陳忱,孫俊俊,朱慶勇
(中山大學(xué)航空航天學(xué)院,深圳 518107)
近年來,科研人員一直致力于提升電池的能量密度,高能量密度電池廣泛應(yīng)用于電動(dòng)車,無人機(jī)等領(lǐng)域。更高的能量密度帶來了更大的發(fā)熱量,而電池的工作溫度與電池循環(huán)壽命以及狀態(tài)穩(wěn)定性等密切相關(guān)[1],無論是高溫條件還是低溫條件,電池的總體性能都會(huì)受到影響,特別是溫度較高時(shí),電池表面溫度不均帶來的應(yīng)力容易使得電池產(chǎn)生不可逆損失[2],因此,高密度能量電池的熱管理系統(tǒng)變得越來越重要。
相變材料由于具有在相變溫度區(qū)間釋放和儲(chǔ)存相變潛熱的能力,廣泛應(yīng)用于儲(chǔ)能[3]以及電子器件散熱領(lǐng)域[4-5]。石蠟具備無毒無腐蝕性,成本低廉等優(yōu)點(diǎn),是常用的相變材料。Hallaj等[6]于2000年首次在鋰離子電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中使用石蠟,發(fā)現(xiàn)其能抑制電池升溫過快。但石蠟的導(dǎo)熱系數(shù)較低,與熱源接觸的部分融化時(shí),外部可能仍處于固體狀態(tài),對(duì)于大量熱負(fù)荷的應(yīng)對(duì)效果不佳。Siddique等[7]研究表明,由于純石蠟的導(dǎo)熱能力不高,容易導(dǎo)致電池?zé)崾Э?。?duì)此,目前已經(jīng)存在使用熱管與翅片[8]、添加各類特殊材料[9-10]等提高石蠟導(dǎo)熱率的方法。膨脹石墨具備耐冷熱、耐腐蝕、吸附性好等優(yōu)點(diǎn),常用于制備復(fù)合型材料從而增強(qiáng)材料的導(dǎo)熱率[11-12],添加膨脹石墨的石蠟-膨脹石墨(paraffin-expanded graphite,PA-EG)復(fù)合材料具備穩(wěn)定性好,不易泄露,導(dǎo)熱率高[13]等優(yōu)點(diǎn),也被廣泛地應(yīng)用。
黃菊花等[14]使用膨脹石墨與石墨烯增強(qiáng)石蠟的導(dǎo)熱率,制成塊狀并將其貼合在發(fā)熱電池的上下表面,將電池溫度維持在45 ℃以下,提高了其安全性。劉臣臻等[15]使用板狀PA-EG復(fù)合材料進(jìn)行散熱,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,電池間的溫度更加均衡,且散熱效果強(qiáng)于空氣冷卻。
但上述實(shí)驗(yàn)主要還是依靠被動(dòng)散熱,在熱負(fù)荷較高時(shí)難以滿足熱管理系統(tǒng)的散熱需求,熱管可以將大量熱量通過很小的截面積遠(yuǎn)距離傳輸而無需外加動(dòng)力,為了增強(qiáng)相變材料與環(huán)境之間的散熱,也有研究人員將其與熱管等主動(dòng)式熱管理系統(tǒng)耦合。Wu等[16]使用L型熱管與PA-EG復(fù)合相變材料耦合,滿足了5C放電時(shí)電池的熱管理需求。Zhao等[17]將熱管與PA-EG復(fù)合相變材料耦合的混合散熱系統(tǒng)用于圓柱電池的散熱,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,混合散熱系統(tǒng)效果更好且能極大的降低溫差。Zhang等[18]設(shè)計(jì)了一種結(jié)合了熱管、泡沫銅和相變材料(phase change material,PCM)的新型分離式熱管理系統(tǒng),電池產(chǎn)生的熱量首先通過熱管傳遞到電池組外部,然后被PCM吸收和儲(chǔ)存,泡沫銅則用于儲(chǔ)存PCM并增強(qiáng)其導(dǎo)熱性。該系統(tǒng)可以大大改善單個(gè)電池內(nèi)的溫度不均衡。為了應(yīng)對(duì)電池大功率發(fā)熱的情況,Behi等[19]設(shè)計(jì)了一種適用于高放電速率(8C)的熱管耦合PCM被動(dòng)式熱管理系統(tǒng),在自然對(duì)流作用下,電池的最高溫度僅為33.2 ℃,降低了40.7%。
為了獲得更高的導(dǎo)熱率并讓復(fù)合相變材料定形不泄露,大多數(shù)熱管理系統(tǒng)都使用了膨脹石墨含量較高的復(fù)合相變材料,對(duì)于膨脹石墨含量較低的復(fù)合相變材料關(guān)注較少,上述實(shí)驗(yàn)中所用的PA-EG復(fù)合材料EG含量也都大于9%,但有研究表明此時(shí)復(fù)合相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)將有較為明顯的各向異性[20],這對(duì)于保持電池表面溫度均勻是不利的。此外,隨著膨脹石墨含量的增加,處于熔融狀態(tài)下的PA被吸附的比例增加,復(fù)合相變材料的形態(tài)有著從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)的趨勢(shì),探究其對(duì)于電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的影響是有必要的。
目前研究多側(cè)重于PA-EG復(fù)合相變材料本身的熱物性,對(duì)于實(shí)際儲(chǔ)能單元耦合熱管的熱管理系統(tǒng)研究還較少。為此,使用相變儲(chǔ)能單元防止石蠟泄露,使用方形發(fā)熱片模擬電池發(fā)熱,主要研究復(fù)合相變材料EG含量在9%以下時(shí)其散熱效果與熔融情況,分析熱管耦合不同PA-EG復(fù)合相變材料應(yīng)用于高密度能量電池的效果,為進(jìn)一步優(yōu)化熱管理系統(tǒng)提供參考。
實(shí)驗(yàn)材料包括:切片石蠟,熔點(diǎn)45 ℃,焓值160~180 J/g,微晶蠟業(yè)。膨脹石墨,80目,膨脹倍率約250倍,青島騰盛達(dá)碳素石墨。
實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括:紅外測(cè)溫儀器FLIR T540;接觸式熱電偶測(cè)溫儀HT9815;SN-JJ-1數(shù)顯電動(dòng)攪拌器;79-1數(shù)顯恒溫加熱機(jī);熱管;設(shè)備控制變壓器;散熱風(fēng)機(jī);方形陶瓷片熱源;有機(jī)玻璃容器等。
使用天平取相應(yīng)配比的材料,將石蠟于燒杯中恒溫加熱至完全融化,再迅速倒入膨脹石墨粉,使用電動(dòng)攪拌器在恒定速率下充分?jǐn)嚢栉?,分別制成不同配比的復(fù)合相變材料。制成EG含量分別為1%、3%、5%的復(fù)合相變材料,分別記為EG-1、EG-3、EG-5。
如圖1所示,隨著膨脹石墨含量的不斷增加,熔融狀態(tài)下的石蠟被吸附的比例也隨之增加,PA-EG復(fù)合相變材料有著從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)的趨勢(shì),當(dāng)膨脹石墨含量為3%時(shí),復(fù)合相變材料已趨近液態(tài)和固態(tài)的臨界點(diǎn),當(dāng)膨脹石墨含量為5%時(shí),復(fù)合相變材料已完全呈現(xiàn)固態(tài),表現(xiàn)為顆粒聚集狀,劉正浩與張欽真等人的研究中也觀察到了類似現(xiàn)象[21-22]。
圖1 不同EG含量的復(fù)合相變材料Fig.1 Composite phase change materials with different EG content
使用Hot Disk TPS 2500S導(dǎo)熱系數(shù)儀,依據(jù)瞬變平面熱源法測(cè)得各復(fù)合相變材料的導(dǎo)熱率如表1所示。膨脹石墨的添加能夠極大地提升石蠟的導(dǎo)熱率,在膨脹石墨含量為5%時(shí),PA-EG的導(dǎo)熱率相較于純石蠟提升了6.36倍。
表1 相變材料導(dǎo)熱率Table 1 Thermal conductivity of phase change materials
主要實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示,考慮現(xiàn)有電池?zé)o法達(dá)到實(shí)驗(yàn)需要的熱負(fù)荷,且要測(cè)試不同發(fā)熱功率,高熱流密度的使用情景,使用方形熱源替代實(shí)際電池發(fā)熱,與熱管蒸發(fā)段處方形銅片結(jié)合,模擬高密度能量電池充放電時(shí)的熱負(fù)荷,其發(fā)熱功率分別為15、20、25 W。圖2(c)為測(cè)溫工具,紅外測(cè)溫儀FLIRT540可以獲得一片區(qū)域的溫度值,從而反饋相變儲(chǔ)能單元頂部區(qū)域的溫度分布狀況,用于分析儲(chǔ)能單元內(nèi)復(fù)合相變材料的熔融狀態(tài)與熱擴(kuò)散情況。熱電偶測(cè)溫儀則記錄兩個(gè)地方的溫度值,一個(gè)是記錄熱源與熱管銅片貼合上方的溫度值,位于儲(chǔ)能單元中心,可以近似地反應(yīng)電池的溫度狀況與系統(tǒng)的溫度管理性能,另一個(gè)記錄儲(chǔ)能單元底部的溫度值,用于分析儲(chǔ)能單元內(nèi)熱擴(kuò)散情況。熱管選用燒結(jié)型銅水熱管,蒸發(fā)段長(zhǎng)60 mm,冷凝段長(zhǎng)50 mm,絕熱段長(zhǎng)80 mm,熱管橫截面積約24 mm2,壁厚約為 3 mm。在熱管冷凝段處焊接有翅片,翅片長(zhǎng)度為 50 mm,總冷卻面積約為0.003 2 m2,采用風(fēng)冷散熱。相變儲(chǔ)能單元容器為亞克力材質(zhì),長(zhǎng)76 mm,寬44 mm,內(nèi)部的體積為115 cm3。
圖2 主要實(shí)驗(yàn)裝置Fig.2 Main experimental device
圖3(a)為熱源功率為15 W時(shí)散熱系統(tǒng)的溫度響應(yīng)結(jié)果。加熱功率為15 W時(shí),各散熱系統(tǒng)的溫度響應(yīng)走勢(shì)一致,根據(jù)其EG含量的不同表現(xiàn)略有不同。EG含量高的復(fù)合相變材料有著更高的導(dǎo)熱率,熱擴(kuò)散效果更好,卻并未體現(xiàn)出其優(yōu)勢(shì),純石蠟導(dǎo)熱率較低,反而在整個(gè)加熱過程中有著更低的溫度。這主要是由于加熱功率較低時(shí),導(dǎo)熱率不同對(duì)散熱效果的影響不大,各材料皆能很好地滿足熱管理系統(tǒng)的需求。在加熱后期時(shí),各散熱系統(tǒng)的溫度均分布在38 ℃附近,溫度差異在0.2 ℃內(nèi),因此,能量密度較低的電池對(duì)于相變材料導(dǎo)熱率的需求不高。圖3(b)為熱源功率為20 W時(shí)散熱系統(tǒng)的溫度響應(yīng)結(jié)果。
圖3 不同相變材料散熱系統(tǒng)溫度響應(yīng)圖Fig.3 Temperature response diagrams of heat dissipation system with different phase change materials
在加熱功率上升后,各熱管理系統(tǒng)溫度響應(yīng)出現(xiàn)明顯變化,在加熱初期,EG-3的熱管理系統(tǒng)溫度明顯低于其他系統(tǒng),溫度上升更為緩慢,這主要是由于EG-3復(fù)合相變材料有著較高的導(dǎo)熱率,且PA在熔融后存在著一定的自然對(duì)流換熱,高溫的PA液體有著向上運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì),局部熱擴(kuò)散能力強(qiáng),而EG-5復(fù)合相變材料一直保持著固態(tài),為顆粒聚集狀態(tài),基本不存在可以自然流動(dòng)的PA。EG-5系統(tǒng)的溫度與EG-1基本一致,稍低于EG-1。純石蠟系統(tǒng)的溫度上升速率高于其他系統(tǒng),這主要是因?yàn)閷?dǎo)熱率過低,存在局部熱量積蓄的情況。在加熱后期時(shí),各復(fù)合相變材料散熱系統(tǒng)溫度收束,這主要是由于各復(fù)合相變材料的導(dǎo)熱率皆能滿足熱管理需求,EG-5系統(tǒng)取得了最好的散熱效果,但與其他復(fù)合相變材料差距不大。圖3(c)為熱源功率為25 W時(shí)散熱系統(tǒng)的溫度響應(yīng)結(jié)果。
在加熱功率進(jìn)一步增長(zhǎng)后,各散熱系統(tǒng)溫度響應(yīng)進(jìn)一步產(chǎn)生差異,在加熱初期,各系統(tǒng)溫度曲線與20 W加熱功率下的表現(xiàn)基本一致,但因?yàn)榧訜峁β实奶嵘?,EG-3散熱系統(tǒng)的溫度響應(yīng)曲線與其他系統(tǒng)的溫度響應(yīng)曲線相交的時(shí)間提前了,且各系統(tǒng)溫度增長(zhǎng)的速率也進(jìn)一步提升了。在加熱的中后期,雖然EG-1散熱系統(tǒng)的導(dǎo)熱率低于其他系統(tǒng),溫度增長(zhǎng)速率卻明顯低于其他系統(tǒng),這不僅與EG-1存在較強(qiáng)的自然對(duì)流現(xiàn)象有關(guān),也與其儲(chǔ)能單元蓄熱量較高有關(guān)。PA-EG復(fù)合相變材料隨著EG含量的增加,其單位質(zhì)量的相變焓值雖然變化不大[21],但單位體積的相變焓值,因?yàn)镋G具備高比體積而下降了。因此,固定體積的情況下,其蓄熱量隨著EG含量的增加而明顯減少,在高熱負(fù)荷的情況下,對(duì)于蓄熱量的需求是較高的,高EG含量的散熱系統(tǒng)表現(xiàn)不佳。純石蠟散熱系統(tǒng)則由于導(dǎo)熱率過低,無法滿足散熱系統(tǒng)熱負(fù)荷需求,存在積熱情況,溫度管理效果不理想。因此,在滿足導(dǎo)熱率需求的情況下,整體蓄熱量對(duì)熱管理系統(tǒng)的影響較大。表2為不同功率下各熱管理系統(tǒng)溫升的對(duì)比。
表2 不同功率下溫升對(duì)比Table 2 Comparison of temperature rise in different power
當(dāng)加熱功率較低時(shí),各相變材料都能較好地滿足熱管理需求,因此,復(fù)合相變材料并不占優(yōu)勢(shì)。當(dāng)加熱功率提升時(shí),隨著EG含量的上升,復(fù)合相變材料的導(dǎo)熱率也跟著上升,熱管理效果也隨之變好,EG-5散熱系統(tǒng)溫度相較于純石蠟系統(tǒng)溫度下降7.6%。當(dāng)加熱功率進(jìn)一步提升時(shí),此時(shí)由于EG具備較高的比體積,高EG含量相變儲(chǔ)能單元的蓄熱量相較于低EG含量有所下降,反而導(dǎo)致熱管理效果不佳。此時(shí),EG-1散熱系統(tǒng)溫度相較于純石蠟系統(tǒng)溫度下降10.5%。
圖4為儲(chǔ)能單元底部溫度的上升情況,能較好地表現(xiàn)出儲(chǔ)能單元內(nèi)部的溫度分布狀況。顯然,更高的EG含量能帶來更高的導(dǎo)熱率,從而使得儲(chǔ)能單元內(nèi)部的溫度分布更均勻,其溫度開始上升的拐點(diǎn)也更早出現(xiàn)。在加熱功率為15 W時(shí),EG-5、EG-3、EG-1系統(tǒng)的溫度上升的峰值分別為4.4、2.4、1.6 ℃,而純石蠟系統(tǒng)的溫度此時(shí)只上升了 0.6 ℃,與儲(chǔ)能單元中心溫升6.7 ℃的差值為 6.1 ℃,EG-5系統(tǒng)儲(chǔ)能單元底部溫升與儲(chǔ)能單元中心溫升的差值2.3 ℃,僅為純石蠟系統(tǒng)的37.7%。當(dāng)加熱功率提升至25 W時(shí),溫度上升幅度有所增加,且溫度響應(yīng)產(chǎn)生明顯差異,EG-1與純石蠟系統(tǒng)的溫度發(fā)生明顯變化的時(shí)間延后,而EG-3、EG-5系統(tǒng)的溫度發(fā)生明顯變化的時(shí)間提前,這主要是由于前兩者存在著明顯的自然對(duì)流換熱,其向上的熱擴(kuò)散能力明顯更強(qiáng),而EG-3、EG-5不僅導(dǎo)熱率更高,PA-EG復(fù)合相變材料熔融后的形態(tài)也更趨于固態(tài),熔融后各方向的熱擴(kuò)散能力相較于EG-1與純石蠟系統(tǒng)更為均衡。EG-5、EG-3、EG-1及純石蠟溫度上升的峰值分別為9.2、6.5、2.4、0.8 ℃,此時(shí)EG-5系統(tǒng)儲(chǔ)能單元底部溫升與儲(chǔ)能單元中心溫升的差值僅為純石蠟系統(tǒng)的42.6%。
圖4 不同功率下儲(chǔ)能單元底部的溫升情況Fig.4 Temperature rise at the bottom of energy storage unit in different power
圖5為加熱功率20 W下,加熱時(shí)間為480 s時(shí),EG含量分別為1%、3%、5%的相變儲(chǔ)能單元的頂部熱成像圖,能很好地表現(xiàn)相變材料的熔融狀態(tài)。在EG含量為1%時(shí),熱負(fù)荷分布總體呈現(xiàn)橢圓形,其不同方向上的溫度差異較為明顯,表面溫度峰值出現(xiàn)在中部,為44.3 ℃。在3%的情況下,熱負(fù)荷分布呈現(xiàn)葫蘆型,在中部熱負(fù)荷的擴(kuò)散更為顯著,溫度峰值出現(xiàn)在中上部分,為45.7 ℃。在5%的情況下,熱負(fù)荷已經(jīng)較為均勻的分?jǐn)偟秸麄€(gè)相變儲(chǔ)能單元,溫度峰值出現(xiàn)在中上部分,為46.4 ℃。顯然,隨著EG含量的上升,復(fù)合相變材料的熱擴(kuò)散率也上升了,材料整體對(duì)于熱負(fù)荷的分擔(dān)更為均勻。值得注意的是,EG-1、EG-3與EG-5溫度分布產(chǎn)生了明顯的差異,這主要由于PA融化后存在較為強(qiáng)烈的自然對(duì)流換熱,高溫PA液體有著向上運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì),能夠有效地強(qiáng)化縱向的換熱,其縱向換熱強(qiáng)于橫向換熱,因此,EG-1溫度分布呈現(xiàn)橢圓形,而EG-3因?yàn)樽匀粚?duì)流效應(yīng)較弱,且導(dǎo)熱率較高,溫度分布呈現(xiàn)葫蘆形狀,EG-5則由于大量PA吸附于EG中,基本不存在對(duì)流換熱,各向溫度分布均勻。此外,隨著EG含量的上升,復(fù)合相變材料的均一性也有所下降,在PA熔融后,EG-1與EG-3表現(xiàn)為液態(tài),而EG-5表現(xiàn)為顆粒聚集的固態(tài),因此,EG-1與EG-3的熱成像圖中,溫度過度更為平滑。對(duì)于電池?zé)峁芾矶裕瑴囟炔痪鶎頍釕?yīng)力,因此,EG含量不宜低于5%。
圖5 熱成像圖Fig.5 Thermal image
使用石蠟作為相變基體,添加膨脹石墨制備了PA-EG復(fù)合相變材料,在儲(chǔ)能單元中使用PA-EG包裹熱源并耦合熱管進(jìn)行散熱,在不同發(fā)熱功率以及復(fù)合相變材料具備不同EG含量的情況下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),得出如下結(jié)論。
(1)在發(fā)熱功率較低時(shí),對(duì)于相變材料導(dǎo)熱率的要求不高,復(fù)合相變材料優(yōu)勢(shì)不大,在發(fā)熱功率較高時(shí),隨著PA-EG復(fù)合相變材料EG含量的上升,其導(dǎo)熱率也隨之提升,熱管理效果更好,PA-EG散熱系統(tǒng)相較于純石蠟系統(tǒng)溫降可達(dá)10.5%。因此,對(duì)于高密度能量電池,使用復(fù)合相變材料是有必要的。
(2)隨著EG含量的上升,其單位質(zhì)量相變焓值變化不大,但單位體積相變焓值將下降,儲(chǔ)能單元蓄熱量也將下降,導(dǎo)致熱管理效果不理想,在使用高EG含量的復(fù)合相變材料時(shí),需要考慮整體蓄熱量是否能滿足需求。
(3)PA-EG復(fù)合相變材料導(dǎo)熱率相較于純石蠟明顯上升,在EG含量為5%時(shí)導(dǎo)熱率為純石蠟的6.36倍,不僅能提升熱管理效果,而且能夠有效地降低儲(chǔ)能單元內(nèi)部的溫差,EG-5的溫差峰值僅為純石蠟系統(tǒng)的37.7%,其對(duì)于熱負(fù)荷的分擔(dān)更為均勻。值得注意的是,當(dāng)EG含量低于5%時(shí),PA-EG復(fù)合相變材料未熔融時(shí)導(dǎo)熱率呈現(xiàn)各向同性,但在熔融后呈現(xiàn)液態(tài),存在自然對(duì)流換熱現(xiàn)象,將導(dǎo)致不同方向溫度差異明顯,容易帶來熱應(yīng)力,對(duì)于電池?zé)峁芾聿焕R虼?,?yīng)用于電池?zé)峁芾頃r(shí)EG含量不應(yīng)低于5%。