米國強，徐紅玉，梁坤峰，李亞超，王莫然

(河南科技大學 a.車輛與交通工程學院；b.土木工程學院，河南 洛陽 471003)

0 引言

全球能源的減少和環(huán)保要求的提高促使電動汽車快速發(fā)展[1]，高比功率、高比能密度的電池被廣泛使用[2-3]。這些電池在高電流的充放電循環(huán)中產(chǎn)生大量熱量[4-5]。通常，電池最佳工作溫度為25～40 ℃[6]。高溫時，電池阻抗增加，易引發(fā)熱失控；低溫時，電池活性差，導致容量衰減；此外，組件中不均勻的溫度變化也會顯著降低電池壽命[7]。因此，一個優(yōu)異的電池熱管理系統(tǒng)非常重要。

目前，動力電池組熱管理系統(tǒng)的研究主要集中在散熱方面，常見的散熱方式有風冷、液冷、熱管冷卻和相變材料冷卻等。文獻[8]通過優(yōu)化風冷的流型將電池組的最大溫度降低了1.7 ℃，能耗降低了12%。文獻[9]提出了一種基于熱管的熱管理系統(tǒng)，利用熱管的兩相熱均勻性特性，將棱柱電池之間的溫度差維持在±5 ℃。文獻[10]研究了基于相變材料的圓柱形LiFePO4動力電池排布方式，將電池溫度控制在合理范圍。文獻[11]將電池系統(tǒng)與乘客艙用制冷劑并聯(lián)冷卻，經(jīng)過68 s電池溫度從35 ℃降至25 ℃，并穩(wěn)定在設定溫度。而已知的散熱方式中，風冷占用體積空間大，且冷卻不均，冷卻效果差；液冷效果較好，但系統(tǒng)設計復雜，安全隱患大，且泵耗能，削弱了電池的續(xù)航性能；自然冷卻成本低但使用限制較大；新發(fā)展的散熱方式因技術原因使用較少。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工況，受成本及空間限制，普遍采用正溫度系數(shù)(positive temperature coefficient, PTC)熱敏電阻電加熱方式，雖設計簡單但耗電嚴重。因此，為了保證電動車輛電池組的使用壽命、安全性和能量密度指標，兼顧加熱與散熱工況的動力電池一體化熱管理系統(tǒng)的開發(fā)具有重要工程意義。目前，僅在特斯拉Model 3系列車型上，使用兩套熱管理系統(tǒng)，完成電池低溫加熱和高溫散熱，但是需要使用四通換向閥控制兩套系統(tǒng)的切換，系統(tǒng)復雜且成本較高。

因此，本文基于工質(zhì)(制冷劑)相變換熱的思路，結(jié)合液冷和熱管冷卻兩種高效熱管理方式，設計了一種動力電池熱管理系統(tǒng)的雙工況自循環(huán)熱管理系統(tǒng)。以液態(tài)工質(zhì)吸熱氣化產(chǎn)生熱虹吸效應作為工質(zhì)循環(huán)動力，利用重力將冷凝后的液體回流。通過試驗，研究此系統(tǒng)的低溫加熱和高溫散熱能力。

1 試驗系統(tǒng)原理與系統(tǒng)測試

1.1 熱管理試驗系統(tǒng)

試驗系統(tǒng)各組成部件及連接關系如圖1所示。圖1中:熱管理系統(tǒng)包括變壓器、額定電壓為220 V，功率為150 W的加熱棒、一個銅管焊接而成的氣泡泵、3個管徑為9.52 mm的單向閥、一個尺寸為45×210×280mm3的翅片管式冷凝器、風扇和一塊蛇形管換熱板，其余各部分管徑為9.52 mm，整個熱管理系統(tǒng)通過焊接連接，內(nèi)部循環(huán)工質(zhì)R141b。為方便測試所設計的熱管理系統(tǒng)性能，使用型號為DC-3006的恒溫槽模擬電池溫度，并通過循環(huán)泵循環(huán)至后換熱板與熱管理系統(tǒng)換熱。前后換熱板之間填充導熱系數(shù)為0.8w/(m·k)的導熱硅膠，外部粘貼保溫隔熱層。通過安捷倫34970A和溫度傳感器采集7個測溫點溫度。

1 加熱棒；2 氣泡泵；3 風道；4 風扇；5 翅片管式冷凝器；6、7、8單向閥；9 前換熱板；10 導熱硅膠片；11 后換熱板；12 循環(huán)水泵；13 溫控裝置；14電池箱(恒溫槽)；15 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；16變壓器圖1 試驗系統(tǒng)各組成部件及連接關系

通過控制3個閥門的啟閉，選擇加熱或者散熱循環(huán)。兩種工況下，系統(tǒng)工質(zhì)循環(huán)流向如圖1中標識所示。加熱工況僅閥7打開，加熱棒1給氣泡泵2內(nèi)的液態(tài)工質(zhì)供熱，氣泡泵2內(nèi)溫度壓力升高，推動高溫氣液兩相混合物進入前換熱板9進行換熱，電池箱吸熱溫度逐漸升高。散熱工況下，閥6和8開啟，閥7關閉，分別測試自然散熱和強制散熱，熱管理系統(tǒng)的換熱效果。前換熱板9相當于蒸發(fā)器，產(chǎn)生的較高溫度的氣液兩相混合物經(jīng)單向閥8流入冷凝器5，冷凝并回流至氣泡泵，完成散熱工況的循環(huán)。自然散熱時風扇不運轉(zhuǎn)，強制散熱時風扇風速為1.67 m/s。散熱試驗時，電池箱穩(wěn)定在設定溫度后，打開循環(huán)泵12，因系統(tǒng)管路會吸收一部分電池熱量，導致電池箱溫度產(chǎn)生波動。為了保證實驗精度，溫控裝置13繼續(xù)維持電池箱溫度穩(wěn)定在設定值，待系統(tǒng)散熱循環(huán)完全建立起來，關閉電池箱溫控裝置，測試系統(tǒng)散熱效果。電池產(chǎn)熱和耗熱量由恒溫箱中一定質(zhì)量的乙二醇水溶液的熱容量來衡算。

通過電池箱的溫度變化，計算出該熱管理系統(tǒng)的平均換熱功率，如公式(1)所示[12]。

(1)

其中：p為系統(tǒng)換熱功率，W；Q為總換熱量，J；τ為時間，s；C為乙二醇溶液比熱容，J/(kg·℃)；m為溶液質(zhì)量，kg；△t為溶液溫度差，℃。

1.2 電池產(chǎn)熱

鋰離子電池由多層電芯堆疊而成，在放電過程中產(chǎn)生大量的熱[13-15]。本文以某三元鋰電池為研究對象，計算其放電產(chǎn)熱量。單體電池參數(shù)如表1[13]所示。

表1 單體電池參數(shù)

目前，基于電池均勻產(chǎn)熱的假設，文獻[16]提出的電池生熱速率模型得到廣泛認同，其優(yōu)勢在于模型中各個參數(shù)均可通過一定的電池充放電試驗進行較為準確的測量，其表達式為：

(2)

其中：qV為電池內(nèi)核單位體積生熱速率，W/m3；V為電池內(nèi)核體積，m3；I為電流，A，充電取正，放電取負；E0為開路電壓，V；E為端電壓，V；T為電池溫度，K；dE0/dT為電池開路電壓隨溫度的變化系數(shù)，對于相同電池，其值變化較小，本文經(jīng)試驗測定為0.02 mV/K；R為電池總內(nèi)阻，Ω。

圖2 不同放電倍率時電池總內(nèi)阻測量值隨SOC變化情況

電池內(nèi)阻隨放電深度、溫度、電流、循環(huán)次數(shù)等因素不斷變化[17]。在已知的對三元鋰電池內(nèi)阻影響因素的研究中，溫度高于25 ℃的條件下，電池內(nèi)阻受溫度變化影響較小[18-19]，故本文選擇考慮充放電倍率和荷電狀態(tài)(state of charge,SOC)對內(nèi)阻的影響，采用脈沖電流放電法對所用電池的總內(nèi)阻進行測量。在25 ℃下不同放電倍率時，所用電池在不同SOC下的總內(nèi)阻測量值如圖2所示。

圖2中，C表示充放電電流的倍率。將內(nèi)阻值代入式(2)，1C取放電時間3 868 s，2C取放電時間1 910 s，3C取放電時間1 260 s。在環(huán)境溫度為25 ℃的條件下放電結(jié)束，計算得：單體電池在1C放電倍率下，溫升9.5 ℃；在2C放電倍率下溫升18.4 ℃；在3C放電倍率下溫升26.2 ℃。說明在高放電倍率下，電池更需要合理的熱管理策略。尤其在夏季高溫下使用，若不及時散熱，電池溫度甚至可能超過60 ℃，嚴重影響電池使用。

2 結(jié)果分析

2.1 加熱工況

圖3給出了加熱工況下各試驗結(jié)果，加熱棒功率為150 W。圖3a是電池箱中乙二醇水溶液為2 kg時制冷劑側(cè)與溶液側(cè)溫度變化。由圖3a可知：加熱開始后制冷劑側(cè)進出口溫度快速升高，600 s左右制冷劑進出口溫差趨于穩(wěn)定，電池箱溫度隨制冷劑側(cè)溫度升高而均勻升高，系統(tǒng)換熱比較穩(wěn)定。圖3b為不同溶液量制冷劑側(cè)進出口溫度隨時間變化曲線。由圖3b可以發(fā)現(xiàn)：隨著電池箱內(nèi)溶液量增加，制冷劑進出口溫度降低。圖3c為不同溶液量電池箱溫度變化，溶液量為2 kg、3 kg和4 kg時，電池箱溫度最終分別升高至33.0 ℃、26.0 ℃和19.5 ℃。根據(jù)式(1)，計算得3組試驗電池箱換熱功率隨時間變化曲線，如圖3d所示。由圖3d可知：系統(tǒng)穩(wěn)定后，電池箱換熱功率隨時間增加有小幅降低，這是由于隨時間增加，制冷劑側(cè)與溶液側(cè)溫差緩慢減小，熱量傳遞變慢，故換熱功率緩慢降低。3組試驗電池箱換熱功率僅有加熱棒功率的1/2，這是由于氣泡泵采用套管式，加熱棒熱量有一部分散失在空氣中，故試驗所得的系統(tǒng)加熱功率與加熱棒功率相差較大。在圖3d中，3組試驗電池箱換熱功率相差1.2%～3.8%，說明在加熱棒功率一定的條件下，溶液量對系統(tǒng)加熱功率的影響可以忽略不計。

(a) 系統(tǒng)各測溫點溫度 (b) 不同溶液量制冷劑側(cè)進出口溫度

(c) 不同溶液量電池箱溫度變化 (d) 電池箱換熱功率隨時間變化

2.2 散熱工況

在散熱工況下，研究電池箱在40 ℃、50 ℃、60 ℃和70 ℃的溫度時，熱管理系統(tǒng)的散熱能力。圖4為自然對流散熱工況下，系統(tǒng)各測溫點的溫度變化曲線。系統(tǒng)穩(wěn)定后，由圖4a可以看出：電池箱溫度為40 ℃時，各測溫點溫度變化較為平緩。其中，制冷劑側(cè)進出口溫差為2.2～2.7 ℃，翅片管式冷凝器進出口溫差為3.5～4.8 ℃，電池箱進出口溫差為0.8～1.5 ℃。由圖4b可以看出：電池箱溫度為50 ℃時，制冷劑側(cè)溫度較為穩(wěn)定，進出口溫差為2.5～3.5 ℃；翅片管式冷凝器進出口溫差增大，為7.2～8.8 ℃；電池箱進出口溫差為1.5～2.7 ℃。由圖4c可以看出：電池箱溫度為60 ℃時，制冷劑側(cè)進出口溫差為2.8～3.6 ℃；翅片管式冷凝器進出口溫差為9.3～11.0 ℃；電池箱進出口溫差為2.7～3.9 ℃。由圖4d可以看出：電池箱溫度為70 ℃時，制冷劑側(cè)進出口溫差為3.5～4.6 ℃，翅片管式冷凝器進出口溫差為9.6～12.0 ℃，電池箱進出口溫差為3.2～3.7 ℃。在圖4a和圖4b中，各測溫點溫度較為穩(wěn)定，而圖4c和圖4d中，則出現(xiàn)明顯波動。原因在于系統(tǒng)前換熱板采用蛇形管換熱，氣液兩相制冷劑流通距離長，在40 ℃和50 ℃時，因為電池箱產(chǎn)熱較少，前后換熱板之間溫差較小，傳熱慢，液態(tài)制冷劑吸熱產(chǎn)生的氣體量較小，故循環(huán)之初，系統(tǒng)產(chǎn)生的氣體進入冷凝器即被冷卻，循環(huán)建立較為平緩。而在60 ℃和70 ℃時，因制冷劑側(cè)與溶液側(cè)溫差較大，系統(tǒng)迅速產(chǎn)生大量的氣液兩相制冷劑混合物，但是受制于蛇形管流通距離較長，進入冷凝器的量少于產(chǎn)生的量，使得管內(nèi)制冷劑氣液兩相混合物不斷積聚，導致系統(tǒng)內(nèi)溫度壓力不斷升高。當積聚的量足夠多時，推動力足夠大，循環(huán)迅速建立起來，故系統(tǒng)內(nèi)溫度出現(xiàn)明顯的波動。

電池箱溫度為40 ℃時，試驗結(jié)束電池箱溫度降低1.4 ℃；50 ℃時，試驗結(jié)束電池箱溫度降低4.1 ℃；60 ℃時，試驗結(jié)束電池箱溫度降低6.4 ℃；70 ℃時，試驗結(jié)束電池箱溫度降低9.9 ℃。這是因為系統(tǒng)換熱受電池箱側(cè)與制冷劑側(cè)傳熱溫差的影響，電池箱溫度越高，前后換熱板的傳熱溫差越大，系統(tǒng)散熱效果越好。

(a) 電池箱溫度40 ℃ (b) 電池箱溫度50 ℃

(c) 電池箱溫度60 ℃ (d) 電池箱溫度70 ℃

圖5為強制對流散熱工況下系統(tǒng)各測溫點的溫度變化曲線。系統(tǒng)穩(wěn)定后，由圖5a可以看出：電池箱溫度為40 ℃時，制冷劑側(cè)進出口溫差為0.1～1.3 ℃，翅片管式冷凝器進出口溫差為3.6～4.9 ℃，電池箱進出口溫差為0.6～1.1 ℃。由圖5b可以看出：電池箱溫度為50 ℃時，制冷劑側(cè)進出口溫差為0.6～1.5 ℃，翅片管式冷凝器進出口溫差為8.7～9.5 ℃；電池箱進出口溫差為1.3～2.2 ℃。由圖5c可以看出：電池箱溫度為60 ℃時，制冷劑側(cè)進出口溫差為0.3～1.4 ℃，翅片管式冷凝器進出口溫差為8.9～9.9 ℃，電池箱進出口溫差為2.6～4.3 ℃。由圖5d可以看出：電池箱溫度為70 ℃時，制冷劑側(cè)進出口溫差為0.2～1.6 ℃，翅片管式冷凝器進出口溫差為9.5～10.8 ℃，電池箱進出口溫差為4.4～6.0 ℃。圖5d中出現(xiàn)與圖4c和圖4d相似的溫度波動，是因為強制散熱工況中，雖然系統(tǒng)散熱能力提高，但是由于采用單根蛇形管的換熱板，產(chǎn)生的制冷劑氣液兩相混合物仍有積聚。說明單根蛇形管的換熱板對系統(tǒng)換熱不利，需進行后續(xù)改進。

由圖5可知：各測溫點的初始溫度相同，達到設定溫度后，強制散熱制冷劑側(cè)進出口溫度和翅片管式冷凝器進出口溫度均低于自然散熱，有利于前換熱板產(chǎn)生的氣液兩相制冷劑混合物在翅片管式冷凝器處快速冷卻。電池箱及溶液側(cè)出口溫度均勻降低，且降溫速率比自然散熱時要快。電池箱溫度為40 ℃時，試驗結(jié)束電池箱溫度降低2.3 ℃；50 ℃時，試驗結(jié)束電池箱溫度降低5.5 ℃；60 ℃時，試驗結(jié)束電池箱溫度降低7.6 ℃；70 ℃時，試驗結(jié)束電池箱溫度降低10.9 ℃。相同的電池箱溫度，強制散熱工況電池箱溫度降低值明顯高于自然散熱。

(a) 電池箱溫度40 ℃ (b) 電池箱溫度50 ℃

(c) 電池箱溫度60 ℃ (d) 電池箱溫度70 ℃

圖6 散熱功率隨電池箱溫度變化曲線

圖6給出了散熱功率隨電池箱溫度的變化曲線。由圖6可知：隨電池箱溫度升高，熱管理系統(tǒng)的散熱功率呈線性增大趨勢，且強制散熱比自然散熱有更高的散熱功率。電池箱溫度為40 ℃時，系統(tǒng)自然散熱功率為11.9 W，強制散熱功率為19.5 W，散熱功率提高了63.9%；電池箱溫度為50 ℃時，系統(tǒng)自然散熱功率為35.4 W，強制散熱功率為45.9 W，散熱功率提高了29.7%；電池箱溫度為60 ℃時，系統(tǒng)自然散熱功率為52.9 W，強制散熱功率為62.7 W，散熱功率提高了18.5%；電池箱溫度為70 ℃時，系統(tǒng)自然散熱功率為80.4 W，強制散熱功率為88.4 W，散熱功率提高了10.0%，散熱效果最好。

綜合以上試驗發(fā)現(xiàn)：系統(tǒng)散熱功率隨電池箱溫度升高而增大，而電池箱溫度的升高，致使換熱兩側(cè)的溫差增大，更有利于管內(nèi)工質(zhì)的吸熱相變，由此強化了基于熱虹吸效應的工質(zhì)流動，工質(zhì)循環(huán)流量得以增大，相應的換熱量增多。同時，當冷凝側(cè)采取強制風冷散熱時，工質(zhì)在冷凝器中快速冷凝，冷凝器中的工質(zhì)蒸氣分壓力減小，強化了工質(zhì)的流動，這也增大了工質(zhì)的循環(huán)量，達到增大散熱功率的目的。

3 結(jié)論

(1)本文設計的動力電池熱管理系統(tǒng)，可以實現(xiàn)電池箱的低溫加熱及高溫散熱時的運行管理。

(2)電池箱加熱工況下，工質(zhì)在氣泡泵內(nèi)吸熱蒸發(fā)，產(chǎn)生的氣泡攜帶制冷劑液體形成熱虹吸效應，確保工質(zhì)在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)流動，相同加熱功率下，電池箱的換熱功率一致性較好。

(3)電池箱散熱工況下，系統(tǒng)的散熱能力隨電池箱溫度的升高而增大。冷凝器側(cè)強制散熱比自然散熱時的散熱能力更強，在70 ℃時系統(tǒng)散熱功率達到最大，為 88.4 W。

(4)無論是加熱環(huán)節(jié)還是散熱環(huán)節(jié)，制冷劑高效的相變速率強化了電池箱的傳熱速率，且換熱效果較好，有利于電池箱特殊熱管理場所的應用。