有軌電車儲(chǔ)能部件新型熱控制方案研究*

李 明， 劉 楠

(中車唐山機(jī)車車輛有限公司 產(chǎn)品技術(shù)研究中心, 河北唐山 063035)

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有軌電車儲(chǔ)能部件新型熱控制方案研究*

李 明， 劉 楠

(中車唐山機(jī)車車輛有限公司 產(chǎn)品技術(shù)研究中心, 河北唐山 063035)

儲(chǔ)能部件熱控制技術(shù)是混合動(dòng)力有軌電車穩(wěn)定運(yùn)行的保證之一。為了保證新型儲(chǔ)能部件的溫度均勻性，并使其工作在最佳的溫度范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)了兩種新型儲(chǔ)能部件相變材料——空氣耦合熱控制方案。通過制備石蠟/泡沫銅復(fù)合材料，搭建試驗(yàn)臺(tái)，將內(nèi)嵌式方案和外貼式方案進(jìn)行不同放電倍率和不同工況的試驗(yàn)測(cè)試，為新型儲(chǔ)能部件熱管理系統(tǒng)的實(shí)際開發(fā)提供一定的借鑒。

混合動(dòng)力有軌電車； 儲(chǔ)能部件； 相變冷卻； 空氣冷卻； 泡沫銅/石蠟

交通工業(yè)的快速發(fā)展加劇了環(huán)境污染和能源短缺等問題，從可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略出發(fā)，開發(fā)新型混合動(dòng)力有軌電車刻不容緩。動(dòng)力電池作為新型儲(chǔ)能部件的關(guān)鍵組成部分之一，其工作狀態(tài)的好壞直接影響整車的安全性、經(jīng)濟(jì)性等。動(dòng)力電池在充放電過程中會(huì)放出熱量，同時(shí)在有限的空間中電池組一般采用緊湊的布置形式，如果散熱不及時(shí)則會(huì)引起電池內(nèi)部的熱積累，導(dǎo)致熱失控，嚴(yán)重影響電池的性能及安全。電池間溫度的不一致會(huì)引起電池性能的不一致，使電池組的性能整體下降。因此對(duì)新型儲(chǔ)能部件熱控制方案進(jìn)行研究具有重要的意義[1-3]。

石蠟主要由直鏈烷烴混合而成，其優(yōu)勢(shì)在于物理和化學(xué)性能長期穩(wěn)定，能反復(fù)融解、結(jié)晶而不發(fā)生過冷或晶液分離現(xiàn)象，無毒、無腐蝕性等[4]。Hallaj 等人在商用純電動(dòng)車(EV)采用了相變裝置，相對(duì)于風(fēng)冷式或液冷式主動(dòng)熱控制系統(tǒng)，系統(tǒng)復(fù)雜度和成本大幅降低[5]。Kizilelar等人針對(duì)結(jié)構(gòu)過于緊湊的動(dòng)力電池組，開發(fā)了熱控制效果相對(duì)于傳統(tǒng)風(fēng)冷式系統(tǒng)更佳的相變材料裝置[6]。Siddique等人為電動(dòng)車動(dòng)力電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種新型相變裝置熱管理系統(tǒng)，無需風(fēng)機(jī)、泵等傳統(tǒng)的強(qiáng)迫冷卻部件。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用泡沫鋁+相變材料的熱控制方式，可將溫升降低50%以上[7]。張國慶等人使用石蠟/石墨相變復(fù)合材料設(shè)計(jì)了單體電池和電池組，研究和比較了分別采用相變冷卻技術(shù)與空氣換熱冷卻技術(shù)的電池散熱效果。試驗(yàn)結(jié)果表明，在1C放電倍率下，采用相變材料冷卻相對(duì)于空氣自然和強(qiáng)制對(duì)流冷卻，電池溫升分別降低14℃～18℃以及9℃～14℃，且電池性能無顯著劣化[8]。楊碩等人針對(duì)石蠟作為固—液相變儲(chǔ)能材料存在導(dǎo)熱系數(shù)小、傳熱性能差的缺點(diǎn)，采用兩步法制備了分散性較好的納米鋁粉/石蠟復(fù)合相變材料，有效地提高了石蠟相變儲(chǔ)能材料的導(dǎo)熱系數(shù)[9]。

根據(jù)動(dòng)力電池組的正常使用要求，模組內(nèi)部最高溫度和最大溫差分別不應(yīng)超過55℃和5℃。根據(jù)有軌電車實(shí)際運(yùn)用情況，一般夏季高溫時(shí)段一般在4～5 h左右，因此要求熱控制方案可堅(jiān)持5 h以上。而相變材料具有相變周期長、相變潛熱大、相變期間內(nèi)無溫升等優(yōu)勢(shì)，較為適合用于布置于有軌電車車頂?shù)幕旌蟿?dòng)力系統(tǒng)熱控制。

本文結(jié)合空氣冷卻與相變材料冷卻的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了兩種新型儲(chǔ)能部件相變材料—空氣耦合熱控制方案，基于同一動(dòng)力電池模組試制了耦合散熱試驗(yàn)樣件，并分別對(duì)“內(nèi)嵌式方案”和“外貼式方案”進(jìn)行了不同工況、不同放電倍率下熱控制效果的試驗(yàn)測(cè)試。

1 相變材料熱控制裝置

相變材料熱控制裝置為結(jié)構(gòu)簡單的方塊狀結(jié)構(gòu)，主要由石蠟和泡沫銅組成，外殼一般為銅或鋁材質(zhì)。

1.1 石 蠟

石蠟作為相變材料具有相變潛熱較高、幾乎沒有過冷現(xiàn)象、熔化時(shí)蒸汽壓低、不易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)且化學(xué)穩(wěn)定性較好、自成核、沒有相分離和腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，但也存在熱導(dǎo)率低等不利因素, 但通過在石蠟中嵌入泡沫銅芯體可有效克服這個(gè)缺點(diǎn)。

本試驗(yàn)中選擇相變材料主要考量的因素有：工作溫度、潛熱值、安全性。根據(jù)本文的熱控制需求，最終選擇工質(zhì)為正二十烷(化學(xué)式：C20H42，分子量：282.547 5)，工作溫度為36 ℃～38 ℃，針對(duì)動(dòng)力電池組最高溫度要求留有一定安全裕量。其他參數(shù)包括：沸點(diǎn)343.4 ℃，潛熱246 kJ/kg，密度788.6 kg/m3，閃點(diǎn)186.5 ℃，蒸汽壓0.000 14 mmHg，折射率1.442 5；不溶于水，溶于乙醚、苯。

1.2 泡沫銅

選用孔隙率95%的泡沫銅，以增強(qiáng)相變材料的吸熱效果。泡沫銅由于具有密度低、比表面積大、通孔均勻細(xì)致等特點(diǎn)，將相變材料與泡沫銅材料相結(jié)合，可以使得熱量沿金屬纖維快速傳遞，并通過較大的比表面積將熱量擴(kuò)散到整個(gè)儲(chǔ)能裝置內(nèi)部。

2 新型儲(chǔ)能部件熱控制集成方案

2.1 內(nèi)嵌式方案

內(nèi)嵌式方案是通過將相變材料放入單體電池片與單體電池片之間，利用相變材料的相變潛熱將電池片散發(fā)的熱量吸收，然后通過導(dǎo)熱片與空氣以強(qiáng)迫對(duì)流方式散出。導(dǎo)熱片的結(jié)構(gòu)為銅、鋁等導(dǎo)熱系數(shù)高的片狀金屬。圖1所示為內(nèi)嵌式方案示意圖。

圖1 內(nèi)嵌式方案示意圖

圖2 外貼式方案示意圖

2.2 外貼式方案

外貼式方案是將相變材料模塊布置在動(dòng)力電池模組表面，利用導(dǎo)熱片將動(dòng)力電池散發(fā)的熱量傳遞給相變材料，利用相變材料的相變潛熱吸收一部分熱量；同時(shí)通過導(dǎo)熱片與強(qiáng)迫空氣以對(duì)流方式散出另一部分熱量。導(dǎo)熱片的結(jié)構(gòu)以片狀為宜，須與單體動(dòng)力電池緊密貼合，材料可以為銅、鋁等導(dǎo)熱系數(shù)高的金屬。圖2所示為外貼式方案示意圖。

3 新型儲(chǔ)能部件熱控制方案試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)臺(tái)

本文搭建了動(dòng)力電池充放電—熱性能耦合測(cè)量試驗(yàn)臺(tái)，針對(duì)新型儲(chǔ)能部件熱控制方案的性能與設(shè)計(jì)效果進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試。試驗(yàn)臺(tái)原理圖如圖3所示。試驗(yàn)臺(tái)分兩個(gè)部分：充放電測(cè)量系統(tǒng)及流動(dòng)與傳熱性能測(cè)量系統(tǒng)。充放電系統(tǒng)用于進(jìn)行不同倍率的充放電以模擬電池實(shí)際工作過程，確保電池發(fā)熱量與實(shí)際工作過程相符合。流動(dòng)與傳熱性能測(cè)量系統(tǒng)為獨(dú)立設(shè)計(jì)的低速風(fēng)洞系統(tǒng)，試驗(yàn)件放置在該系統(tǒng)的樣品池中，試驗(yàn)臺(tái)如圖4所示。

圖3 試驗(yàn)臺(tái)原理圖

圖4 試驗(yàn)臺(tái)

試驗(yàn)測(cè)試儀器匯總見表1。

3.2 試驗(yàn)對(duì)象

試驗(yàn)對(duì)象為湖州微宏動(dòng)力提供的軟包裝鈦酸鋰電池單體以及使用該單體電池組裝的鈦酸鋰模組，具體參數(shù)如表2所示。鈦酸鋰電池循環(huán)性能好，放電電壓平穩(wěn)，電解液不易分解，可高倍率充放電，安全性相對(duì)較高。其片狀結(jié)構(gòu)更易于本文方塊狀相變裝置的安裝和集成。

實(shí)際電堆模組由3并、3串9片電池單體組成，電芯之間存在縫隙，采用空氣進(jìn)行對(duì)流散熱，如圖5所示。

表1 試驗(yàn)設(shè)備表

表2 單體軟包裝鈦酸鋰可充電電池參數(shù)

圖5 試驗(yàn)電堆組裝方式

3.3 方案步驟

通過已經(jīng)搭建的模擬通風(fēng)試驗(yàn)臺(tái)，分別對(duì)“內(nèi)嵌式方案”和“外貼式方案”進(jìn)行了強(qiáng)迫風(fēng)冷/相變材料綜合冷卻試驗(yàn)，試驗(yàn)步驟如下：

(1)打開加熱器，查看溫度計(jì)，當(dāng)調(diào)溫調(diào)流段內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定溫度(±0.2℃)時(shí)，開始試驗(yàn)；

(2)打開并變頻風(fēng)機(jī)，使風(fēng)管進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速達(dá)到設(shè)定數(shù)值(±0.1 m/s)；

(3)接通充放電設(shè)備，使電池充放電按設(shè)定電流進(jìn)行充放電操作；

(4)打開電腦和數(shù)據(jù)采集儀，使其自動(dòng)記錄模塊電池表面溫度，記錄間隔為30 s；

(5)當(dāng)電芯表面溫度超過55 ℃或溫度穩(wěn)定時(shí)結(jié)束試驗(yàn)，關(guān)閉所有設(shè)備。

3.4 測(cè)試結(jié)果

基于上述鈦酸鋰電池模塊的“內(nèi)嵌式方案”樣件如圖6所示，熱電偶布置位置如圖7所示。

圖6 “內(nèi)嵌式方案”樣件

圖7 熱電偶布置

基于上述某電池模塊的“外貼式方案”樣件如圖8所示，熱電偶布置位置如圖9所示。

圖8 “外貼式方案”樣件

冷卻風(fēng)溫28 ℃，充放電倍率2C，冷卻風(fēng)速3 m/s的試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。試驗(yàn)共進(jìn)行3次充放電循環(huán)。

試驗(yàn)結(jié)果表明，

(1) 溫升方面：動(dòng)力電池溫升隨著放電時(shí)間增加而增大，兩種方案均可將動(dòng)力電池模組溫升控制在55 ℃以內(nèi)。采用“內(nèi)嵌式方案”，模塊內(nèi)溫度基本維持在40 ℃以內(nèi)；采用“外貼式方案”，模塊內(nèi)溫度基本維持在52 ℃以內(nèi)。

圖9 熱電偶布置

(2) 溫度均勻性方面：“內(nèi)嵌式方案”可保證模塊內(nèi)溫度均勻性基本維持在3℃以內(nèi)，“外貼式方案”只能保證模塊內(nèi)溫度基本維持在5℃左右。

(3) 相較而言，“內(nèi)嵌式方案”與電池組結(jié)合更緊密，效果更佳，熱控制時(shí)間可達(dá)5 h以上。

4 結(jié) 論

本文結(jié)合相變冷卻和空氣冷卻的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了內(nèi)嵌式和外貼式兩種新型儲(chǔ)能部件熱控制散熱方案。通過試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果可得出如下結(jié)論：

圖10 測(cè)試結(jié)果

(1) 動(dòng)力電池溫升隨著放電時(shí)間增加而增大。

(2)“內(nèi)嵌式方案”和“外貼式方案”均能夠?qū)⒆罡邷囟群妥畲鬁夭罘謩e控制在55 ℃和5 ℃以內(nèi)，能夠滿足電池的散熱需求。

(3)“內(nèi)嵌式方案”與電池組結(jié)合更緊密，熱控制效果更佳，可維持模塊內(nèi)溫度在40 ℃以內(nèi)，溫度均勻性在3 ℃以內(nèi)，有效熱控制時(shí)間達(dá)5 h以上。

[1] 車杜蘭，周 榮，喬維高．電動(dòng)汽車電池包熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法[J]．汽車工程師，2009,(10)：28-30．

[2] Funahashi A，Kiday，Yanagida K，et al．Thermal simulation of large-scale lithium secondary batteries using a graphite-coke hybrid carbon negative electrode and LiNi0．7C00 302 positive electrode[J]．J Power Sources，2002，1 04：248-252．

[3] Wu M，Liu K，Wang Y，et a1．Heat dissipation design for lithium-ion batteries[J]．J Power Sources，2002，109：160-166．

[4] 盛青青，章學(xué)來．石蠟類復(fù)合相變材料的研究進(jìn)展[J].制冷空調(diào)與電力機(jī)械，2008，29(2)：18-20，31．

[5] Hallaj S A，SELMAN J R．Thermal modeling of secondary lithium batteries for electric vehicle/ hybrid electric vehicle applications[J]．J Power Sources, 2002，110：341-348．

[6] KIZILELA R，LATEEFA A，SABBAHA R，et al.Passive control of temperature excursion and uniformity in high-energy Li-ion battery packs at high current and ambient temperature[J]．Journal of Power Sources，2008，183：370-375．

[7] SIDDIQUE A K，SHABAB A. Thermal management of Li-ion battery with phase change material for electric scooters:experimental validation[J].Journal of Power Sources，2005，142：345-353．

[8] 張國慶，饒中浩，吳忠杰等.采用相變材料冷卻的動(dòng)力電池組的散熱性能 [J]．化工進(jìn)展，2009，28(1)：23-26．

[9] 楊 碩，汪 南，吳淑英．納米鋁粉石蠟復(fù)合相變儲(chǔ)能材料的性能研究[J]材料．材料導(dǎo)報(bào)，2009，23(12)：20-22．Study on New Thermal Control Scheme of Energy Storage Unit of Tram

LIMing,LIUNan

(Product Technical Research Center, CRRC Tangshan Co., Ltd., Tangshan 063035 Hebei, China)

Thermal control technology of energy storage unit guarantees the steady operation of hybrid tram. In order to ensure temperature uniformity of the new energy storage unit and the work in the optimal temperature range, two kinds of new energy storage unit phase change materials-air coupled thermal control schemes are designed in this paper. By preparing paraffin/copper foam composite materials and building the experimental platform, the experiment of different discharge rate and different working conditions are carried out by the embedded scheme and the external scheme, for providing some reference for the practical development of the new energy storage unit thermal management system.

hybrid tram; energy storage unit; phase change cooling; air cooling; copper foam/paraffin

*國家科技支撐項(xiàng)目(2014BAG08B02)

男，高級(jí)工程師(

2016-03-25)

1008-7842 (2016) 05-0012-04

U268.6

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2016.05.03