L形脈動熱管啟動和傳熱特性的研究

池日光 郭子瑞 公緒金

(哈爾濱商業(yè)大學(xué)能源與建筑工程學(xué)院 哈爾濱 150028)

鋰離子電池作為電動車的動力源具有極大的性能優(yōu)勢，但在充放電過程中會釋放大量的熱[1-2]。C. Heuber等[3]在0.2～1 C (1 C：電池1 h內(nèi)完全放電時的電流強度)的放電率下測得的鋰離子電池總發(fā)熱量約為50～150 kJ。S. Panchal等[4]測量了磷酸鐵鋰電池的發(fā)熱率，在1 C和4 C的放電率下鋰離子電池的發(fā)熱率達到了13 W和91 W。Liu Guangming等[5]對鋰離子電池的老化進行了研究，在2 C和4 C的放電率下，較新的鋰離子電池發(fā)熱率分別為7 W和25 W，而老化的鋰離子電池發(fā)熱率分別為9 W和33 W。若長時間處于鋰離子電池的工作溫度范圍(-20～60 ℃)時，充放電壽命將急劇降低，如圖1所示[6]，嚴重時還會引起鋰離子電池內(nèi)部材料的分解和化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致熱失控產(chǎn)生更多的熱量，從而引發(fā)燃燒和爆炸等事故。汽車廠商為了彌補最大行程上的不足，在電動汽車有限的空間里安裝了大量的鋰離子電池，例如特斯拉的MODEL-S安裝了約7 000個18 650鋰離子電池，Chevy volt安裝了288塊板狀鋰離子電池[6-7]，這使電動汽車鋰離子電池的發(fā)熱問題更加嚴重。而且我國北方地區(qū)冬季溫度低、持續(xù)時間長，直接影響了電動汽車的發(fā)展和普及。

圖1 鋰離子電池壽命隨溫度變化[6]Fig.1 Lithium-ion battery cycle life change with temperature[6]

目前電動汽車電池?zé)峁芾矸椒ㄖ饕酗L(fēng)冷和水冷兩種方式。王曉慧等[8-10]進行了風(fēng)冷相關(guān)實驗，雖然風(fēng)冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，但由于空氣的密度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱等熱物性參數(shù)較低，導(dǎo)致溫度一致性和低冷卻效果較差，且整個系統(tǒng)所占空間較大。崔星等[11-13]進行了基于微通道的水冷實驗，由于水的密度、比熱和導(dǎo)熱系數(shù)較大，其冷卻效率非?？捎^，電池間最大溫差也能控制在2 ℃以內(nèi)。但狹窄的通道和冷卻液的黏性使流動阻力增加，在水泵上消耗大量的電力，間接導(dǎo)致電動汽車的行程減少。并且水冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，冷卻液的泄漏還會導(dǎo)致電池短路而發(fā)生事故。

脈動熱管(oscillating heat pipe，OHP)是一種新型熱管，由一根毛細管彎曲制后除去內(nèi)部空氣并注入一定量的工質(zhì)制作而成。脈動熱管內(nèi)部在表面張力的作用下形成多個氣塞和液塞，當(dāng)對脈動熱管的蒸發(fā)段和冷凝段進行加熱和冷卻時，溫度的不均勻分布導(dǎo)致氣塞間的蒸氣壓差，并在該壓差的作用下工質(zhì)在蒸發(fā)段和冷凝段之間進行往返運動，通過相變和對流傳熱來實現(xiàn)熱量的傳遞。與傳統(tǒng)的熱管相比，結(jié)構(gòu)上具有簡單和可小型化且無吸液芯的優(yōu)點，并具有極高的傳熱極限和遠距離傳熱等優(yōu)點，因此已有很多基于脈動熱管的電池?zé)峁芾硌芯空谶M行中(圖2)，并獲得了較好的結(jié)果[14-15]。但這些研究中采用的脈動熱管的冷凝段和絕熱段所占空間較大，且冷凝段位于電池組的上方或側(cè)面，不利于大量的鋰離子電池的安裝、更換和維護。

圖2 脈動熱管電池?zé)峁芾硌芯縁ig.2 Study on thermal management of oscillating heat pipe battery

為了解決板狀鋰離子電池的熱管理問題，本文提出如圖3所示的基于L形脈動熱管的電動汽車電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)。由于該脈動熱管具有加熱段長、冷卻段和絕熱段短的特點，且冷卻段在電池組的下方，所以該結(jié)構(gòu)不但能夠有效冷卻電池，還能節(jié)省大量空間以便安裝更多的電池，為電池的維護和更換提供便利。

圖3 脈動熱管電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)概念圖Fig.3 Conceptual diagram of pulsating heat pipe battery thermal management system

1 實驗設(shè)備及實驗條件

實驗臺由數(shù)據(jù)采集器、直流電源、恒溫水箱、真空泵等組成，如圖4所示。當(dāng)脈動熱管的工質(zhì)為甲醇時其脈動熱管臨界管徑可通過式(1)求得，該臨界管徑約為3.4 mm[20]。故本研究中的脈動熱管由內(nèi)/外徑為1 mm/2 mm的銅管制作而成，共9匝。加熱段和冷凝段的長度分別為100 mm和20 mm，且絕熱段為半徑為4 mm的1/4圓。脈動熱管的冷凝段與冷卻板相連，由恒溫水槽提供冷卻水。采用電加熱板來模擬LG鋰離子動力電池，尺寸為150 mm×100 mm×20 mm(長×寬×高)。測溫系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集器和熱電偶構(gòu)成，且測溫點如圖5所示：No.1～4、No.5～8分別為脈動熱管加熱段的上部、下部的測溫點；No.9～12為脈動熱管冷卻段的測溫點；No.13～16為加熱板的測溫點；No.17～18為冷卻板的冷卻水進出口的測溫點，數(shù)據(jù)采集間隔為1 s。通過式(2)求得的熱阻R來評價脈動熱管的傳熱性能。

(1)

(2)

(3)

(4)

圖4 實驗臺Fig.4 Experimental bench

圖5 測溫點布置Fig.5 Layout of temperature measuring points

實驗條件如表1所示，采用的工質(zhì)為甲醇，充液率(FR)為7.1%～21.2%。

實驗步驟：1)啟動真空泵除去脈動熱管內(nèi)部的不凝結(jié)氣體；2)利用注射器將一定量的工質(zhì)注入到脈動熱管內(nèi)部；3)設(shè)定電源電壓、冷卻水溫度等參數(shù)后，啟動的同時記錄各個測溫點隨時間的變化；4)當(dāng)電加熱板溫度不再變化時停止記錄溫度并停止實驗；5)解除脈動熱管的真空，除去脈動熱管內(nèi)部工質(zhì)。由于脈動熱管的各測溫點的溫度隨時間是周期性變化的，所以在本研究中以加熱板的溫度不再變化或變化很小(0.5 ℃)時，認為脈動熱管的運行達到了穩(wěn)態(tài)。按照誤差傳遞原理，熱阻R的相對誤差可通過式(5)～式(6)求得[15]。當(dāng)電壓和電流為45.5 V和0.440 A時,其熱阻的不確定度為4.96%。

表1 實驗條件Tab.1 Experimental conditions

(5)

(6)

2 實驗結(jié)果分析

2.1 啟動特性

FR為7.1%～21.2%時，在不同加熱量Q下啟動過程中的蒸發(fā)段測溫點(No.4)的溫度變化如圖6所示。由圖6可知，在Q為10～30 W條件下，低FR(7.1%)時的啟動溫度均在約31 ℃，但啟動時間從370 s減少至約220 s。FR為14.1%時，Q為10 W條件下較長時間段內(nèi)發(fā)生較小的溫度震蕩，而Q增至20 W和30 W時啟動溫度分別為48.8 ℃和48.5 ℃，啟動時間分別為774 s和1 534 s。而FR為21.2%的條件下，Q為10 W時也無明顯的溫度震蕩。在Q為20 W和30 W條件下，啟動溫度增至56.8 ℃和56.3 ℃，啟動時間分別為1 258 s和2 435 s，且相比于穩(wěn)態(tài)運行時的溫度相差較小。這是因為隨著FR的增加，工質(zhì)流動過程中的摩擦阻力和重力也相應(yīng)增加，需要更大的蒸氣壓來推動工質(zhì)，所以啟動溫度呈現(xiàn)隨FR的增加而增大的趨勢。初始時刻工質(zhì)所處位置為下方的冷凝段，所以在一定的充夜率條件下，克服重力把工質(zhì)從下方的冷凝段輸送至蒸發(fā)段所需的力，即蒸氣壓或蒸氣度為一個臨界值。所以在相同的FR條件下，隨著Q的增加，蒸氣溫度能夠快速達到該臨界值而減少啟動時間，但啟動溫度變化細微。

圖6 Tc為25 ℃時不同加熱量下啟動時的溫度變化(No.4)Fig.6 Temperature variations during start-up under different heating quantities when Tc is 25 ℃(No.4)

2.2 穩(wěn)態(tài)階段的傳熱特性

冷卻水溫度為20～30 ℃時不同F(xiàn)R和加熱量Q條件下的脈動熱管的熱阻如圖7所示。由圖7(a)可知，在10 W和15 W的低Q條件下最佳FR約為10.6%，而Q為20～30 W條件下最佳FR分別為10.6%和14.1%。這是因為在低FR(7.1%)下，在蒸發(fā)段易發(fā)生燒干現(xiàn)象而熱阻較大。FR增至10.6%和14.1%時，由于極大的緩解了蒸發(fā)段的燒干現(xiàn)象使脈動熱管的熱阻急劇降低。但FR增至17.7%和21.2%時，工質(zhì)流動阻力也隨之增大，脈動熱管內(nèi)部的蒸氣壓差不能有效推動工質(zhì)在蒸發(fā)段和冷凝段間的往返運動而傳遞熱量。而且重力的作用使液相聚集在下方的冷凝段中，所以FR過高時冷凝段被液相所淹沒，阻礙氣相在冷凝段中的冷凝從而增加了脈動熱管的熱阻。圖7(b)和(c)分別為25 ℃和30 ℃冷卻水時不同充液率和加熱量條件下的熱阻。在低FR(7.1%)條件下，隨著Q的增加熱阻幾乎成一條直線，而FR為10.6%～21.2%條件下呈減小的趨勢。這是因為脈動熱管內(nèi)部工質(zhì)的溫度隨冷卻水溫度的升高而增大，所以在過低的FR條件下不能有效的濕潤蒸發(fā)段，在整個Q范圍內(nèi)發(fā)生燒干現(xiàn)象。但隨著FR的增加，熱阻也呈先減小后增大的趨勢。在相同的FR和Q條件下，隨著冷卻水溫度的升高，其內(nèi)部工質(zhì)的溫度和壓力也相應(yīng)增加，加劇了工質(zhì)在脈動熱管內(nèi)部的的運動從而強化了內(nèi)部對流傳熱以及相變傳熱。所以脈動熱管的熱阻呈現(xiàn)隨冷卻水溫度的升高而降低的趨勢。

圖7 不同充液率和加熱量條件下的脈動熱管的熱阻變化Fig.7 Thermal resistance of pulsating heat pipes with different liquid filling rates and heating amount

不同的加熱量、充液率和冷卻水溫度條件下電加熱板的平均溫度如圖8所示。由圖8(a)可知，當(dāng)FR為10.6%～14.1%時，冷卻水為20 ℃和Q為10～25 W的條件下電加熱板的平均溫度保持在55.3 ℃以內(nèi)，而冷卻水溫度分別提高至25 ℃和30 ℃時，在Q為10～20 W條件下電加熱板的平均溫度分別保持在54.7 ℃和57.5 ℃以內(nèi)，表明在該L形脈動熱管在上述加熱量范圍內(nèi)能夠有效保證鋰離子電池的正常工作溫度。

圖8 不同充液率和加熱量條件下的加熱板溫度Fig.8 Heating plate temperature under different liquid filling rates and heating amount

3 結(jié)論

本文對電動汽車的電池?zé)峁芾硖岢隽薒形上部加熱底部冷卻式的脈動熱管，以甲醇作為工質(zhì)進行了不同的加熱量、充液率冷卻水溫度下的啟動特性和傳熱特性的實驗，得到如下結(jié)論：

1)充液率的增加導(dǎo)致工質(zhì)的流動阻力增大，所以在相同加熱量條件下，脈動熱管的啟動溫度隨充液率的增加而升高，而溫度震蕩的振幅呈減小的趨勢。

2)脈動熱管供熱量的增加會增大內(nèi)部的蒸氣壓，加強工質(zhì)運動從而提高傳熱效率。但加熱量過高時反而會導(dǎo)致蒸發(fā)段發(fā)生燒干現(xiàn)象。所以在一定充液率條件下，脈動熱管的熱阻隨供熱量的增加呈先減小后增大的趨勢。

3)過低的充液率會導(dǎo)致蒸發(fā)段的燒干現(xiàn)象，而過高的充液率會導(dǎo)致冷凝段的淹沒現(xiàn)象和阻力的增加，所以該脈動熱管存在充液率的最佳值，且該值約為10.6%～14.1%。在該充液率條件下，10～20 W的加熱量范圍內(nèi)，電加熱板溫度能夠維持在54.7 ℃以內(nèi)，表明該L形脈動熱管能夠有效保障鋰離子電池的正常工作溫度。

本文受黑龍江省普通本科高等學(xué)校青年創(chuàng)新人才培養(yǎng)計劃項目(UNPYSCT-20200214) 和哈爾濱商業(yè)大學(xué)青年后備人才支持計劃(2020CX23，2019CX24)資助。(The project was supported by the Young Innovative Talents Training Program of Heilongjiang Regular Undergraduate Institution of Higher Learning (No. UNPYSCT-20200214) and Harbin Commercial University Youth Reserve Talent Support Program (No. 2020CX23 & No. 2019CX24).)

符號說明

drcit——脈動熱管臨界管徑，m

FR——充液率

g——重力加速度，9.81 N/kg

Tc——冷卻水溫度，℃

Tcon——脈動熱管冷凝段溫度，℃

Teva——脈動熱管蒸發(fā)段溫度，℃

TH——電加熱板溫度，℃

Q——加熱量，W

R——熱阻，℃/W

T——溫度，℃

U——電壓，V

I——電流，A

Δ——誤差

σ——表面張力，N/m

ρv——氣相密度，kg/m3

ρl——液相密度，kg/m3

下標

i——測溫點編號