基于熱管技術的鋰離子動力電池散熱系統(tǒng)

曾健，陸龍生，陳維，何浩

（華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東 廣州 510630）

鋰離子動力電池由于其工作電壓高、功率密度和能量密度大、無記憶效應、充放電壽命長和無污染等優(yōu)點，受到了廣泛的關注，其在汽車行業(yè)的應用具有巨大的前景。然而在使用過程中鋰離子動力電池有很大的溫升，且溫度變化劇烈，電池單體各部分也有很大的溫度梯度[1]，這將使電池快速衰減，導致各電池的不一致，并影響其使用安全性。因此，能否對鋰離子動力電池進行高效的熱管理是其能否大規(guī)模應用的關鍵。熱管是一種高效的相變傳熱元件，其熱阻低至10-3℃/kW，傳熱量可以超過50kW，因此是一種理想的用于鋰離子動力電池熱管理的散熱元件。文獻[2]對熱管應用于鋰離子電池散熱的可行性進行了研究，分析對比不同熱管傾角和翅片冷卻情況下熱管的散熱性能，實驗結果表明鋰離子電池壁面溫度能夠被限制在50℃以下。文獻[3]對不同風冷情況下熱管散熱性能進行研究，表明熱管能夠有效限制電池壁面溫度在43℃以下。文獻[4]對無機超導熱管散熱模塊進行模擬仿真，表明應用無機超導熱管后電池壁面溫度維持在20～50℃，能夠滿足鋰離子電池的使用要求。多位學者的研究證實了熱管促進了鋰離子電池的整體散熱性能，但是針對熱管展平鋰離子電池溫度場的性能以及熱管幾何尺寸對散熱模塊散熱性能影響的研究仍然較少。因此，作者擬針對鋰離子電池溫升和溫度場分布特點，設計一種基于熱管的散熱模塊，研究熱管散熱模塊對鋰離子電池的散熱和均溫性能，并探討復合風冷翅片及散熱模塊中熱管幾何尺寸對模塊散熱性能的影響。

1 鋰離子電池溫度場分布

鋰離子電池在運行過程中，會伴隨有較大功率消耗。消耗的功率大部分供給外部負載，而其余的將會轉換成焦耳熱、反應熱、極化熱和副反應熱 等[5]，最終轉化成電池體本身的溫升。由于鋰離子電池自身的內阻特性和內部結構的各向異性，其溫升情況和溫度場分布與其他蓄電池有所區(qū)別，因此有必要先對鋰離子電池溫度場進行研究。

1.1 實驗平臺

搭建實驗平臺包括由深圳索福睿公司生產的鋰離子動力電池單體Sffree-75140165M，容量10Ah；南京美爾諾公司生產的可編程電子負載，可以實現(xiàn)恒流、恒壓、恒阻以及恒功率等放電模式，并對各電參數(shù)進行監(jiān)控；美國Agilent 4970A 數(shù)據(jù)采集卡，采用5根K型熱電偶采集鋰離子電池壁面5點溫度，5 個測量點均勻分布在電池中心和4 邊的中點；計算機；隔熱箱。實驗放電倍率為1.0C（10A）、1.5C（15A）、2.0C（20A）、2.5C（25A）、3.0C（30A），環(huán)境溫度為18℃，電池的放電截止電壓為2.10V。

1.2 實驗結果分析

圖1 電池壁面溫度與放電倍率的關系

圖1 是不同放電倍率下鋰離子電池放電達到截止電壓時的壁面溫度。如圖1 所示，隨著放電倍率 的增大，電池壁面溫度接近呈線性升高。在放電倍率大于（含）1.5C 時，放電截止后電池壁面最高溫度和壁面平均溫度均已超過了40℃，遠遠超出鋰離子電池最佳工作溫度范圍。當放電倍率為3C 時，電池壁面最高溫度超過55℃，平均溫度超過53℃。而且，在實際應用中，鋰離子電池常以密排的電池組形式安裝，產生的熱量將會積累，并在各電池單體之間傳遞，因此各電池的壁面溫度將會比單一電池放電時要高。因此，當以高放電倍率對電池進行放電時，有效的熱管理是非常必要的。

如圖2 所示是以1.0C 進行放電時，電池溫升特性曲線。A～E 測溫點分布如圖3 所示。A～E 點溫度值相對大小如圖2 中局部放大圖所示，A～E 點溫度值依次降低。鋰離子電池在不同放電階段溫升曲線有明顯的差異。文獻[6]對鋰離子電池放電過程中內阻變化的研究表明，鋰離子電池工作時其內阻將會經歷3 個階段：在放電初始，電池極化內阻逐漸增大，在放電中段，極化內阻維持穩(wěn)定，而在放電后期極化內阻迅速增大。如圖2 所示，在放電初始階段，由于電池的極化內阻逐漸增大，電池有明顯溫升，曲線斜率較大；但是在放電中段，電池極化內阻維持在一定范圍內，因此電池溫升曲線趨于平緩；而在電池放電后期，由于極化電阻迅速增大，電池溫升曲線斜率又再次變大。由于在放電初期鋰離子電池溫度快速升高，因此要求熱管能夠快速啟動以限制電池溫升速率。

圖2 1.0C 倍率放電時電池壁面溫升曲線

圖3 散熱模塊測試平臺示意圖

電池壁面各點在放電過程中存在一定的溫差。其中壁面溫升最大的點是靠近極耳的A 點，溫升最小點為遠離極耳的E 點。這是因為靠近極耳處電流密度集中，距離極耳較遠的部分電流逐漸發(fā)散，電流密度下降，因此靠近極耳處生熱率遠高于其他部分，這導致了電池壁面各點的溫度差異。

圖4 是電池壁面最大溫差隨放電倍率的變化。如圖4 所示，隨著放電倍率提高，電池壁面最大溫差增大。在室溫為18℃，放電倍率為3C 時，壁面最大溫差達到3℃。在電池組中，各電池單體熱量的積累和傳遞不僅會擴大單體的壁面溫差，還會使得各電池間的溫度差異增大，造成各電池單體的衰減速率不一致，使得各單體的容量不一，從而導致電池組容量利用率降低，并且加快電池的損耗，由此惡性循環(huán)，最終使電池失效[7]。因此，所設計的 散熱模塊不僅需要限制電池壁面最高溫度不超過最佳工作溫度范圍，而且要消除電池壁面溫差，以達到對鋰離子電池有效的熱管理。

圖4 電池壁面最大溫差隨放電倍率的變化關系

2 基于嵌入式熱管的散熱模塊（EHPTM）性能

搭建嵌入式熱管散熱模塊（Embedded heat-pipe thermal-control module）實驗平臺如圖3 所示。包括高熱導率鋁合金板，內嵌于鋁板中的熱管（embedded heatpipe）以及鋁合金散熱翅片。所用熱管尺寸：φ6mm，長度270mm；啟動溫度30℃，工作溫度0～250℃，熱阻系數(shù)≤0.08℃/W，最大散熱功率60W；銅質管壁，燒結銅粉式吸液芯，采用水為工質。散熱模塊和電池之間均勻涂有導熱硅膠，以減少接觸熱阻。本節(jié)對無熱管理、熱管冷卻和散熱模塊冷卻3 種條件下鋰離子電池溫升和溫度場分布進行了比較。各實驗均以2.5C 倍率恒流放電，環(huán)境溫度23℃，放電時間達到1055s 時停止。

圖5 為不同熱管理條件下鋰離子電池壁面最高溫度點TA的溫升曲線。在無熱管理的條件下，放電時間為1055s 時，電池壁面最高溫度達到了51.3℃，遠遠超過了鋰離子電池最佳工作溫度范圍20～40℃。應用了散熱模塊后，初始階段（0～200s）電池壁面溫升曲線和無熱管理條件下相比無明顯區(qū)別，這是因為在初始階段，熱管未達到其啟動溫度，因此散熱模塊沒有起效；放電時間為200s 左右時，電池溫升曲線出現(xiàn)了明顯的轉折點，這主要由于此時電池壁面溫度達到了31.3℃，此時熱管的壁面溫度也達到其啟動溫度。熱管啟動后，其熱阻非常小，熱導率很高，因此能夠迅速地吸收電池產生的熱量并及時地傳導到其冷凝端，通過散熱翅片將熱量散發(fā)出去，使電池溫升趨于平緩；在200～1055s，電池壁面溫度緩慢升高，壁面最高溫度最終被限制在41.8℃，滿足鋰離子電池最佳工作溫度范圍，證明了散熱模塊能夠有效地對鋰離子電池進行散熱。在無鋁集熱板的條件下，在放電時間到達1055s 時，鋰離子電池壁面最高溫度達到了47.7℃ ，雖然和無熱管理系統(tǒng)相比，熱管能夠明顯降低電池壁面溫度，但是冷卻效果不及所設計的散熱模塊，鋰離子電池溫度仍不能滿足其最佳工作溫度范圍。這主要是由于熱管和鋰離子電池表面是線接觸，因此兩者間的熱流量??；同時這還導致兩者接觸不緊密，接觸熱阻驟增。而鋁集熱板和電池表面是面接觸且緊密貼合，因此能夠有效提高熱流量，降低接觸熱阻；此外6063#鋁合金的熱導率很高，能夠迅速地將熱量傳遞給熱管，并通過熱管高效地把熱量導出。

圖5 不同條件下鋰離子電池壁面溫升曲線

圖6 不同條件下電池壁面最大溫差隨時間的變化

圖6 為3 種實驗條件下測得電池壁面最大溫差隨時間的變化曲線放電初期，熱管沒有啟動，電池壁面溫升曲線基本一致。在無熱管理的情況下，電池壁面溫差迅速升高。在400s 左右，電池放電熱效應達到平衡狀態(tài)，電池壁面最大溫差達到了7℃，并在隨后的放電過程中維持穩(wěn)定；應用熱管散熱后， 電池壁面最大溫差有所降低，為6℃左右。但是由于沒有鋁板的集熱左右，同時也由于熱管和電池壁面為線接觸有較大的接觸熱阻，熱管在放電初期并不能有效地降低電池壁面溫差。但是當放電時間達到400s 左右，熱管充分啟動，對電池具有一定的均溫效果，因此電池壁面溫差曲線呈現(xiàn)一定幅度的下降；應用了散熱模塊后，由于鋁板顯著的集熱效果以及其與電池壁面大面積接觸降低了接觸熱阻，在放電初期即顯示出了優(yōu)異的均溫效果，鋰離子電池壁面溫差曲線增長速率明顯放緩，壁面最大溫差最終被限制在了3.7℃左右。由此證明，所設計的散熱模塊比單純使用熱管時的啟動性能更好，能夠更快地對電池溫升做出響應，限制電池壁面溫度，并且使電池壁面溫度場分布均勻。

3 散熱模塊結構優(yōu)化與模擬仿真

3.1 熱物性參數(shù)和邊界條件的確定

（1）電池生熱率根據(jù)Bernadi 等[8]提出的理論計算模型計算，見式（1）。

式中，I 為電池的充放電電流，Vb是電池體積，U 是電池端電壓，Uo是電池開路電壓，T 是電池溫度。通常認為為常數(shù)，值為11.16mV[9]。計算得在25A 恒流放電條件下，鋰離子電池生熱率為80000J/(m3·s)。

（2）熱管熱導率：文獻[10]研究表明，在對熱管進行模擬仿真時，熱導率達到103℃/(K·m)以上，仿真結果和實驗結果誤差很小。因此選取熱管熱導率為1×104℃/(K·m)。

（3）電池參數(shù)確定：鋰離子電池熱導率具有各向異性，其具體數(shù)值通過式（2）～式（4）計算可得。

式中，kp、ka、kn為正極板、負極板和隔膜的平均熱導率；dxp、dxa、dxn為x 軸方向正極板、負極板和隔膜的總厚度；dyi，dzi類似。

鋰離子電池內部結構各組成部分如表1、表2所示。

表1 鋰離子電池內部結構

表2 鋰離子電池各部分材料物理性能

代入數(shù)值計算可得，電池在X 方向上的平均熱導率為1.0812W/(m·K)，在Y、Z 方向的平均熱導率均為2.8263W/(m·K)。

鋰離子電池的比熱容采用實驗法測得cp=1157.5J/(kg·K)，密度為2.2058g/cm3。

（4）邊界條件：見文獻[11]。實驗表面，在自然對流條件下，矩形翅片壁面對流傳熱系數(shù)在3W/(m2·℃)左右變動。選擇翅片壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為2.5(W/m2·℃)，其余壁面絕熱。環(huán)境溫度為23℃，不考慮熱輻射。壁面法相壓力梯度

3.2 復合風冷翅片散熱模式

通過將自然對流轉換為強制對流能夠有效地提高散熱翅片的傳熱系數(shù)。文獻[12]報道研究強制風冷下不同結構的散熱翅片的傳熱系數(shù)，結果表明各結構散熱翅片的傳熱系數(shù)均隨著風速的提高而明顯提高。文獻[13]對不同雷諾數(shù)下翅片的傳熱系數(shù)進行了研究，結果表明雷諾數(shù)的提高明顯提高翅片的傳熱系數(shù)，且在大雷諾數(shù)下，電池單體局部溫差更小。圖7 為復合風冷翅片散熱網格模型。圖8 為軸流式風機與翅片距離為5cm 時的風速測試曲線，風速在1.90m/s 上下波動。在該條件下，電池以2.5C倍率放電的溫升曲線模擬結果與實驗結果對比如圖9 所示。

圖7 復合風冷翅片散熱網格模型

圖8 風機-翅片距離5cm 時風速測試曲線

圖9 復合風冷翅片散熱下2.5C 倍率放電電池溫升曲線 模擬與實驗結果對比

如圖9 所示，模擬結果與實驗結果吻合。放電結束時，電池壁面最高溫度模擬結果為36.05℃，實驗結果為35.67℃，且兩曲線走勢基本重合，證明所建立的模擬仿真模型與實際情況符合，模擬結果能較好地反映實際情況。對比圖9 與圖5 曲線Ⅲ可知，電池壁面最高溫度從40℃下降到36.05℃，下降約4℃，下降率達10%。實驗和模擬結果證明，通過在模組中安裝風機或對電池箱進行導流槽結構優(yōu)化設計以提高進入散熱模塊的空氣流量，將能明顯提高散熱模塊的散熱性能。

在嵌入式熱管散熱模塊中，熱管的布置對系統(tǒng)的散熱性能有重要的影響。文獻[14]提出，熱管的傾斜方向對熱阻有很大影響，在垂直排布時系統(tǒng)熱阻最低可到0.181℃/W。文獻[15]比較U 型熱管和L型熱管的熱阻，發(fā)現(xiàn)U 型熱管由于其蒸發(fā)段-冷凝段之比高于L 型，其系統(tǒng)熱阻更低；文獻[16]對比不同蒸發(fā)段-冷凝段長度比下的U 型熱管散熱模塊熱阻，發(fā)現(xiàn)長度比值對系統(tǒng)熱阻有很大影響，且隨著輸入功率和翅片類型有一定變化。雖然前人已對熱管排布進行了一定的研究，但是針對熱管蒸發(fā)段的幾何形狀對散熱系統(tǒng)的性能影響的報道仍然較少，因此有必要對此進行分析。通過對比在25A 恒流放電條件下，采用熱管總長和蒸發(fā)段長度分別相等的直圓熱管和U型熱管散熱模的電池溫升情況發(fā)現(xiàn)，采用U 型熱管時，放電時間為1055s 時電池壁面平均溫度只有37.8℃，與采用直圓熱管模塊相比下降了2℃，說明熱管蒸發(fā)段的幾何尺寸對電池壁面溫升有明顯影響。采用有限元模擬軟件Fluent 對不同蒸發(fā)段幾何尺寸（La/Lb）對模塊散熱性能影響進行模擬仿真研究。建立U 型熱管散熱模塊3D-模型如圖10 所示，由于U 型熱管散熱模塊的對稱性，因此只建立一半的模型。對所建立模型采用分塊劃分網格，采用結構化與非結構化網格混合網格類型，劃分的網格總數(shù)93274，網格總體Skewness＜0.58。La/Lb比值分別為0.25、0.5、1、1.5、1.8 所示，其中熱管蒸發(fā)段總長度保持不變，即La+Lb≡80mm。

如圖11 所示，隨著La/Lb的值增大，電池壁面最高溫度和平均溫度先下降后升高，兩者均在La/Lb等于1（Ⅲ）時達到最小值，分別為33.9℃和32.4℃，相對于溫度最高的Ⅰ分別下降了1.2℃和1.4℃。這說明，在蒸發(fā)段長度一定時，U 型熱管內嵌于集熱鋁板的幾何尺寸La/Lb越接近，即其蒸發(fā)段在電池壁面上分布更加均勻時，可以更加有效地降低電池壁面溫度。圖12 為La/Lb分別為0.25（Ⅰ）和1.0（Ⅲ）兩種情況下的電池溫度場。

從鋰離子電池溫度場分布可知，La/Lb=1 時，電池溫度場被分成3 個區(qū)域，其高溫區(qū)域與La/Lb=0.25時相比被限制在更小的范圍內，而且高溫區(qū)的最高溫度也更低，這說明在La/Lb=1 的情況下，電池壁面溫度場分布更加均勻。這主要是因為，當La、Lb接近時，電池壁面上各點離熱管蒸發(fā)段的距離更加平均，而根據(jù)傅里葉導熱定律可知，當各點距熱管距離接近時，熱流量將更加平均，這樣有利于使電池壁面溫度更加均溫，限制壁面最高溫度。

4 結 論

（1）通過對不同放電倍率下鋰離子電池恒流放電溫升曲線和溫度場的研究，發(fā)現(xiàn)鋰離子電池溫升曲線有3 個主要階段，這是其內阻變化引起的；當放電倍率超過1C 時，鋰離子電池放電截止時溫度超過40℃，不能滿足鋰離子電池最佳工作溫度范圍要求；而且電池壁面溫度存在差異，這將會影響電池的使用性能。

（2）針對鋰離子電池放電過程的溫升和溫度 場分布，設計了基于熱管的散熱模塊，研究發(fā)現(xiàn)，當放電倍率達到3C 時，該散熱模塊仍能夠將電池壁面最高溫度限制在40℃，并且能夠有效地消除電池壁面溫度差異；與其他散熱方式相比，采用散熱模塊散熱具有更好的性能，和無熱管理條件相比，能夠使電池壁面最大溫差下降4℃。此外，實驗證明熱管在散熱模塊中能夠迅速啟動，限制電池的溫升速率。

圖10 U 型熱管散熱模塊

圖11 不同La/Lb 下電池壁面溫度3.3，熱管幾何尺寸對散熱模塊性能的影響

圖12 應用不同結構U 型熱管散熱模塊的鋰離子電池溫度場分布

（3）采用有限元模擬軟件Fluent 對復合風冷翅片散熱模式進行模擬仿真，結果表明對翅片進行強制對流能夠有效地提高模塊的散熱性能，使電池壁面最高溫度降低近4℃。

（4）探討在U 型熱管模塊在不同蒸發(fā)段幾何尺寸下，鋰離子電池的溫升曲線和溫度場分布。模擬結果表明，熱管蒸發(fā)段水平（La）和豎直的長度（Lb）比為1 時，電池壁面平均溫度最低，而且電池壁面各點溫差也最小，即電池壁面溫度場更加均勻。這說明熱管蒸發(fā)段在散熱模塊中分布更加均勻時，將更加有利于電池熱量的導出，獲得更好的散熱性能。這主要是因為電池壁面各點離熱管的距離更加平均，使各點向熱管的熱流量更加平均。

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