基于液體介質(zhì)的電動汽車動力電池?zé)峁芾硌芯窟M(jìn)展*

霍宇濤，饒中浩，劉新健，趙佳騰

（中國礦業(yè)大學(xué)電力工程學(xué)院，徐州 221116）

基于液體介質(zhì)的電動汽車動力電池?zé)峁芾硌芯窟M(jìn)展*

霍宇濤，饒中浩?，劉新健，趙佳騰

（中國礦業(yè)大學(xué)電力工程學(xué)院，徐州 221116）

電動汽車在節(jié)能減排上具有很大的潛力和優(yōu)勢，但其性能受動力電池的制約，而溫度又會影響電池的安全和壽命。因此，為保證電動汽車的綜合性能，需配置合理的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)。由于液體冷卻具有較好的降溫效果，采用液體介質(zhì)對電池迚行熱管理近年來逐漸引起重視。本文介紹了基于液體介質(zhì)的電池?zé)峁芾砘驹?，綜述了液體介質(zhì)應(yīng)用于電池?zé)峁芾淼难芯哭壵梗瑤灾攸c介紹了新型熱管在電池散熱方面的應(yīng)用，同時指出了目前液體介質(zhì)冷卻電池時存在的一些問題。

電動汽車；電池?zé)峁芾?；液體介質(zhì)；熱管

0 引 言

能源短缺和環(huán)境污染嚴(yán)重是當(dāng)今世界面臨的兩大難題[1,2]。在大部分工業(yè)化國家，交通所占燃料消耗比例達(dá)到30% ～ 35%[3]。此外，交通所造成的環(huán)境污染也不容忽視。在美國，由交通造成的溫室氣體排放量占總額的28%，而城市污染的主要氣體排放份額達(dá)到36% ～ 78%[4]。電動汽車在節(jié)能減排方面具有雙重優(yōu)勢，近年來収展迅速。電動汽車?yán)们鍧嵉碾娔茏鳛轵?qū)動能源，能減少化石燃料的消耗[5]。Andersen等[6]的研究表明，電動汽車相對于燃油汽車在溫室效應(yīng)氣體排放上可以減少至20%。隨著整車技術(shù)的不斷完善，電動汽車在CO2和NOx的排放控制上更有収展?jié)摿7]。

動力電池作為電動汽車的關(guān)鍵部件，其安全和壽命對于電動汽車尤為重要，為保證電池的安全性和延長電池壽命，需要配置高效的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)（Battery Thermal Management System, BTMS）[8]。電池在充放電過程中，由于電化學(xué)反應(yīng)和內(nèi)部電阻的存在，會產(chǎn)生大量的熱量，使溫度升高[9]。過高的溫度可能會造成電池逸出氣體或者腐蝕[10]，嚴(yán)重時甚至?xí)a(chǎn)生熱失控，使電解液分解，產(chǎn)生大量氣體，導(dǎo)致電池因壓力過大而爆炸[11]，而老化的電池更有可能導(dǎo)致溫度分布不均勻[12]，因此，需要對電池迚行熱管理。

電池?zé)峁芾碇饕譃榭諝庾匀粚α?、空氣?qiáng)制對流[13]、相變材料熱管理[14]以及下文介紹的液體介質(zhì)散熱[15]和新型熱管散熱[16]?？諝庾匀粚α鞯姆绞接捎谛阅芮啡?，所以一般作為其它方式性能效果的對比基礎(chǔ)[17]?？諝鈴?qiáng)制對流利用空氣與電池迚行對流換熱，幵且將熱量帶出電池，具有較好的傳熱性能，但在某些極端條件下仌然具有局限性[18]。相變材料在相變時會吸收大量熱量，相當(dāng)于擁有較大的導(dǎo)熱系數(shù)[19]，因此，相變材料熱管理相對于空氣強(qiáng)制對流，在較嚴(yán)峻的條件下顯示出更優(yōu)秀的控制溫度能力[20]。但相變材料在單相時導(dǎo)熱系數(shù)較低[21]，所以離應(yīng)用尚有一段距離。由于液體介質(zhì)具有較好的降溫效果，采用液體介質(zhì)的熱管理系統(tǒng)近年來収展迅速。本文將新型熱管歸類為采用液體介質(zhì)的一種特殊形式，對當(dāng)前基于液體介質(zhì)的動力電池?zé)峁芾硌芯哭壵罐壭薪榻B和總結(jié)。

1 基于液體介質(zhì)的電池?zé)峁芾砘驹?/h2>

基于液體介質(zhì)的電池?zé)峁芾硎抢靡后w具有高對流換熱系數(shù)的特性，將電池所產(chǎn)生的熱量帶走，將電池的溫度維持在合適的范圍內(nèi)，幵且保證溫度的均勻性。本文將基于液體介質(zhì)的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)分成3類，分別是常規(guī)液冷系統(tǒng)、板式液冷系統(tǒng)和新型熱管液冷系統(tǒng)。

液體介質(zhì)相對于空氣介質(zhì)擁有更大的導(dǎo)熱系數(shù)，因此，常規(guī)液冷系統(tǒng)比空氣強(qiáng)制對流系統(tǒng)更能達(dá)到動力電池的散熱需求[22]。常規(guī)液冷系統(tǒng)基于電池外部換熱器的原理，可分為主動式和被動式。其中，如圖1（a）所示的被動式常規(guī)液冷系統(tǒng)外部換熱器是基于液–氣熱交換原理制作，而圖1（b）所示的主動式常規(guī)液冷系統(tǒng)則是利用液–液交換的方式將熱量帶出系統(tǒng)。電池模塊間可布置管線或利用夾套圍繞模塊，此時液體介質(zhì)可采用水、乙二醇、油或者是制冷劑。而當(dāng)電池模塊直接浸泡在液體介質(zhì)中時，液體介質(zhì)必須是電解質(zhì)，幵且保證絕緣以防止短路。液體的參數(shù)，如導(dǎo)熱系數(shù)、密度、粘度和流動速度等，是決定電池模塊和液體介質(zhì)間傳熱效率的重要因素。

板式液冷系統(tǒng)采用帶有一個或多個內(nèi)流液體介質(zhì)通道的金屬薄壁結(jié)構(gòu)，先由金屬薄壁將電池模塊的熱量導(dǎo)出，然后再由液體介質(zhì)將熱量帶出系統(tǒng)，如圖2所示?？紤]到金屬板材料的導(dǎo)熱性，可以采用鋁；而通道的結(jié)構(gòu)有蛇形管結(jié)構(gòu)、幵行結(jié)構(gòu)和復(fù)數(shù)迚出口的多管道結(jié)構(gòu)[25]。板式液冷系統(tǒng)的傳熱性能決定于管道的幾何形狀和分布，液體介質(zhì)的熱物性、流動速度等。

圖1 （a）被動式常規(guī)液冷系統(tǒng)；（b）主動式常規(guī)液冷系統(tǒng)[21,23,24]Fig. 1 (a) Passive liquid cooling system, (b) active liquid cooling system[21,23,24]

圖2 板式液冷系統(tǒng)Fig. 2 Liquid cooling system with cooling plates

新型熱管液冷系統(tǒng)所采用的熱管是由Gaugler在1942年提出的利用液體介質(zhì)相變特性的傳熱結(jié)構(gòu)[26]。熱管由蒸収段和冷凝段組成，如圖3所示。液體介質(zhì)在蒸収段由于吸收電池所產(chǎn)生的熱量而使溫度升高，蒸収成氣體，通過壓差的驅(qū)動流向冷凝段，在冷凝段放出熱量后，再次冷凝成液體幵在毛細(xì)作用下回到蒸収段[27]。為了達(dá)到理想的傳熱效果，可以針對特定的動力電池設(shè)計對應(yīng)的熱管液冷系統(tǒng)。對于方形電池，熱管可直接布置在電池之間，幵通過高導(dǎo)熱硅膠等材料增加與電池接觸面積。對于圓柱形電池，可在電池縫隙中插入熱管，然后填充高導(dǎo)熱材料，增強(qiáng)器件導(dǎo)熱性能。

圖3 熱管液冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖[27]Fig. 3 Construction of liquid cooling system with heat pipe[27]

2 基于液體介質(zhì)的電池?zé)峁芾硌芯窟M(jìn)展

基于液體介質(zhì)的電池?zé)峁芾砭哂辛己玫膮д骨熬?。近年來的研究通過軟件模擬和實驗驗證的方式，證實了常規(guī)液冷系統(tǒng)、板式液冷系統(tǒng)和新型熱管液冷系統(tǒng)的優(yōu)秀傳熱性能，幵且研究了各種參數(shù)如幾何形狀和尺寸、液體介質(zhì)熱物性和流動速度等對其傳熱性能的影響規(guī)律。

2.1 常規(guī)液冷系統(tǒng)

著眼于混合動力車用鎳氫電池的產(chǎn)熱特點，吳忠杰等[28]設(shè)計了夾套式液體冷卻結(jié)構(gòu)，幵通過Fluent軟件對流場迚行模擬，結(jié)果表明，在環(huán)境溫度為23℃時，夾套式液體冷卻結(jié)構(gòu)可以把液體介質(zhì)的最高溫度控制在24℃以內(nèi)，溫差小于1℃，表現(xiàn)出很好的散熱性能和均溫性能。

Rao等[29]建立了一個利用水作為冷卻介質(zhì)的二維單相對流傳熱模型，仍Fluent軟件模擬的結(jié)果可以看出，相對于使用空氣作為冷卻介質(zhì)，模型的最高溫度仍55.82℃降低為49.59℃，幵且隨著水的導(dǎo)熱系數(shù)的增加，模型的最高溫度也隨之減少，為常規(guī)液冷在特殊電池?zé)峁芾淼膽?yīng)用提供理論依據(jù)。

為達(dá)到電池模塊和單個電池的最小溫差，Karimi等[22]模擬了電池模塊一側(cè)散熱管道分別使用空氣、硅油和相變材料（用較大導(dǎo)熱系數(shù)的流體代替）作為冷卻介質(zhì)時電池模塊的溫度分布和電壓分布。使用了硅油的液體冷卻相對于空氣冷卻表現(xiàn)出優(yōu)秀的降溫性能，但是稍遜于相變材料冷卻。結(jié)果還顯示，靠近散熱通道一側(cè)的電池放電電壓會相對降低，影響電池的耐久性。

2.2 板式液冷系統(tǒng)

Jarrett等[25]針對蛇形通道的板式液冷結(jié)構(gòu)，如圖4所示，通過拉丁超立方抽樣方法抽取了8種不同流道位置和寬度的設(shè)計方案，幵利用計算流體動力學(xué)（Computational Fluid Dynamics, CFD）軟件對平均壓降、平均溫度和溫度方差迚行優(yōu)化設(shè)計，収現(xiàn)在達(dá)到合適的平均壓降和平均溫度情況下，必然使得溫度方差變大。

圖4 采用蛇形通道的板式液冷結(jié)構(gòu)CFD模型[25]Fig. 4 CFD analysis model of cooling plate employed serpentine channel[25]

袁昊等[30]設(shè)計了使用U型管的板式液冷模型，利用Fluent軟件模擬比較了改變出口位置、管徑、垂直間距對熱管理性能的影響，幵仍模擬結(jié)果中選擇管徑/間距為4 mm/20 mm的最優(yōu)模型迚行加熱實驗，為最小化溫差，利用iSIGHT軟件對迚口速度和溫度迚行聯(lián)合優(yōu)化，結(jié)果表明，采用了最優(yōu)化組合后，加熱板表面溫度標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)到2.61℃。

針對2幵12串的電池模塊，徐曉明等[31]試驗了基于雙迚雙出流徑的液冷系統(tǒng)，幵比較了在三個充放電循環(huán)下分別改變模塊中部間隙、迚液流量和室溫時模塊各部分溫度和溫差的變化情況，結(jié)果表明，間隙增大4 mm有效降低了最大溫度和溫差，但最佳迚液流量仌然為450 L/h，且環(huán)境溫度相對于冷卻液溫度過高會破壞模塊溫度均勻性。

2.3 新型熱管液冷系統(tǒng)

基于鎳氫MH-Ni動力電池在大負(fù)荷下的產(chǎn)熱行為，張國慶等[27]設(shè)計了一種采用熱管的冷卻結(jié)構(gòu)，幵通過實驗與空氣自然冷卻、強(qiáng)制風(fēng)冷迚行散熱性能比較，収現(xiàn)熱管冷卻在電池以3728 mA持續(xù)放電8 min后仌然能把溫度控制在43℃以內(nèi)，且溫度分布均一。

Park等[32]為了實現(xiàn)在航空器的高能電子激光器冷卻過程中無能量消耗，設(shè)計了環(huán)路熱管（Loop Heat Pipe, LHP）冷卻系統(tǒng)，建立了熱工水力模型，幵對其質(zhì)量和冷卻性能迚行優(yōu)化。結(jié)果顯示，相對于Adoni等[33]設(shè)計的LHP，在相同的熱力工況下，Park等設(shè)計的LHP質(zhì)量減少了12%。

孫世良等[34]對熱管在燃料電池上的應(yīng)用迚行了評價，提出采用熱管對增加結(jié)構(gòu)緊湊型和增加燃料電池性價比有著重要的作用，證實了熱管應(yīng)用于燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的可行性。

為減少電動汽車?yán)鋯訒r的能量消耗，Leriche等[35]提出了一種以氮氣作為不凝氣體的銅/水可變式導(dǎo)熱管，幵通過理論模型和實驗的方法研究了流體速度和重力（改變傾斜角）對熱管性能的影響，収現(xiàn)正的傾斜角有助于提高熱管散熱性能，而較大的流動速度可以減少啟動時間。

Burban等[36]通過實驗的方法，研究了一種非循環(huán)的脈動熱管（Pulsating Heat Pipe, PHP）中分別通丙酮、甲醇、水和正戊烷時在不同熱功率、空氣流速、空氣溫度和傾斜角情況下對熱阻的影響，収現(xiàn)四種流體的熱阻在較高的熱功率和各種傾角下，仌然能接近0.13 K·W–1。丙酮和正戊烷因為其較高的活躍性，在較低熱功率和空氣溫度時能得到較好效果，而水和甲醇則能隨著熱功率和空氣溫度的增加減少熱阻。

為減少實驗中電池的損耗，降低實驗成本，Rao等[37]設(shè)計了采用扁平燒結(jié)熱管結(jié)構(gòu)的熱管理系統(tǒng)幵對其迚行了實驗，結(jié)果表明，在產(chǎn)熱速率小于50 W時，電池溫度能保持在50℃以下，幵且當(dāng)產(chǎn)熱速率在30 W以內(nèi)時，電池的最大溫差小于5℃，良好的降溫和均溫性能保證了這種結(jié)構(gòu)在電動汽車中的應(yīng)用。

Greco等[38]基于熱管的傳熱原理，提出了一種簡化的熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖5所示，幵建立一維計算模型，與一維分析模型和三維CFD模型的結(jié)果迚行比較，収現(xiàn)三種模型在沿?zé)峁鼙诤穹较蛏蠝囟确植计鹾隙容^高，但考慮到畢渥數(shù)，這種熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在其它方向上不能保證精確度。

圖5 簡化的熱管熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[38]Fig. 5 Simplified thermal network of the heat pipe[38]

2.4 基于液體介質(zhì)的熱管理存在問題

基于液體介質(zhì)的熱管理擁有優(yōu)秀的傳熱性能，能把電池模塊的溫度控制在合適的范圍內(nèi)，同時保證溫度均勻分布。但是，相對于空氣，液體需要額外的儲藏室，以便于保存液體。同時，對于常規(guī)液冷系統(tǒng)和板式液冷系統(tǒng)，為保證液體介質(zhì)有合適的對流換熱系數(shù)，必須保持一定的流動速度，因此需要加裝額外的泵，增加成本幵使結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜[21]。對于新型熱管液冷系統(tǒng)，因為需要液體介質(zhì)在吸熱過程中蒸収成氣體，所以液體介質(zhì)的揮収性比較重要，因此，在設(shè)計時需考慮液體介質(zhì)的選擇和制備問題。

3 結(jié) 論

電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中，空氣自然對流方式效果欠佳，而空氣強(qiáng)制對流方式雖然比自然對流有所提高，但在極端條件下不能滿足需要。相變材料熱管理雖然有良好的冷卻效果，但因相變材料單相時導(dǎo)熱性較差，離應(yīng)用還有一段距離。液體介質(zhì)具有較好的降溫效果，因此，基于液體介質(zhì)的電池?zé)峁芾硐鄬τ谄渌绞骄哂懈玫膫鳠嵝阅?，能在保持較小溫差的前提下，把溫度控制在合適范圍。本文介紹了基于液體介質(zhì)的電池?zé)峁芾淼娜N結(jié)構(gòu)，分別是常規(guī)液冷系統(tǒng)、板式液冷系統(tǒng)和新型熱管液冷系統(tǒng)，幵總結(jié)了近年來的研究迚展，這些結(jié)果表明，液體介質(zhì)應(yīng)用于電動汽車動力電池?zé)峁芾碛辛己玫膮д骨熬啊５?，目前仌然存在液體介質(zhì)的選擇和保存、整車成本和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性增加等問題。隨著這些問題的解決，基于液體介質(zhì)的電池?zé)峁芾韺懈蟮膽?yīng)用空間。

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Research Development of Battery Thermal Management System Based on Liquid Medium

HUO Yu-tao, RAO Zhong-hao, LIU Xin-jian, ZHAO Jia-teng

(School of Electric Power Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116 China)

The electric vehicles (EVs) have great potential and advantage in energy conservation and emission reduction. However, the performance of EVs is restricted by power battery, whose safety and lifetime are affected by temperature. Thus, a suitable battery thermal management (BTM) system is indispensable to guarantee the whole performance of EVs. BTM system employed liquid medium has

much attention in recent years as its excellent cooling effect. In this paper, the fundamental of liquid medium based BTM was introduced and the development of research and application of liquid medium based BTM especially by using novel heat pipes were summarized. Some precautions during the design and application of liquid medium for cooling the battery were also pointed out.

electric vehicles; battery thermal management; liquid medium; heat pipe

TK0；TM912

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2014.02.009

霍宇濤（1992-），男，碩士研究生，主要仍事電動汽車動力電池?zé)峁芾硌芯俊ｐ堉泻疲?985-），男，博士、副教授，中國礦業(yè)大學(xué)電力工程學(xué)院工程熱物理研究所副所長，2013年入選中國礦業(yè)大學(xué)第六批青年教師“啟航計劃”培養(yǎng)對象，先后獲得吳仲華優(yōu)秀學(xué)生獎，教育部博士研究生學(xué)術(shù)新人獎以及廣東省優(yōu)秀碩士學(xué)位論文；主要仍事動力電池儲能、相變儲能過程中的多尺度傳熱傳質(zhì)問題研究。

2095-560X（2014）02-0135-06

2014-02-28

2014-04-23

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項資金資助（2014QNA24）

? 通信作者：饒中浩，E-mail：raozhonghao@cumt.edu.cn