(dǎo)性)。無機熱傳導(dǎo)元件主要是通過腔體內(nèi)部的無機介質(zhì)來實現(xiàn)導(dǎo)熱過程，導(dǎo)熱能力遠(yuǎn)比普通金屬材料的高，當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)為3.2 MW/(m·K)，其等效導(dǎo)熱系數(shù)最高可為金屬銀材料的數(shù)千倍。本文中，無機高效熱管工質(zhì)組分及加入量為(以去離子水或高純水1 kg計)：重鉻酸鉀30～50 g，過硼酸鈉10～20 g，硼酸3～6 g，過氧化鈉1～3 g，氫氧化鋁0.5～ 1.5 g，三氧化二鈷 0.2～0.6 g，二氧化錳 0.2～0.6 g。

圖1 無機超導(dǎo)熱管工作原理圖Fig.1 Working principle diagram of inorganic superconducting heat pipe

1.1.2 無機超導(dǎo)熱管技術(shù)特點

與普通熱管相比，無機超導(dǎo)熱管具有如下特點：

(1) 適用溫度為20～1 000 ℃，而一般液體工質(zhì)如水只能用于100～350 ℃。

(2) 無機高效熱管介質(zhì)為液態(tài)混合物，介質(zhì)受熱激發(fā)后沿腔壁將受熱端熱能向冷端傳遞。

(3) 元件具有良好的傳熱性能。

(4) 溫度沿軸向表現(xiàn)出正弦波分布的特性，熱阻幾乎為0 K/W。

1.2 車用鋰離子電池組散熱模型

車用鋰離子電池單體的基本形狀為圓柱體，基本性能參數(shù)：標(biāo)量容量為10 A·h，電壓為3.7 V，直徑為50 mm，高度為120 mm，電池組結(jié)構(gòu)如圖2所示(3節(jié)為1組)。整個電池包由15個這樣的電池組串聯(lián)組成。將無機超導(dǎo)熱管均勻布置在電池四周，在熱管兩端安裝鋁肋片，長、寬和高分別為420，330和210 mm，厚度為2 mm，肋間距為6 mm，每端7片。鋰離子電池組適合工作溫度為20～50 ℃，各電池單體溫差不超過5 ℃，保持電池表面溫度的均勻性。

1.2.1 車用鋰離子電池組散熱數(shù)學(xué)模型

車用鋰離子電池組散熱過程控制方程如下。

圖2 車用鋰離子電池組模型Fig.2 Model of automotive lithium-ion battery

連續(xù)性方程：

式中：τ為時間，s；ui為i方向速度分量，m/s，且i為1, 2和 3，分別代表x,y和z3個坐標(biāo)方向；ρ為車用動力電池箱內(nèi)空氣密度，kg/m3。

動量方程：

式中：uj為j方向上的速度分量，且j為1, 2和 3，分別代表x,y和z3個坐標(biāo)方向；p為車用動力電池箱內(nèi)空氣靜壓，Pa；μ為車用動力電池箱內(nèi)空氣動力黏度，kg/(m·s)。

能量方程：

式中：cp為車用動力電池箱內(nèi)空氣比熱容，J/(kg·K)；k為車用動力電池箱內(nèi)空氣熱傳導(dǎo)系數(shù)，W/(m·K)；q˙為單位體積熱生產(chǎn)率，W/m3；T為熱力學(xué)溫度，K。

湍動能k方程：

式中：σk為湍流動能的有效 Prandtl數(shù)；

為湍動能耗散率；Cμ為與k方程有關(guān)的常數(shù)。

湍動能耗散率ε方程：

式中：C1和C2均為與ε方程有關(guān)的常數(shù)；σε為湍流動能耗散率的有效Prandtl數(shù)。數(shù)學(xué)模型中的有關(guān)常數(shù)如下：C1=1.44，C2=1.92，σk=0.9，σε=1.3，Cμ=0.09。

1.2.2 車用鋰離子電池組散熱仿真模型

由于無機超導(dǎo)熱管內(nèi)部傳熱機理極其復(fù)雜，在保證無機超導(dǎo)熱管傳熱功率與溫差相同的情況下，把無機超導(dǎo)熱管等效為幾何尺寸與無機超導(dǎo)熱管相同而導(dǎo)熱能力極佳的金屬桿[16]，可建立如圖3所示的車用鋰離子電池組散熱仿真模型(其中，Q為散熱量)。此外，考慮到鋰離子電池單體發(fā)熱均勻，由于車用鋰離子電池箱對外輻射的熱量遠(yuǎn)小于熱管散的熱量，故其輻射熱量可忽略不計。鋰離子電池產(chǎn)生的熱量經(jīng)空氣傳給無機超導(dǎo)熱管，最終散發(fā)到環(huán)境中。

滿足要求的網(wǎng)格比例在95%以上，達(dá)到仿真要求。

1.2.3 初始條件和邊界條件確定

圖3 車用鋰離子電池組散熱仿真模型Fig.3 Thermal simulation model of automotive lithium ion battery

熱管的導(dǎo)熱率與工作的溫度、工質(zhì)物理性質(zhì)等因素有關(guān)。大量實驗結(jié)果表明：在溫度差不大時，導(dǎo)熱率可看作常數(shù)，無機超導(dǎo)熱管軸向?qū)崧蕿?50 kW/(m·K)，徑向?qū)崧蕿? kW/(m·K)?？紤]到汽車在行駛過程中有一定的速度，設(shè)電池箱壁面、肋片與空氣平均傳熱系數(shù)為10 W/(m2·K)，熱管與電池箱內(nèi)的空氣接觸面為耦合面，測得電池平均發(fā)熱功率為 1.8 W/節(jié)，換成平均熱流密度約為80 W/m2，環(huán)境溫度設(shè)為293 K。

2 車用鋰離子電池組散熱性能仿真分析

2.1 車用鋰離子電池組散熱設(shè)計方案

針對車用鋰離子電池組散熱的實際工況，分別以無機超導(dǎo)熱管管徑d、冷卻段溫度Twc作為表1所示3個工況的變化參數(shù)，采用顯示差分法對所建立的車用鋰離子電池組散熱數(shù)學(xué)模型進行數(shù)值求解。

圖4所示為達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)下車用鋰離子電池外表面溫度云圖。選中間1排電池剖面為研究對象，其溫度比外表面的溫度高，能更好地反映車用鋰離子電池組發(fā)熱情況。取電池兩端和圓柱面中間1點處的3次溫度的平均值作為電池單體的平均溫度。

表1 計算工況Table 1 Calculation conditions

圖4 車用鋰離子電池溫度分布Fig.4 Temperature distributions of lithium ion battery in automotive

從圖4可以看出：以上3個方案中電池最高溫度均小于323 K，溫差為5 K左右，均滿足設(shè)計要求。在環(huán)境溫度和其他條件一定時，電池的最高溫度與無機超導(dǎo)熱管的直徑有很大的關(guān)系；隨著直徑增大，散熱效果越好，無機超導(dǎo)熱管在電池散熱方面表現(xiàn)出良好的優(yōu)越性。

表2 電池溫度模擬結(jié)果Table 2 Simulation results of battery temperature K

綜合考慮各方面因素，采用方案1進行下階段的模擬，模擬結(jié)果見表2。圖5所示為方案1車用鋰離子電池組各個單體的平均溫度。

圖5表明：車用鋰離子電池箱里的溫度T具有對稱性，中間的車用鋰離子電池溫度T高。對于如圖2所示的不同電池編號N(N=1，2，…，15)，1～5號車用鋰離子電池和11～15號車用鋰離子電池溫度比6～10號車用鋰離子電池的平均溫度低，處在外層的車用鋰離子電池溫度比里面的低，第2腔車用鋰離子電池溫度要比第1和第3腔的溫度高2～4 K。

車用鋰離子動力電池箱內(nèi)部發(fā)熱比較嚴(yán)重，由于無機超導(dǎo)熱管是均勻布置的，外層的鋰離子動力電池部分熱量可以通過電池箱壁面散發(fā)出去，造成內(nèi)層電池表面溫度明顯高于外表面電池表面溫度。電池連接處的電極發(fā)熱比較嚴(yán)重，電池連接處間隔小，離熱管的距離又遠(yuǎn)，這2個面產(chǎn)生的熱量不易散出，從而造成電池兩端的溫度明顯高于柱面處的溫度，電池的最高溫度為314.43 K，電池單體之間溫差為4.52 K。

圖5 方案1車用鋰離子電池外表面平均溫度Fig.5 Average temperature of outer surface of lithium ion battery in automotive

2.2 不同工況下車用鋰離子電池組散熱性能模擬分析

電動汽運行工況并不是穩(wěn)定的，發(fā)熱功率隨工況變化，電動車在快充、快放、加速或起步時，電池的發(fā)熱功率比較大，最大發(fā)熱功率可能達(dá)到150 W/m2，這對散熱提出了更高的要求。其他設(shè)置條件不變，分別在熱流密度為100，120和150 W/m2時進行仿真，當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時，車用鋰離子電池組散熱情況如圖6所示。

圖6 車用鋰離子電池溫度分布Fig.6 Temperature distribution of automotive lithium ion battery

從以上模擬結(jié)果可以看出：當(dāng)電池組在發(fā)熱功率為150 W/m2時，電池單體的最高溫度為324.96 K，基本滿足設(shè)計要求。每組工況取第2腔的電池單體平均溫度來分析，得到的結(jié)果如圖7所示。

圖7 車用鋰離子電池外表面平均溫度Fig.7 Average temperature of outer surface of automotive lithium ion battery

從圖7可見：電池單體的平均溫度隨著加載的熱流密度增大而增大，當(dāng)分別加載熱流密度100和120 W/m2時，電池的最高平均溫度為321 K，溫差在5 K內(nèi)，滿足鋰離子電池最適溫度要求。當(dāng)加載熱流密度150 W/m2時，電池最高平均溫度為324.12 K，溫差為5.21 K，分別比設(shè)計值高2.24%和4.2%，均在誤差允許的范圍內(nèi)，可以認(rèn)為基本符合設(shè)計要求。

2.3 車用鋰離子電池組無機超導(dǎo)熱管散熱效果評價

采用BS-9360型二次電池性能檢測裝置對如圖2所示所布置的車用鋰離子電池組放電過程散熱性能進行檢測，并外接T型熱電偶六通道采集溫度。車用鋰離子電池組散熱方式分別為無機超導(dǎo)熱管散熱，采用風(fēng)機(2臺上海興壹牌T030-6型1.5 kW軸流固定式風(fēng)機)強制散熱和自然對流散熱。

對15節(jié)電池分別用電流5.0，7.5和10.0 A進行放電，測量電池放電過程的溫度變化。將其與電池封裝前(即自然放置和風(fēng)機強制冷卻)放電過程的溫度變化規(guī)律進行對比，得出3種冷卻模式下電池溫度隨放電時間的變化曲線，如圖8所示。

從圖8可見：車用鋰離子電池?zé)o機超導(dǎo)熱管散熱效果十分明顯。放電開始不久，三者溫度相差并不大；隨著放電時間的推移，車用鋰離子電池的溫度越來越高，當(dāng)溫度T=305 K時，無機超導(dǎo)熱管散熱曲線上升緩慢，此時，無機超導(dǎo)熱管開始工作，帶走車用鋰離子電池產(chǎn)生的大部分熱量，當(dāng)放電時間為10 min時，車用鋰離子電池溫度不超過316 K。盡管風(fēng)機強制散熱效果比自然對流散熱的效果好，但車用鋰離子電池溫度仍然升至320 K，比無機超導(dǎo)熱管散熱后車用鋰離子電池溫度高4 K以上。

圖8 車用鋰離子電池最高溫度?時間曲線Fig.8 Maximum temperature?time curve of automotive lithium ion battery

3 結(jié)論

(1) 無機超導(dǎo)熱管散熱能夠滿足車用鋰離子電池組熱負(fù)荷的散熱要求，在平均工況、環(huán)境溫度為常溫下，電池單體的溫度控制在309.91～314.43 K，溫差為4.52 K，平均溫度為311.92 K。

(2) 電動汽車在快充、快放、加速或起步時，其發(fā)熱功率比較大。在發(fā)熱功率為150 W/m2時，車用鋰離子電池最高溫度在324.12 K以內(nèi)，溫差為5 K左右。

(3) 不同放電電流下的車用鋰離子電池組無機超導(dǎo)熱管、自然冷卻、風(fēng)機強制冷卻散熱情況下，當(dāng)放電電流為10 A且放電時間為10 min時，經(jīng)無機超導(dǎo)熱管散熱后，車用鋰離子電池溫度不超過321 K，在同樣條件下比強制風(fēng)冷低6～12 K。

(4) 在仿真的過程中，把無機超導(dǎo)熱管導(dǎo)熱率近似定為常量，得到的仿真結(jié)果存在一定誤差，但與測試結(jié)果相比，在一定范圍內(nèi)基本吻合，證明無機超導(dǎo)熱管應(yīng)用于電池?zé)峁苁强尚械摹?/p>

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