一種磷酸鐵鋰動力電池熱管理系統(tǒng)實驗研究

王子緣， 張國慶， 吳偉雄， 邱駿光， 楊懿政(廣東工業(yè)大學(xué)，廣東廣州510006)

一種磷酸鐵鋰動力電池熱管理系統(tǒng)實驗研究

王子緣， 張國慶， 吳偉雄， 邱駿光， 楊懿政
(廣東工業(yè)大學(xué)，廣東廣州510006)

提高動力電池運行時的熱安全性是研究熱點之一，采用新型翅片熱管強化傳熱的方式，對磷酸鐵鋰42110動力電池模塊(4串，12.8 V 10 Ah)進行熱連接與對比測試，結(jié)果表明該裝置對電池模塊有明顯的降溫與控溫作用，極大地提高了動力電池的工作性能與循環(huán)壽命。

翅片熱管；散熱；電池模塊；循環(huán)壽命

隨著電動汽車的快速發(fā)展，電動汽車電池安全問題受到了廣泛關(guān)注。在鋰離子電池運行工況下，隨著外界熱和電擾動，放熱反應(yīng)不斷進行，溫度不斷上升，當達到電池內(nèi)部特定材料的相應(yīng)溫度點時會激發(fā)新的放熱反應(yīng)，從而使溫度繼續(xù)上升，如圖1所示[1]。無節(jié)制地使用鋰離子電池嚴重影響其充放電性能和循環(huán)壽命，導(dǎo)致燃燒、爆炸等熱安全問題，制約了電動汽車用鋰離子電池的發(fā)展。電池熱管理，是根據(jù)溫度對電池性能的影響，結(jié)合電池的電化學(xué)特性與產(chǎn)熱機理，基于具體電池的最佳充放電溫度區(qū)間，通過合理的設(shè)計，在材料學(xué)、電化學(xué)、傳熱學(xué)、分子動力學(xué)等多學(xué)科多領(lǐng)域基礎(chǔ)上，解決電池在溫度過高或過低情況下工作而引起熱散逸或熱失控問題，以提升電池整體性能的一門新技術(shù)[2]。其熱管理系統(tǒng)可分為三大類：采用空氣冷卻的熱管理系統(tǒng)，采用液體介質(zhì)的熱管理系統(tǒng)，采用相變材料(PCM)的熱管理系統(tǒng)。本文主要采用翅片熱管追加風道對實驗?zāi)K進行不同放電工況下的數(shù)據(jù)采集和分析[3]。

1 實驗方法與準備

1.1能量守恒與控制方程

對動力電池模塊引用控制體的概念?？刂企w是一個質(zhì)量和能量都能通過其表面的空間區(qū)域，其能量守恒定律可以表示為：運行工況下電池模塊的總產(chǎn)熱量=電池模塊自身吸收的熱量+電池模塊散失的熱量。

忽略輻射換熱，其數(shù)學(xué)表達式為：

圖1　動力電池安全問題示意圖

式中：cp為電池自身的比熱，其數(shù)值與電池內(nèi)部材料有關(guān)，J/kg·℃；h為電池模塊外部流體的對流傳熱系數(shù)，W/m2·k；A為電池模塊外部有效對流換熱面積，m2；Tm為電池熱管理目標溫度，℃。

對于單體電池自身的吸熱量，由于電池材料以及結(jié)構(gòu)復(fù)雜，視為各向異性，導(dǎo)熱非常復(fù)雜，在直角坐標系中沿坐標軸xyz的熱流密度可表示為：

對于電池模塊的熱量散失，引入二維穩(wěn)態(tài)、不可壓縮流體對流換熱過程的數(shù)學(xué)描述[4]：

質(zhì)量守恒定律：

動量守恒定律：

能量守恒定律：

對流換熱系數(shù)方程：

上述理論依據(jù)為以下提出的動力電池熱管理方案起到支撐作用。

從工程上考慮，由電池外部出發(fā)，通過外部條件來增強動力電池的傳熱效果。采用熱管冷卻，其中蒸發(fā)段與紫銅片(0.2 mm厚)焊接并與電池表面緊密接觸，增強電池表面與熱管的接觸換熱；冷凝段附有等截面翅片并追加風機，從強化傳熱的角度入手，提高空氣側(cè)對流換熱系數(shù)，對電池進行有效的熱管理。使用Solidwork軟件畫出理想圖，如圖2所示。

圖2　新型電池熱管理裝置示意圖

1.2翅片定義與選擇原則

所謂翅片，是指依附于基礎(chǔ)表面上的擴展表面，可以增加換熱面積，從而達到降低對流換熱熱阻，增強傳熱的目的[2]。然而并不是在任何條件下敷設(shè)翅片都能達到積極效果，普通情況下選用和設(shè)計翅片時應(yīng)遵循的原則為：(1)翅片內(nèi)部導(dǎo)熱熱阻低于表面對流換熱熱阻；(2)采用密集短翅比稀疏長翅能起到更好的散熱效果，但是翅間距不能太小，以免影響翅間的空氣流動。

本文采用30 mm×12 mm×10.5 mm等截面翅片，其三維圖見圖3。

圖3　等截面翅片實物圖

1.3熱管的選型

熱管在實現(xiàn)量轉(zhuǎn)移的過程中，包含了以下6個互相關(guān)聯(lián)的主要過程[5]：

(1)熱量從熱源通過熱管管壁和充滿工作液體的吸液芯傳遞到液-汽分界面；

(2)液體在蒸發(fā)段內(nèi)的液-汽分界面上蒸發(fā)；

(3)蒸汽腔內(nèi)的蒸汽從蒸發(fā)段流到冷凝段；

(4)蒸汽在冷凝段內(nèi)的汽-液分界面上凝結(jié)；

(5)熱量從汽-液分界面通過吸液芯、液體和管壁傳給冷源；

(6)在吸液芯內(nèi)由于毛細作用使冷凝后的工作液體回流到蒸發(fā)段。

熱管在工質(zhì)發(fā)生相變的方向上有很高的導(dǎo)熱系數(shù)，對電池散熱起到不可低估的作用。本文根據(jù)電池的規(guī)格參數(shù)以及充放電性能，選擇了表1中3種規(guī)格的重力熱管。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? / m m ? ? / m m ?? ? ?/W ? ? ? ?/? ? ? ? ? ? ?/ ? ? ? / m m 4 　2 2 0 　2 4 5 　2 2 0 　3 5 ? ? 6 　2 2 0 　4 8 3 0 　3 2 0 　2 5 ～ 2 5 0 　0 . 3 5 ??? ?/?

根據(jù)電池模塊的設(shè)計與技術(shù)要求，選擇直徑為6 mm的重力熱管最為合適。

2 實驗平臺搭建與測試

2.1電池模塊組建

對實驗室的磷酸鐵鋰42110電池(3.2 V 10 Ah)進行電連接成3組(4串、12.8 V 10 Ah)，一組為傳統(tǒng)自然對流冷卻(模塊A)，第二組為本文設(shè)計的翅片熱管冷卻模塊(模塊B)，第三組在模塊B的基礎(chǔ)上，結(jié)合牛頓冷卻定律和強化傳熱原則，對模塊B的熱管冷凝段追加風道裝置 (80 mm×80 mm×15 mm，12 V驅(qū)動)(模塊C)，如圖4、圖5、圖6所示。

2.2實驗測試

需要的設(shè)備有：恒流源(YK-AD12015型，120 V/15 A)，直流電子負載(240 V/150 A)，溫濕度巡檢儀，F(xiàn)LUKE萬用表115型，動力電池模塊(12.8 V/10 Ah)。

為了實驗數(shù)據(jù)的精確性和可靠性，每次放電結(jié)束后，應(yīng)等電池模塊恢復(fù)常溫，電壓恢復(fù)平衡時才能進行下一次實驗。

2.2.1模塊A和模塊B在室溫下不同放電倍率的研究

在電池模塊上布有四個熱電偶，分別為T1、T2、T3和T4。其中T1、T2表示串聯(lián)模塊正、負極處的電池溫度，T3、T4表示串聯(lián)模塊中間環(huán)節(jié)兩個單體的電池表面溫度。

采用0.5C、1C、2C、3C、4C進行恒流放電測試，由表2可知，隨著放電倍率的升高，模塊B的降溫效果相比模塊A越來越突出。

圖4　自然對流冷卻模塊

圖5　翅片熱管冷卻模塊

圖6　追加風道后模塊C實物圖

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ?B ? ???? ?? ? /? ? ? A ? ? ????? ?/? T /? ? ? B ??? ?/ ? ? ? A ?? ? ?/? T 0 .5 C 　4 . 0 5 　7 .7 8 　3 . 7 3 　2 6 . 8 4 　2 9 . 7 3 　2 . 8 9 1 C 　8 . 9 5 　1 1 . 8 3 　2 . 8 8 　3 0 . 8 6 　3 4 . 5 6 　3 . 7 0 2 C 　1 5 .7 3 　1 9 . 5 7 　3 . 8 4 　4 1 . 5 5 　4 4 . 4 4 　2 . 8 9 3 C 　2 2 .4 5 　2 6 . 6 3 　4 . 1 8 　4 9 . 6 8 　5 2 . 7 4 　3 . 0 6 4 C 　2 6 .7 4 　3 0 . 4 2 　3 . 4 8 　5 5 . 8 7 　5 9 . 5 5 　3 . 6 8

其中4C放電條件下模塊B和模塊A溫度變化的對比如圖7所示。

2.2.2模塊C在室溫下不同放電倍率的研究

實驗步驟按照模塊A和模塊B的充放電流程進行，實驗過程中風扇以12 V直流電壓驅(qū)動，這里列舉模塊C在3C、 4C放電過程中的溫度變化，如圖8、圖9所示。

圖7　4C放電條件下模塊B和模塊A溫度變化對比

圖8　　模塊C在3C放電倍率下電池表面溫度分布

圖9　　模塊C在4C放電倍率下電池表面溫度分布

對比以上數(shù)據(jù)可清晰得出，追加風道后電池產(chǎn)熱通過熱管內(nèi)部工質(zhì)相變傳熱到頂端翅片處，同時風扇加大了翅片處空氣的擾動，形成強制對流，根據(jù)牛頓冷卻定律，散熱效果得到了很好的增強。

模塊A、B、C在4C放電下的溫度最不利情況對比如圖10所示。

圖10　　模塊A、B、C在4C放電倍率下電池表面最不利溫度對比

3 結(jié)語

從強化傳熱的角度入手，強化熱阻較大的位置，即翅片處空氣(0.023 W/mk)，追加風道的方案對系統(tǒng)散熱起到不可忽視的作用。

通過數(shù)據(jù)的對比，可以看出模塊C在2C、3C、4C放電情況下的溫升值分別達到 ΔT2C=8.33℃，ΔT3C=13.26℃，ΔT4C=16.03℃，比模塊B的溫升值分別降低了89.1％(2C)，69.3％(3C)，65％(4C)；比模塊A的溫升值分別降低了133.6％ (2C)，101.4％(3C)，90.33％(4C)。相比模塊A和模塊B，模塊C的降溫效果更為明顯和有效。

模塊C的溫降效果突出，從微觀機理上看，相比模塊A和模塊B，鋰離子能更好地在正負極間脫出和嵌入，維持電極材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)平衡，對電池的性能以及循環(huán)壽命起到不可忽視的作用。

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Experiment study of performance of LiFePO4battery thermal management system

WANG Zi-yuan,ZHANG Guo-qing,WU Wei-xiong,QIU Jun-guang,YANG Yi-zheng
(Guangdong University of Technology,Guangzhou Guangdong 510006,China)

Increasing the heat safety of the power battery was considered as a research hotspot recently.Using heat pipe with fins welded in the condensation section was a new way of enhancement of heat transfer for power battery thermal management(LiFePO4battery module,4 cells in series,12.8 V 10 Ah).The study shows the system has obvious cooling and temperature control function for cells,which greatly improves the performance and cycle life of the power battery.

heat pipe with fins;heat dissipation;battery module;cycle life

TM 912

A

1002-087 X(2016)01-0047-03

2015-06-14

王子緣(1990—)，男，廣東省人，博士研究生，主要研究方向為電動汽車電池熱管理。