王 超，趙 津，賴?yán)こ?，?照，張 航

(1.貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴陽(yáng) 550025；2.貴州大學(xué) 現(xiàn)代制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴陽(yáng) 550025)

由于能源危機(jī)的加深和環(huán)境污染的加劇，新能源汽車正在成為汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新亮點(diǎn)。目前，電動(dòng)汽車正尋求一種能夠支持長(zhǎng)里程數(shù)、快速充電和穩(wěn)定駕駛性能的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備[1]。而鋰離子電池具有比功率高、能量密度高、自放電率低、循環(huán)壽命長(zhǎng)、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，被電動(dòng)汽車采用為儲(chǔ)能裝置[2]。然而，鋰電池對(duì)環(huán)境溫度的變化非常敏感，特別是50 ℃以上的高溫會(huì)降低電池的可恢復(fù)功率和容量，縮短電池的使用壽命，并降低電池的工作效率。鋰電池的最佳工作溫度在20～50 ℃，在該范圍內(nèi)，電池的使用性能和循環(huán)壽命將保持相對(duì)平衡。另外，電芯與兩極的最大溫差應(yīng)小于5 ℃[3]。

為了增加電動(dòng)汽車的續(xù)航里程，單體電池的能量密度和電池組數(shù)量的增加會(huì)加大產(chǎn)熱量，因此更需要加強(qiáng)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)以降低電池溫度，減小電池模組之間的溫差[4]。常用的電池?zé)峁芾砩岱绞街饕?種：主動(dòng)式和被動(dòng)式。主動(dòng)式熱管理以風(fēng)冷和液冷為主，首要是利用外部能量消耗從集成系統(tǒng)中提取余熱，但是這些方式在惡劣的工作環(huán)境下往往不能有效散熱。而被動(dòng)式熱管理以相變材料和熱管為主，不需要額外的硬件設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)體積小，維護(hù)系統(tǒng)成本低的優(yōu)點(diǎn)[5]。由于相變材料研究成本大，耐久性差和逆變期長(zhǎng)，因此利用熱管作為散熱元件來提取多余的熱量具有研究?jī)r(jià)值[6]。

熱管作為被動(dòng)式冷卻元件，其具有熱導(dǎo)率高、自發(fā)性強(qiáng)、散熱效果好的優(yōu)點(diǎn)[7]。它是一種內(nèi)部發(fā)生蒸發(fā)冷凝的氣液兩相轉(zhuǎn)變機(jī)制的密封容器，從縱向來看可以分為3段，即蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段，工作情況下，蒸發(fā)段和冷凝段之間能保持良好的等溫性能[8]。

Tran等[9]設(shè)計(jì)了一種新型的煙囪通風(fēng)熱管冷卻系統(tǒng)，在不消耗任何電能的情況下，使電池的溫度保持在50 ℃以下。Joshua等[10]提出一種復(fù)合熱管冷卻板，將熱管冷凝段設(shè)計(jì)為300 mm進(jìn)行遠(yuǎn)程熱管理，結(jié)合冷卻板將系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量傳遞到周圍空氣。Zhao等[11]通過對(duì)比常溫?zé)峁堋M縱向風(fēng)冷冷卻熱管及液池冷卻熱管4種冷卻策略，發(fā)現(xiàn)噴液冷卻方式超薄鋁熱管的電池?zé)峁芾硇阅茏詈?。但是該結(jié)構(gòu)的裝置復(fù)雜，成本較高。Wang等[12]設(shè)計(jì)了一個(gè)吸液芯熱管冷卻系統(tǒng)，其中冷凝段浸入液池。結(jié)果表明，當(dāng)電池內(nèi)產(chǎn)生的熱量小于50 W時(shí)，所提出的解決方案能夠?qū)㈦姵氐淖罡弑砻鏈囟瓤刂圃谶m宜范圍內(nèi)。但該研究只考慮到電池高倍率放電情況下的系統(tǒng)散熱，沒有兼顧高溫環(huán)境下系統(tǒng)的散熱能力，且外部設(shè)備的能量損耗大。

上述吸液芯熱管通過毛細(xì)力將冷凝段冷卻的冷凝液帶回到蒸發(fā)段，其內(nèi)部毛細(xì)管結(jié)構(gòu)復(fù)雜，熱阻較大，熱響應(yīng)慢，具有毛細(xì)極限和傳熱極限[13]。而重力熱管，又稱兩相閉式熱虹吸管，通過壓差將氣相輸送到冷凝段，并通過重力將液相返回沸騰池，自發(fā)形成一個(gè)循環(huán)的回路。因此，將重力熱管使用在電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)更有利于傳熱散熱[14]。

本文首先以寧德時(shí)代三元鋰電池為研究對(duì)象，搭建動(dòng)力電池檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，利用熱電偶監(jiān)測(cè)動(dòng)力電池在不同放電倍率下和變環(huán)境溫度下的溫升曲線，對(duì)電池單體的生熱特性分析研究，同時(shí)驗(yàn)證數(shù)值仿真NTGK[15]模型的正確性和準(zhǔn)確性，校準(zhǔn)鋰電池內(nèi)部材料參數(shù)。其次，以重力熱管為散熱元件，搭建重力熱管動(dòng)力電池散熱裝置，分別對(duì)裝置在變放電倍率和不同環(huán)境溫度的工況下進(jìn)行放電，實(shí)驗(yàn)研究放電倍率和環(huán)境溫度對(duì)重力熱管動(dòng)力電池散熱裝置的熱特性和散熱性能的影響，最后驗(yàn)證數(shù)值仿真的準(zhǔn)確性和一致性。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 傳熱基礎(chǔ)理論

自然界中熱量傳遞的現(xiàn)象無處不在，溫度梯度的存在會(huì)導(dǎo)致熱量自發(fā)地從高溫物體向低溫物體傳遞。鋰離子電池在放電過程中內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生反應(yīng)熱和焦耳熱等，因此電池的溫度會(huì)高于環(huán)境以及其他裝置的溫度，熱量就會(huì)從電池傳遞到周圍環(huán)境中。傳遞熱量的過程分為熱對(duì)流、熱傳導(dǎo)和熱輻射3種基本形式。

1)熱傳導(dǎo)

(1)

2)熱對(duì)流

Φ=hAΔt

(2)

式中：h為對(duì)流換熱系數(shù)(W/(m2·K))；Δt為對(duì)流換熱兩物體間的溫差(K)。

3)熱輻射

E=εδbT4

(3)

式中：E為物體的輻射力(W/m2);ε為物體的發(fā)射率(也稱黑度)，它的數(shù)值介于0～1；σb為黑體輻射常數(shù)，其值為5.67×10-8W/(m2·K4)。

1.2 重力熱管傳熱熱阻

1.2.1蒸發(fā)段熱阻

蒸發(fā)段熱阻為：

Re=Re，t+Re，c+Re，r

(4)

式中：Re為蒸發(fā)段熱阻(K/W)；Re，t為蒸發(fā)段管壁外表面?zhèn)鳠釤嶙?K/W)；Re，c為蒸發(fā)段管壁徑向?qū)釤嶙?K/W)；Re，r為蒸發(fā)段無吸液芯徑向傳熱熱阻(K/W)，如下：

(5)

(6)

(7)

式中：deo、dei為蒸發(fā)段的外、內(nèi)直徑(m)；Le為蒸發(fā)段長(zhǎng)度(m)；α1為蒸發(fā)段外壁的放熱系數(shù)(W/(m2·K))；α為液膜的放熱系數(shù)(W/(m2·K))；λw為管壁材料的熱導(dǎo)率(W/(m·K))。

液池傳熱系數(shù)為：

(8)

式中：Ke為蒸發(fā)段傳熱系數(shù)(W/(m2·K))。

1.2.2冷凝段熱阻

冷凝段熱阻為：

Rc=Rc，t+Rc，c+Rc，r

(9)

式中：Rc為冷凝段熱阻(K/W)；Rc，t為冷凝段外表面接觸熱阻(K/W)；Rc，c為冷凝段管壁熱阻(K/W)；Rc，r為冷凝段徑向傳熱熱阻(K/W)，如下：

(10)

(11)

(12)

式中：dco、dci為冷凝段的外、內(nèi)直徑(m)；Lc為冷凝段長(zhǎng)度(m)；α2為冷凝段外壁的放熱系數(shù)(W/(m2·K))。

陶瓷藝術(shù)與家裝的結(jié)合發(fā)展與中國(guó)傳統(tǒng)文化息息相關(guān)，如何在陶板上與傳統(tǒng)文化中提取精華，汲取養(yǎng)料，如何在傳統(tǒng)和創(chuàng)新中尋找到平衡點(diǎn)，不放棄任何新的發(fā)展途徑正是我們這一代乃至幾代陶瓷藝術(shù)工作者共同追求的目標(biāo)，通過我們共同的努力，對(duì)陶瓷美的討論與探索，給陶瓷藝術(shù)裝飾語(yǔ)言賦予新的審美理念新的表達(dá)方式。相信陶瓷藝術(shù)可以通過不同的材料不同的表達(dá)方式創(chuàng)造出更加輝煌的道路方向。

氣相區(qū)域傳熱系數(shù)為：

(13)

式中：Kc為氣相區(qū)域傳熱系數(shù)；Ac為冷凝段的平均表面積。

另外，由于液氣交界面蒸發(fā)傳熱熱阻，蒸氣軸向流動(dòng)傳熱熱阻和氣液交界面冷凝傳熱熱阻數(shù)量級(jí)很小，在計(jì)算中忽略不計(jì)。

2 電池?zé)峁芾砩峤Y(jié)構(gòu)建立

實(shí)驗(yàn)主要分2個(gè)步驟，首先以鋰電池為研究對(duì)象，搭建動(dòng)力電池檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，利用熱電偶監(jiān)測(cè)動(dòng)力電池在不同放電倍率下和變環(huán)境溫度下的溫升曲線。其次，以重力熱管散熱元件為研究對(duì)象，搭建重力熱管動(dòng)力電池散熱裝置，分別對(duì)裝置在變放電倍率和不同環(huán)境溫度的工況下進(jìn)行放電實(shí)驗(yàn)。同時(shí)建立數(shù)值仿真模型，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證數(shù)值仿真的準(zhǔn)確性和一致性。

2.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建

實(shí)驗(yàn)研究先將電池置于恒溫箱內(nèi)，電池底部使用泡沫絕緣絕熱，正負(fù)極接入電源線，通過動(dòng)力電池檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)電池進(jìn)行充放電實(shí)驗(yàn)，并記錄電池的特性曲線。本文所搭建的重力熱管電池散熱系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 重力熱管電池散熱系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置

1)工作站：惠普計(jì)算機(jī)(HP Z4 G4)，安裝新威電池測(cè)試儀軟件BTS獲得電池的電壓、電流及溫度，以及重力熱管的溫度信息。

2)恒溫箱：采用貝爾(BTH-225C)恒溫箱，該恒溫箱控制實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)環(huán)境溫度以及換熱系數(shù)，操作溫度范圍-200～1 500 ℃，溫度波動(dòng)小于±0.5 ℃，通過液晶顯示屏調(diào)控內(nèi)部溫度和濕度。

3)動(dòng)力電池檢測(cè)系統(tǒng)：新威高性能檢測(cè)系統(tǒng)(NEWARE，BTS-5V100A)，對(duì)單體電池進(jìn)行充放電。在新威電池測(cè)試儀軟件BTS中，根據(jù)電池的工況設(shè)置工步，并且設(shè)定電池電壓電流保護(hù)條件。

5)三元鋰電池：寧德時(shí)代三元鋰電池(S5E897)，電池單體額定容量40 Ah，額定電壓3.67 V，外形尺寸長(zhǎng)寬高為148 mm×27 mm×93 mm，性能指標(biāo)如表1所示。

表1 三元鋰電池性能指標(biāo)

6)熱電偶：輔助通道熱電偶直接測(cè)量記錄電池表面3點(diǎn)溫度(⑥-⑧)，①是電池正極溫度，②是電池負(fù)極溫度，③是電池中心溫度。

另外，重力熱管電池散熱裝置實(shí)驗(yàn)連接如圖2所示。重力熱管殼體為金屬銅，蒸發(fā)段95 mm，充液率50%，總長(zhǎng)150 mm。內(nèi)部工作介質(zhì)丙酮，無色透明，飽和蒸汽壓53.32 kPa，飽和溫度39.5 ℃。首先將散熱裝置放入恒溫箱內(nèi)，底部用小型泡沫絕緣隔熱，保證底端與周圍的換熱效果相近，使用8個(gè)熱電偶檢測(cè)溫度點(diǎn)，分別布置在電池正負(fù)兩極、電池中心表面，5根熱管的頂端。測(cè)溫點(diǎn)示意圖見圖3。將2塊電池的正負(fù)極分別接入動(dòng)力電池檢測(cè)系統(tǒng)的電源線，設(shè)定相同的放電倍率將電池從4.2 V恒流放電至2.75 V。

圖2 重力熱管電池散熱裝置實(shí)驗(yàn)連接示意圖

圖3 集成裝置測(cè)溫點(diǎn)示意圖

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)步驟決定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的正確性和精準(zhǔn)性。本實(shí)驗(yàn)步驟主要包括2個(gè)基本操作，即電池單體充放電、集成散熱裝置充放電?；经h(huán)節(jié)包含充電階段、靜置階段、放電測(cè)試階段。為了獲取準(zhǔn)確電池表面溫度監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，具體的實(shí)驗(yàn)步驟流程見圖4。

圖4 實(shí)驗(yàn)步驟流程框圖

2.3 散熱結(jié)構(gòu)數(shù)值模型建立

2.3.1模型建立

利用Solidworks根據(jù)實(shí)驗(yàn)裝置建立重力熱管電池散熱系統(tǒng)數(shù)值模型，如圖5(a)所示，為了更好地看到電池組結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，見爆炸視圖5(b)。2個(gè)電池作為熱源，重力熱管作為散熱元件，固體間接觸表面均有導(dǎo)熱硅脂減小熱阻。鋁板增強(qiáng)電池和重力熱管接觸面積，鋁相對(duì)于金屬銅而言，密度小且成本低，體積相同時(shí)質(zhì)量更輕，更有利于降低成本、實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車輕量化，所以選用鋁板傳遞熱量。熱管蒸發(fā)段為95 mm，絕熱段為15 mm，冷凝段為40 mm，管徑為8 mm。在Fluent中通過NTGK模型模擬鋰電池內(nèi)部的內(nèi)阻熱和反應(yīng)熱。

圖5 重力熱管電池散熱系統(tǒng)數(shù)值模型

2.3.2仿真參數(shù)設(shè)置

通過數(shù)值模擬研究電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的溫度分布和散熱性能，表2展示該散熱系統(tǒng)各裝置的熱物性參數(shù)。根據(jù)模型的結(jié)構(gòu)和計(jì)算要求的不同，網(wǎng)格類型和數(shù)量亦不同，網(wǎng)格質(zhì)量會(huì)影響計(jì)算結(jié)果的精度。重力熱管和和電池正負(fù)極采用多區(qū)域劃分，獲得純六面體網(wǎng)格，電池殼體、鋁板、絕熱板和導(dǎo)熱硅脂采用六面體網(wǎng)格劃分，共計(jì) 700 845個(gè)節(jié)點(diǎn)，618 028個(gè)單元，平均網(wǎng)格偏度0.18。

表2 散熱系統(tǒng)各裝置熱物性參數(shù)

建立NTGK電池模型，將電池從4.2 V放電到2.75 V，利用虛擬連接將電池串聯(lián)，設(shè)置初始放電深度為0。利用瞬態(tài)方程求解，固定時(shí)間步長(zhǎng)為20 s，開啟能量方程，在三維模型中實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的壓力-速度耦合算法和以動(dòng)量和能量為目標(biāo)的2階迎風(fēng)格式。在流體控制方程中設(shè)置動(dòng)量和能量的欠松弛因子為0.7和1.0。環(huán)境溫度設(shè)定為25 ℃，固體表面的對(duì)流換熱系數(shù)設(shè)置為20 W·m-2·K-1。數(shù)值分析中考慮以下假設(shè)：

1)研究對(duì)象動(dòng)力電池及其散熱元件溫度跨度范圍較窄，熱輻射散熱量數(shù)量級(jí)非常小，對(duì)電池表面的輻射影響忽略不計(jì)；

2)固體與氣體之間為非滑動(dòng)表面，固體之間為耦合接觸面；

3)流體不可壓縮；

4)由于重力熱管的內(nèi)部模型十分復(fù)雜，將重力熱管分為3層固體模型，分別為蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段。

3 結(jié)果與討論

3.1 單體電池模型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1.1變放電倍率下電池?zé)崽匦詫?shí)驗(yàn)

變放電倍率25 ℃環(huán)境溫度下，實(shí)驗(yàn)與仿真監(jiān)測(cè)的電池中心表面溫度隨時(shí)間的變化情況如圖6所示。由曲線圖顯示出，數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)較為接近。放電倍率為0.33C、1C、2C時(shí)，檢測(cè)溫度的數(shù)值計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值最大相對(duì)誤差分別為1.78%、4.50%和5.39%，結(jié)束放電時(shí)的相對(duì)誤差為1.20%、0.09%和0.20%。2.5C時(shí)，放電電池?cái)?shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)最高溫度分別達(dá)到39.97 ℃和38.60 ℃，相對(duì)誤差為3.50%。實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真誤差是由于高倍率放電會(huì)引起極化反應(yīng)，電解液、隔膜等零件之間存在接觸電阻所引起的歐姆極化加快電芯的溫升，這些現(xiàn)象難以預(yù)測(cè)和避免。

圖6 不同放電倍率電池中心表面溫度實(shí)驗(yàn)與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比

在不同放電倍率下，實(shí)驗(yàn)與仿真監(jiān)測(cè)的電池正負(fù)極表面溫度隨時(shí)間的變化情況如圖7所示。

圖7 變放電倍率下正負(fù)極表面溫度實(shí)驗(yàn)與仿真溫度對(duì)比

由圖7可得，正極溫度大于負(fù)極溫度，數(shù)值仿真計(jì)算與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)趨勢(shì)基本一致。0.33C倍率放電，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示出電池正負(fù)極溫度在4 000 s以后下降約0.4 ℃，主要原因是電池低倍率放電電化學(xué)反應(yīng)動(dòng)態(tài)平衡時(shí)的生熱量小于恒溫箱風(fēng)扇帶走的熱量，此時(shí)正極最大相對(duì)誤差為1.41%。2C放電時(shí)，正負(fù)極溫度最大的相對(duì)誤差為7.71%和8.01%。2.5C放電時(shí)，正負(fù)極的最大溫度誤差為7.42%和7.71%，放電結(jié)束時(shí)，仿真最高溫度為39.64 ℃和37.59 ℃。高倍率放電情況下，主要的溫升階段集中在放電前期和后期，這是由于正負(fù)極及電解質(zhì)的離子不平衡導(dǎo)致，過放電會(huì)導(dǎo)致鋰離子過度流出負(fù)極碳而使片層結(jié)構(gòu)塌陷，并會(huì)使負(fù)極的銅轉(zhuǎn)移至正極上，產(chǎn)生強(qiáng)烈的溫升。因此，該鋰電池電化學(xué)模型可以用來預(yù)測(cè)電池的熱行為和熱特性。

3.1.2變環(huán)境溫度下電池?zé)崽匦詫?shí)驗(yàn)

電池以2.5C放電倍率在變環(huán)境溫度20、25、30、35和40 ℃下，實(shí)驗(yàn)與仿真監(jiān)測(cè)的電池中心表面溫度隨時(shí)間的變化情況如圖8所示。圖中顯示，鋰電池的溫升隨時(shí)間而增加，且呈非線性趨勢(shì)。主要的溫升區(qū)間在放電初期和放電末期，此時(shí)的負(fù)極鋰離子濃度為達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，引起少量的副反應(yīng)熱。實(shí)驗(yàn)中，在同倍率放電情況下，電池在20 ℃至40 ℃的環(huán)境下，溫升分別為15.0、13.6、12.3、11.0和10.2 ℃，表明初始環(huán)境溫度越低，電池的溫升范圍越大，這是由于低溫環(huán)境會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部物質(zhì)的活性降低，電化學(xué)反應(yīng)速率減緩，從而內(nèi)阻增大，焦耳熱增加。40 ℃環(huán)境溫度導(dǎo)致鋰電池最高溫度達(dá)到50.2 ℃，超過電池最適溫度范圍。因此避免在低溫環(huán)境下進(jìn)行高倍率放電，并且在高溫環(huán)境下電池不能滿足自身散熱需求，需要借助散熱元件保證良好的熱性能。

圖8 不同環(huán)境溫度電池中心表面溫度實(shí)驗(yàn)與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比

3.2 重力熱管散熱裝置模型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.2.1變放電倍率下重力熱管散熱性能實(shí)驗(yàn)

變放電倍率25 ℃環(huán)境溫度下，實(shí)驗(yàn)與仿真監(jiān)測(cè)的電池中心表面溫度隨時(shí)間的變化情況如圖9所示。

圖9 變放電倍率下電池中心表面溫度實(shí)驗(yàn)與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比

由圖9可得，仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)趨勢(shì)一致，重力熱管在電池高倍率放電情況下散熱效果更好。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得，低倍率放電時(shí)，集成散熱裝置使電池升溫0.1 ℃，因?yàn)闊峁艿膯?dòng)溫度未達(dá)到，電池與鋁板接觸的一面熱阻大，減少了換熱面積，因此電池散熱效果未充分體現(xiàn)。而高倍率放電情況下，電池散熱效果良好。2C放電時(shí)，電池中心表面溫度由下降了8.48%，此時(shí)重力熱管內(nèi)部蒸汽帶走熱量。2.5C放電時(shí)，電池中心表面的溫度由38.6 ℃下降到33.7 ℃，溫度下降12.69%，重力熱管蒸發(fā)腔丙酮相變?cè)龆?，大量熱量散熱到周圍環(huán)境，散熱效果顯著。

重力熱管電池散熱裝置的數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)趨勢(shì)基本一致。4種變放電倍率下，放電過程中的電池中心表面溫度最大相對(duì)誤差分別為3.56%、5.14%、4.88%和5.24%，誤差范圍在6%以內(nèi)。因此，重力熱管電池散熱裝置能在高倍率放電情況下保有良好的散熱性能，數(shù)值仿真數(shù)據(jù)符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)重力熱管散熱行為具有精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)。

3.2.2變環(huán)境溫度下重力熱管熱特性實(shí)驗(yàn)

變環(huán)境溫度下電池2.5C放電，實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)的5根重力熱管冷凝段溫度隨時(shí)間的變化情況如圖10所示。分析可得，各重力熱管溫度分布趨勢(shì)互不相同，1號(hào)和3號(hào)重力熱管溫升曲線基本一致，呈最高溫度，2號(hào)和5號(hào)重力熱管溫度相對(duì)較低，趨勢(shì)基本一致，而4號(hào)重力熱管溫度基本適中。另外，隨著環(huán)境溫度的增加，重力熱管冷凝段始末溫度差先上升后下降再保持一致。重力熱管之間的溫度具有非均溫性。

圖10 變放電倍率下重力熱管冷凝段溫度隨時(shí)間的變化情況

由于1號(hào)重力熱管和3號(hào)重力熱管布置的位置在電池的正極和中心處，而根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，電池的正極和中心表面溫度最高，負(fù)極其次，因此這2根重力熱管傳遞的熱量更大，而處在負(fù)極表面的重力熱管溫度低。環(huán)境溫度由20～40 ℃時(shí)，1號(hào)重力熱管始末溫度差分別為3.8、4.0、4.1、4.1和4.2 ℃，5號(hào)重力熱管始末溫度差分別為2.5、2.8、2.9、2.9和2.9 ℃。放電結(jié)束后，變環(huán)境溫度下的1號(hào)和5號(hào)重力熱管溫差維持在1.2 ℃。出現(xiàn)溫差波動(dòng)的現(xiàn)象原因有二，一是低溫情況下電池電化學(xué)反應(yīng)熱不充分，重力熱管溫升也相對(duì)較低，二是環(huán)境溫度30 ℃之后，重力熱管內(nèi)部工質(zhì)兩相變化明顯，傳遞熱量較多，整個(gè)管長(zhǎng)具有較好溫度一致性，因此升高環(huán)境溫度對(duì)重力熱管溫差影響較少。

實(shí)驗(yàn)與仿真監(jiān)測(cè)的重力熱管冷凝段表面溫度隨時(shí)間的變化情況如圖11所示。圖中顯示，重力熱管溫度隨環(huán)境溫度的增加而增加，但相對(duì)誤差逐漸減小，溫度趨勢(shì)接近。25 ℃的環(huán)境溫度下，2號(hào)重力熱管溫度最大相對(duì)誤差達(dá)到9.92%，40 ℃的環(huán)境溫度下，4號(hào)重力熱管溫度最小相對(duì)誤差達(dá)到0.53%。5種工況下的平均誤差為1.11%、3.00%、4.30%、7.50%和5.89%，都在誤差范圍10%以內(nèi)。因此，重力熱管的數(shù)值模擬可以較好地預(yù)測(cè)重力熱管熱特性。

圖11 變環(huán)境溫度下重力熱管溫度變化實(shí)驗(yàn)與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比

3.3 重力熱管散熱裝置散熱性能

基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果可知，重力熱管電池散熱裝置可以有效地降低電池的溫升，使溫升范圍明顯縮小，下降幅度達(dá)到12.69%。但是根據(jù)寧德時(shí)代三元鋰電池規(guī)格書，在25 ℃的環(huán)境溫度下，電池最大的持續(xù)放電電流可達(dá)到120 A，放電倍率3C，而實(shí)驗(yàn)設(shè)備動(dòng)力電池檢測(cè)系統(tǒng)的最大電流量程為100 A。因此,為了更好地掌握鋰電池生熱特性和高倍率放電下溫升范圍，以及重力熱管的傳熱特性，結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的數(shù)值仿真方式，研究重力熱管電池散熱裝置在3C放電倍率下的散熱性能。

不同環(huán)境溫度下重力熱管散熱性能數(shù)據(jù)見表3。重力熱管可以有效地降低鋰電池的最高溫度，但隨著環(huán)境溫度的升高裝置溫降效果遞減。在環(huán)境溫度為35 ℃和40 ℃時(shí)，電池中心表面溫度超過50 ℃，內(nèi)部三元材料產(chǎn)生分解，電池有爆炸的危險(xiǎn)。而加上重力熱管散熱裝置后，電池表面溫升顯著降低，在環(huán)境溫度為40 ℃的情況下，電池中心表面溫度不超過50 ℃，溫度降低9.64%。

表3 不同環(huán)境溫度下重力熱管散熱性能數(shù)據(jù) ℃

4 結(jié)論

本文搭建了重力熱管鋰電池檢測(cè)試驗(yàn)平臺(tái)，分別研究單體電池和重力熱管散熱裝置在變放電倍率和變環(huán)境溫度下的熱性能。同時(shí)建立電池三維電化學(xué)模型和三維集成裝置模型，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證數(shù)值仿真方法的準(zhǔn)確性。最后研究重力熱管散熱元件的散熱性能，得到如下結(jié)論：

1)NTGK電化學(xué)電池模型能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)電池的熱行為和熱特性。放電倍率為0.33C、1C、2C和2.5C時(shí)，檢測(cè)溫度的數(shù)值計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值最大相對(duì)誤差分別為1.78%、4.50%、5.39%和7.20%，均在10%以內(nèi)。同時(shí)，初始環(huán)境溫度越低，電池的溫升范圍越大。

2)重力熱管電池散熱裝置在電池低倍率放電情況下散熱效果未充分體現(xiàn)，但在2.5C倍率放電時(shí)，電池中心表面的溫度下降12.69%，散熱效果顯著。隨著環(huán)境溫度的增加，重力熱管保持良好均溫性，5根熱管最大溫差僅為1.2 ℃。

3)3C高倍率放電情況下，隨著環(huán)境溫度的升高，重力熱管散熱元件能保持電池在50 ℃以內(nèi)。在40 ℃環(huán)境，重力熱管將電池最高溫度降低9.64%。