摘要：針對(duì)目前動(dòng)力電池熱管理存在的問題，論文提出一種熱管輔助的分離式電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，并搭建了動(dòng)力電池散熱溫度特性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，分析該系統(tǒng)對(duì)電池組溫度及溫差的控制作用。分別進(jìn)行了動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)在動(dòng)力電池以1 C、3 C、4 C和5 C等恒流放電條件下，以及不同的“放電-充電”循環(huán)工況下的散熱性能。結(jié)果表明，與其他冷卻方法相比，該系統(tǒng)具有更合適的工作溫度，能更好地降低電池組內(nèi)部的溫度不平衡。即使在5 C的極高放電率下，最大溫差也可以控制在5 ℃以內(nèi)，而且可以大大改善單體電池內(nèi)的溫度不平衡。特別是在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的情況下，各循環(huán)的最高溫度遠(yuǎn)低于基于傳統(tǒng)相變材料冷卻模式，系統(tǒng)的可靠性和性能得到了很大的提高。
關(guān)鍵詞：熱管理系統(tǒng)；電動(dòng)汽車；分離式；動(dòng)力電池；相變材料；熱管
在環(huán)境污染和能源短缺的雙重壓力下，新能源汽車（尤其是電動(dòng)汽車）因其高效的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和綠色能源，逐漸成為傳統(tǒng)燃油汽車的替代選擇，成為各國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)的重要發(fā)展方向[1]。但新能源汽車車用動(dòng)力電池在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生大量熱量，熱量的積累導(dǎo)致電池運(yùn)行溫度迅速升高，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致整個(gè)動(dòng)力電池系統(tǒng)永久性損壞或發(fā)生熱失控引發(fā)起火爆炸等嚴(yán)重事故[2]。有效的熱管理系統(tǒng)可以改善電池的工作環(huán)境，使電池在最佳的溫度內(nèi)工作，保證汽車的行駛性能和行車安全。相變材料在電池?zé)峁芾淼膽?yīng)用上潛力巨大，受到越來越多研究者的關(guān)注[3]。雖然很多學(xué)者對(duì)基于相變材料熱管理系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和研究，但在目前基于相變材料的熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，如圖1(a)所示，通常把相變材料直接填充至電池之間或者電池周圍的空隙里[4]，這種方式可能產(chǎn)生填充在電池之間的相變材料泄漏，且不適用于大尺寸的動(dòng)力電池系統(tǒng)等難題。這些問題需要設(shè)計(jì)創(chuàng)新的基于相變傳熱介質(zhì)的熱管理系統(tǒng)來解決。本文利用多孔泡沫金屬和相變材料制作復(fù)合相變材料，建立一種熱管輔助的分離式電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，并基于搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的性能進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)探索，并與自然對(duì)流冷熱管理模式、強(qiáng)制對(duì)流冷熱管理模式和傳統(tǒng)基于相變材料（Phase Change Material, PCM）熱管理模式進(jìn)行對(duì)比，研究所提出的系統(tǒng)在電池組溫度及溫差的控制方面的性能。最后，為了進(jìn)一步研究電池組在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行工況下熱管理系統(tǒng)的性能和可靠性，進(jìn)行了“放電-充電”循環(huán)試驗(yàn)。
圖1 傳統(tǒng)電池組和分離式電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)圖
1、 實(shí)驗(yàn)裝置
1.1 電池組和熱管理系統(tǒng)的搭建
圖1(b)為設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的電池組和熱管理系統(tǒng)示意圖，主要由電池組、熱管、“泡沫銅-石蠟”復(fù)合材料、散熱片和一個(gè)額外的風(fēng)扇組成。其中電池組由18個(gè)容量為2.7 Ah的方形磷酸鐵鋰電池組成。熱管理模塊與電池組通過10根熱管進(jìn)行連接，熱管的蒸發(fā)段夾在兩個(gè)電池之間，冷凝器延伸到電池組外面與“金屬泡沫-石蠟”復(fù)合相變材料緊密接觸。通過這種方式，電池組中的熱量被高效地傳送到熱管理模塊，不需要將石蠟或其復(fù)合材料填充電池組內(nèi)部。因此，可以最大限度避免由復(fù)合相變材料內(nèi)導(dǎo)電物質(zhì)引起的電池短路問題。為了減少熱管與電池和泡沫金屬材料之間的接觸熱阻，在其接觸表面涂上一層高導(dǎo)熱系數(shù)的導(dǎo)熱膠，增強(qiáng)接觸面處的熱傳遞，因而在本研究中忽略接觸熱阻。以具有高潛熱值的石蠟作為相變材料，利用熱空氣將固相石蠟熔化并滲透到泡沫銅孔隙中，制備“泡沫銅-石蠟”復(fù)合材料。泡沫銅中端安裝有散熱翅片和冷卻風(fēng)扇，必要時(shí)加強(qiáng)熱管理模塊與自然環(huán)境之間的對(duì)流傳熱，幫助釋放相變材料的潛熱。熱管、石蠟、翅片、泡沫銅及其復(fù)合材料的物理性能如表1所示。
表1 熱管、石蠟、翅片、泡沫銅及其復(fù)合材料的物理性能
1.2 測(cè)試過程
為了評(píng)價(jià)所提出系統(tǒng)的熱管理性能，進(jìn)行了恒流放電單次實(shí)驗(yàn)和循環(huán)測(cè)試實(shí)驗(yàn)。如圖1(b)小虛線方框所示，建立了一個(gè)有4個(gè)單體電池串聯(lián)而成的電池組測(cè)量電池組的溫度變化。在實(shí)驗(yàn)過程中，實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)如圖2所示，電池表面共安裝36熱電偶用于測(cè)量電池表面溫度，1個(gè)額外的熱電偶用于記錄環(huán)境溫度。溫度數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集儀每30 s采集一次并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。高低溫實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)的溫度設(shè)置為30 ℃，用于模擬電池工作環(huán)境的溫度。高性能電池檢測(cè)系統(tǒng)用于控制電池模塊在1 C、3 C、4 C和5 C倍率下進(jìn)行放電。為了方便比較，表2給出了本文七種熱管理模式的定義。
圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖
表2 七種熱管理模式的定義
2、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論
2.1 電池溫度
圖3顯示了不同放電倍率下各熱管理模式電池模塊的最高溫度隨時(shí)間的變化。可以看到，當(dāng)放電倍率增加到5 C時(shí)，自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流模式下的最高溫度分別為65.8 ℃和56.2 ℃，遠(yuǎn)高于鋰離子電池的最佳溫度上限（約45 ℃）。在熱管輔助分離系統(tǒng)（HP-NC和HP-FC）下冷熱管理模式，由于熱管的輔助，系統(tǒng)增加了自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流的散熱面積，使這兩種熱管理模式下電池最高溫度低于NC和FC模式，但散熱效果不如基于傳統(tǒng)PCM的熱管理模式。對(duì)于本論文所提出的熱管輔助分離式復(fù)合相變材料動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)（無散熱風(fēng)扇）熱管理模式（HP-PCM），通過分離設(shè)計(jì)相變材料中的熱量可以通過自然對(duì)流的方式逸散到自然環(huán)境中。因此，所提出的熱管理模式可以進(jìn)一步改善動(dòng)力電池的工作熱環(huán)境條件。在高達(dá)4 C和5 C的放電倍率下，電池的最高溫度分別為43.8 ℃和48.5 ℃，超過散熱風(fēng)扇設(shè)定的運(yùn)行溫度40 ℃。此時(shí)，散熱風(fēng)扇的強(qiáng)制對(duì)流將相變材料中儲(chǔ)存的熱量散發(fā)到自然環(huán)境中，有效釋放了相變材料的潛熱，進(jìn)一步提高了所提出的熱管理系統(tǒng)的性能。如圖3(c)和圖3(d)所示，隨著風(fēng)扇的開啟，電池組在4 C和5 C放電倍率下的最高溫度分別為41.9 ℃和44.9 ℃，與基于傳統(tǒng)PCM熱管理模式（E-PCM）相比分別降低了4.5 ℃和7.6 ℃。結(jié)果表明，所提出的熱管理系統(tǒng)為鋰離子電池系統(tǒng)的溫度控制提供了一種有效的解決方案，而輔助風(fēng)扇的應(yīng)用可以進(jìn)一步提高熱管理系統(tǒng)的性能。
圖3 不同放電倍率下不同熱管理模式電池最高溫度的變化情況
2.2 溫度梯度控制
電池之間的溫度分布不當(dāng)也會(huì)降低電池模塊中電池性能一致性，進(jìn)而降低電池組的整體性能，有關(guān)研究表明，所有電池的溫度必須保持在25～ 45 ℃的狹窄范圍內(nèi)，電池組中電池之間的最大溫差應(yīng)小于5 ℃[5]。圖4顯示了不同放電倍率下各熱管理模式電池模塊的最大溫差，最大溫差的計(jì)算公式如下：
?Tmax,module=Tmax,module-Tmin,module （1）
式中，Tmax,module和Tmin,module分別為36個(gè)熱電偶線測(cè)溫點(diǎn)的最高溫度和最低溫度。從圖4中可以看出，在低放電倍率下，7種熱管理模式的最大溫差無明顯差異。在1 C放電倍率下，整個(gè)電池模塊的最大溫差均控制在1 ℃以內(nèi)。隨著放電倍率的增加，最大溫差明顯增大。在基于傳統(tǒng)PCM的熱管理模式（E-PCM）下，電池表面的熱量傳遞主要取決于傳導(dǎo)，而不是對(duì)流傳熱，當(dāng)放電倍率為 3 C、4 C、5 C時(shí)，整個(gè)電池模塊熱管理模式的最大溫差分別上升到2.2 ℃、3 ℃和4.2 ℃。在所提出的熱管理系統(tǒng)（HP-PCM）中，電池產(chǎn)生的熱量通過熱管傳遞到外部環(huán)境，經(jīng)相變材料吸收并儲(chǔ)存熱量。因而各電池表面的散熱系數(shù)基本相同。在3 C、4 C和5 C放電倍率下，該系統(tǒng)整個(gè)電池模塊的最大溫差分別為2.1 ℃、2.7 ℃、3.6 ℃。與基于傳統(tǒng)PCM熱管理模式（E-PCM）相比，最大溫差分別下降了0.1 ℃、0.3 ℃和0.6 ℃。即使在5 C的極高放電率下，整個(gè)電池模塊的最大溫差也可以控制在5 ℃以內(nèi)（5 ℃被認(rèn)為是電池模塊內(nèi)部最大溫度偏差的上限）。在4 C和5 C的放電倍率下，散熱風(fēng)扇可以輔助散熱，進(jìn)一步降低電池的溫度梯度，整個(gè)電池模塊的最大溫差分別為2.5 ℃和3.1 ℃。因此，所提出的熱管理系統(tǒng)在控制整個(gè)電池模塊最大溫差方面具有較好的性能。
圖4 不同放電倍率下電池的最大溫差
2.3 循環(huán)測(cè)試
為了進(jìn)一步分析所提出的熱管理系統(tǒng)在電池組長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行工況下的熱管理性能，進(jìn)行了5個(gè)循環(huán)的1～5 C放電倍率的“放電-充電”循環(huán)試驗(yàn)。循環(huán)測(cè)試的充放電條件：首先將充滿電的電池組以恒定的倍率（分別為1 C、3 C、4 C或5 C）放電，直到電壓降至12 V；然后電池組以1 C倍率再次充滿電，并開始下一次充放電循環(huán)測(cè)試，每組測(cè)試中電池組共進(jìn)行5次放電充電循環(huán)。如圖5(a)所示，在1 C放電倍率下電池組在兩種熱管理模式中均具有良好的散熱性能。然而當(dāng)放電倍率增加到3 C或更高時(shí)，可以看到兩種熱管理模式之間的熱管理性能差異明顯。另外，從圖5(b)－圖5 (d)可以看出，在隨后的周期測(cè)試中E-PCM熱管理模式下電池最高溫度幾乎不變。這些現(xiàn)象表明，對(duì)于E-PCM熱管理模式，在循環(huán)測(cè)試第二次放電過程中所有石蠟已經(jīng)完全融化，導(dǎo)致E-PCM熱管理模式性能急劇下降，甚至失效，未能控制電池組的工作溫度。HP-PCM熱管理模式中，PCM散熱模塊是從電池組中分離出來的，分離設(shè)計(jì)可以有效地釋放PCM的潛熱，使電池組產(chǎn)生熱量部分儲(chǔ)存在相變材料中，部分通過相變材料無縫設(shè)計(jì)利用自然對(duì)流散失到環(huán)境中。因此，HP-PCM熱管理模式可以為電池組在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行條件下提供更有效的熱管理。
另一方面，隨著循環(huán)試驗(yàn)的進(jìn)行，HP-PCM熱管理模式中各循環(huán)的最高溫度逐漸升高，這意味著系統(tǒng)中PCM的熔化率也在增加，因此，為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的性能，可以在相變材料模塊中使用一些額外的冷卻方法。如圖5(b)－圖5 (d)所示，在3 C放電倍率第二個(gè)循環(huán)測(cè)試周期中加入散熱風(fēng)扇，可以輔助將電池溫度從41.1 ℃、43 ℃、 43.7 ℃和44 ℃下降至40.5 ℃、41.5 ℃、41.9 ℃和42.2 ℃。隨著放電倍率的增加，散熱風(fēng)扇在降低電池溫度方面的性能逐漸提高，在4 C放電倍率下，5個(gè)循環(huán)周期溫度分別下降了1.8 ℃、2.7 ℃、3.4 ℃、3.7 ℃和4 ℃，當(dāng)放電倍率為5 C時(shí)，5個(gè)循環(huán)周期溫度分別下降了3.9 ℃、5 ℃、6 ℃、5.9 ℃和5.5 ℃。因此，該電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的分離設(shè)計(jì)可以很容易地與其他類型的散熱方法結(jié)合使用，以進(jìn)一步提高溫度管理性能，特別是在長(zhǎng)時(shí)間的高放電倍率工況下。
圖5 不同放電倍率、不同熱管理模式電池組在循環(huán)測(cè)試中的溫度變化情況
3、 結(jié)論
利用實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的電池組，在1 C、3 C、4 C和5 C恒流放電倍率和不同放電倍率的“放電-充電”循環(huán)工況下，對(duì)所提出的熱管理系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)性能試驗(yàn)研究；并與自然對(duì)流、強(qiáng)制對(duì)流和基于傳統(tǒng)PCM等熱管理模式進(jìn)行了對(duì)比。文章的主要結(jié)論如下：
1）在沒有輔助風(fēng)扇的情況下，在1 C、3 C、4 C放電倍率下電池組在所提出的熱管理模式中最高溫度均在45 ℃以下。雖然在極高的放電倍率下（如5 C放電倍率），電池組的最高溫度高于所建議的最佳工作溫度45 ℃，但與其他冷卻方式相比，所設(shè)計(jì)的熱管理系統(tǒng)提供了一個(gè)相對(duì)更優(yōu)異的熱管理性能。
2）在這些熱管理模式中，所設(shè)計(jì)的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)對(duì)電池組內(nèi)溫度分布的均溫性控制效果最好。
3）所提出的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)可以有效地釋放相變材料的潛熱，提高電池組在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行工況下的熱管理性能。在循環(huán)試驗(yàn)中，各循環(huán)的最高溫度遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)基于PCM熱管理模式，特別是在高放電率下。
4）輔助散熱風(fēng)扇的系統(tǒng)可以進(jìn)一步提高所提出的熱管理系統(tǒng)的性能，極大地改善電池的工作環(huán)境，特別是在長(zhǎng)時(shí)間高放電倍率的工況下，為電池?zé)峁芾淼脑O(shè)計(jì)和優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。
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