純電動汽車動力電池脈動熱管加熱技術(shù)的試驗

陳 萌, 羅鑫浩

(東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150040)

為了適應(yīng)汽車產(chǎn)業(yè)低碳和節(jié)能的發(fā)展趨勢,電動汽車將會成為未來一段時間內(nèi)汽車行業(yè)發(fā)展的主流,而鋰電池以其高比能量、高比功率、高安全性和循環(huán)壽命長等特性成為當前電動汽車動能系統(tǒng)的首選[1].但在北方寒區(qū)的低溫環(huán)境下,電動汽車長期面臨著-20 ℃以下的環(huán)境溫度,導(dǎo)致鋰電池性能衰退,進而出現(xiàn)電動汽車動力不足、續(xù)駛里程急劇下降等問題[2].

針對鋰電池在寒區(qū)低溫環(huán)境下出現(xiàn)的性能衰退問題,可通過電池?zé)峁芾砑夹g(shù)中的電池加熱技術(shù)加以解決.為達到此目的,各國學(xué)者們提出了許多加熱動力電池的方法,其中主要分為內(nèi)部加熱法和外部加熱法2大類[3].內(nèi)部加熱法[4]是通過低溫形成的較大內(nèi)阻來增大產(chǎn)熱,從而達到對鋰電池進行加熱的方法,也常稱為自加熱.自加熱方式?jīng)]有傳熱的中間步驟,不需要額外的傳熱系統(tǒng)或電路元件,可保證電池均勻受熱,且整體加熱快、效率高、應(yīng)用成本低.但是,自加熱方式需要對電池自身進行充電和放電,這會出現(xiàn)電池性能衰減的現(xiàn)象,且存在一定的安全隱患[5-6].外部加熱法是指在電池外部進行加熱,根據(jù)所選產(chǎn)熱方式的不同,主要有加熱套加熱、加熱膜加熱、珀爾貼效應(yīng)原件加熱、加熱板加熱、PTC(positive temperature coefficient)加熱、相變材料加熱等,由這些熱源,以氣體、液體或固體為介質(zhì),通過熱對流或熱傳導(dǎo)的方式對電池進行外部加熱[7].外部加熱法比較安全,易于實現(xiàn),但是能量損失較大,加熱速度慢,同時外部加熱法的加熱功率易受到局部過熱風(fēng)險的限制,導(dǎo)致電池溫度增加不均勻[8-9],如氣體加熱系統(tǒng)在電池箱內(nèi)有到達不了的盲區(qū),導(dǎo)致溫度具有不確定性,與氣體加熱系統(tǒng)相比,利用液體熱流的加熱方式能夠獲得更高的傳熱效率,但將液體通入電池箱底部的傳統(tǒng)方法,對電池箱密封性有更高的要求,其可靠性更加難以保證.因此,更加有效的動力電池加熱技術(shù)是實現(xiàn)電動汽車在寒區(qū)推廣應(yīng)用的關(guān)鍵.

眾所周知,熱管具有較高的導(dǎo)熱性,且形狀可變靈活,是當今諸多蓄熱和加熱系統(tǒng)的首選導(dǎo)熱器件.劉霏霏[10]將微熱管相變傳熱應(yīng)用于電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)(battery thermal management system, BTMS)中,利用熱管的雙向?qū)嵝阅?通過內(nèi)部流體運動將熱量傳遞給吸熱端,進而加熱電池.與普通熱管不同,脈動熱管(pulsating heat pipe,PHP)不需要使用多孔芯,無額外能量消耗.在兩相流狀態(tài)下工作,當蒸發(fā)端和冷凝端存在一定的溫差時,PHP中的汽塞和液塞會立即以很高的振幅來回振蕩,工質(zhì)來回通過蒸發(fā)端和冷凝端,使熱量迅速地傳遞,傳熱能力明顯優(yōu)于其他類型熱管,故PHP成為當前實現(xiàn)加熱特定對象的首選原器件.D.MANGINI等[11]對閉環(huán)脈動熱管的兩相流機制進行了紅外分析,試驗結(jié)果表明:對于特定的加熱分布會促使液塞和汽塞沿脈動熱管軸向優(yōu)先運動,優(yōu)先建立自激振蕩的循環(huán)運動,實現(xiàn)熱量在蒸發(fā)端和冷凝端的傳遞可視化,但是在目前熱管的應(yīng)用中,工質(zhì)多以水、乙醇、丙酮等為主,其熱導(dǎo)率均較低.有研究[12]顯示:采用納米流體等具有高換熱性能的新型工質(zhì)代替?zhèn)鹘y(tǒng)工質(zhì),可提高熱管的傳熱性能.QU J.等[13]就曾分別以二氧化硅(SiO2)/水和三氧化二鋁(Al2O3)/水作為工質(zhì),研究了PHP的熱性能,結(jié)果表明:與純水作為工質(zhì)相比,SiO2/水納米流體和Al2O3/水納米流體分別降低了25.7%、23.7%的熱阻.

上述研究表明,將PHP用于動力電池的加熱,對提升動力電池的性能具有重要的研究意義,但當前針對使用納米流體PHP作為核心元件加熱電動汽車動力電池的相關(guān)技術(shù)研究相對較少.為此,筆者從工質(zhì)選型制備、脈動熱管設(shè)計、脈動熱管熱性能影響因素分析及實際應(yīng)用等方面進行系列研究.針對不同基液對PHP加熱效能的影響、添加納米流體對PHP加熱效能的影響、不同工作模式對加熱動力電池加熱效能的影響、典型運行工況對加熱動力電池加熱效能的影響進行試驗研究,并驗證所設(shè)計的TiO2-PHP加熱、導(dǎo)熱的有效性及可行性.

1 試驗描述

1.1 TiO2納米流體的制備

采用2步法進行TiO2納米流體的制備,首先制備TiO2固體納米顆粒,然后制備TiO2納米流體傳熱工質(zhì).

1.1.1TiO2納米顆粒制備

選取鈦酸丁酯、無水乙醇、氨水作為基礎(chǔ)制備材料,采用溶膠-凝膠法制備TiO2納米顆粒.量取一定量的鈦酸丁酯緩慢逐滴加入無水乙醇與氨水的混合液中;放入85 ℃的水浴鍋內(nèi)機械攪拌2 h;將凝膠放入100 ℃干燥箱內(nèi)干燥 3 h,將研磨后的固體顆粒放入坩堝中,利用馬弗爐對TiO2進行高溫煅燒,并進行研磨,從而制備出所需的TiO2納米顆粒,分批制備出試驗所需的材料.

1.1.2TiO2納米流體的合成

首先稱取不同質(zhì)量的TiO2納米顆粒,將其分散到不同基液(蒸餾水、無水乙醇)中.同時,稱取一定量十二烷基硫酸鈉分散劑配制成分散液,再加入上述納米TiO2溶液中,進而配制出不同體積分數(shù)的納米流體.獲得的納米流體固體體積分數(shù)為

式中:mnp、mbf分別為TiO2納米顆粒和基液的質(zhì)量;ρnp、ρbf分別為TiO2納米顆粒和基液的密度.

所用基液(蒸餾水、乙醇)和自制TiO2納米顆粒的物理性質(zhì)如表1所示.

表1 基液(蒸餾水、乙醇)和TiO2納米顆粒的物理性質(zhì)

1.2 PHP的制備

為增加PHP的熱容量,對熱管的整體結(jié)構(gòu)進行設(shè)計,設(shè)計的PHP管材為銅,橫截面形狀為圓形.結(jié)構(gòu)參數(shù)如下:寬度為115 mm;蒸發(fā)端長度為45 mm;冷凝端長度為183 mm;內(nèi)徑為3.5 mm.根據(jù)設(shè)計尺寸完成熱管機械加工,然后在工質(zhì)(不同體積分數(shù)的TiO2納米流體)加入前,采用真空泵對熱管進行抽真空處理,并進行密封處理,最終得到TiO2納米流體PHP樣管.

1.3 試驗系統(tǒng)

為有效評估PHP的熱性能,搭建了PHP熱性能試驗臺,如圖1a所示.試驗系統(tǒng)主要由加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(SH-X型多路溫度測試儀及上位機)組成,數(shù)字萬用表用于測量輸入電壓和電流.為了驗證所設(shè)計的PHP作為純電動汽車鋰電池加熱器件的可行性和有效性,搭建包括加熱系統(tǒng)、環(huán)境模擬系統(tǒng)、充放電測試系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的熱管理試驗測試平臺,如圖1b所示.加熱系統(tǒng)主要包括電源和PHP.環(huán)境模擬系統(tǒng)主要指可控低溫冷藏柜,其溫度測試范圍為-65～30 ℃,最大溫度偏差為 2 ℃.充放電測試系統(tǒng)選用美國的Arbin-BT200,該設(shè)備輸入電壓為380 V,單通道最大充放電電流為 100 A,充放電電壓范圍為 0～8 V.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括計算機和SH-X型多路溫度測試儀,其測量精度為±0.1 ℃.測試期間,PHP蒸發(fā)端采用電加熱方式進行加熱,輸入熱功率以20 W的增量從30 W遞增至150 W,同時進行輸入電壓U和電流I的測量.熱管的溫度采集點為6個,3個布置在熱管蒸發(fā)端用T1-T3表示,其他3個布置在熱管冷凝端用T4-T6表示,如圖2所示.

圖2 T形熱電偶布置示意圖

以某電池生產(chǎn)商生產(chǎn)的68.00 A·h方形動力電池為試驗對象,該款電池的尺寸為29.3 mm×135.5 mm×185.3 mm,標稱電壓為3.20 V,充電截止電壓為3.65 V,放電截止電壓為2.50 V,理想工作溫度為-20～55 ℃,最大連續(xù)放電電流倍率為3.0 C,最大連續(xù)充電電流倍率為1.0 C.

1.4 PHP性能評價參數(shù)

通常PHP的熱性能由熱阻R來評價[14].熱管熱阻值越低,有效導(dǎo)熱系數(shù)越高,熱管熱性能和傳熱導(dǎo)熱性能越好.

1.5 試驗項目

為明晰TiO2納米流體對乙醇脈動熱管(乙醇-PHP)熱性能的影響,驗證所設(shè)計的TiO2-PHP加熱、導(dǎo)熱的有效性及可行性,進行了以下的試驗研究.

1)不同基液對PHP加熱效能的影響.基液是影響PHP加熱、導(dǎo)熱性能的重要因素,其性質(zhì)影響著熱管的啟動速率和導(dǎo)熱性能.為了判斷低溫環(huán)境下PHP的導(dǎo)熱性能,在不同加熱功率下,對乙醇與蒸餾水2種工質(zhì)為基液的PHP進行熱性能試驗測試,以研究基液對PHP啟動導(dǎo)熱性能的影響.

2)添加納米流體對PHP加熱效能的影響.工質(zhì)對PHP的熱性能有顯著影響,故設(shè)計添加體積分數(shù)為2%的TiO2納米流體、熱管充液率為50%的PHP,在不同加熱功率下,進行PHP熱性能試驗,以研究添加TiO2納米流體對乙醇PHP加熱、導(dǎo)熱性能的影響.

3)不同工作模式對加熱動力電池加熱效能的影響.動力電池在實際應(yīng)用中,具有充電和放電2種工作模式,為驗證所設(shè)計的TiO2-PHP對動力電池加熱的有效性,以最佳配比的TiO2-PHP為加熱元件,把TiO2-PHP在充電、放電模式下進行動力電池低溫預(yù)熱性能試驗,研究不同工作模式下TiO2-PHP用于加熱動力電池的可行性.在-10、-20、-30 ℃低溫下,對電池進行160 W的快速預(yù)熱,當電池表面溫度達到0 ℃后進行充放電試驗.將電池表面溫度在-10、-20、-30 ℃低溫下,加熱到0 ℃所需時間分別為513、841、1 065 s.放電試驗是將電池預(yù)熱后以0.5 C(怠速)進行放電,充電試驗是將電池預(yù)熱后,再在充電過程對電池進行20 W持續(xù)加熱,以維持在低溫充電過程,溫度保持在5 ℃以上.

4)典型運行工況對加熱動力電池加熱效能的影響.為驗證所設(shè)計TiO2-PHP作為動力電池加熱元件的可靠性,基于電動汽車實際運行中的駕駛需求,在-30 ℃的極寒溫度環(huán)境和1.5 C(加速)運行工況下進行試驗,研究TiO2-PHP在典型運行工況下是否仍具有良好加熱性能.電池首先經(jīng)過160 W的快速預(yù)熱,當電池表面溫度達到0 ℃后,進行20 W 恒定功率加熱保溫,以維持在低溫充電過程,溫度保持在0 ℃以上.在-30 ℃低溫下,電池表面溫度加熱到0 ℃所需時間為1 065 s

2 結(jié)果與討論

2.1 不同基液對TiO2-PHP熱性能的影響

為探究在低溫環(huán)境下,不同基液的PHP的導(dǎo)熱性能是否優(yōu)良,測試了以蒸餾水和乙醇作為基液時PHP的啟動時間、啟動溫度和熱阻值.啟動時間與啟動溫度的變化曲線如圖3所示,可以發(fā)現(xiàn)2種工質(zhì)熱管的啟動所需時間都隨著工作溫度的降低而增加.與蒸餾水脈動熱管(蒸餾水-PHP)相比,乙醇-PHP由于具有較短的啟動時間表現(xiàn)出更好的啟動性能;同時觀察到在不同溫度下,蒸餾水-PHP 啟動時蒸發(fā)端的溫度普遍高于乙醇-PHP.

圖3 蒸餾水-PHP與乙醇-PHP啟動時間與啟動溫度的變化曲線

不同基液PHP在不同加熱功率下的熱阻值如表2所示.

表2 不同基液PHP在不同加熱功率下的熱阻值 ℃/W

從表2可以看出:在從30～150 W的加熱過程中,不同溫度下PHP表現(xiàn)出不同的傳熱性能,隨著熱能輸入的增加,工作溫度的升高,乙醇-PHP和蒸餾水-PHP熱阻呈現(xiàn)下降趨勢,并最終保持在較低水平,但在加熱功率低于100 W時,蒸餾水-PHP熱阻高于乙醇-PHP熱阻,當加熱功率高于100 W時,乙醇-PHP熱阻高于蒸餾水-PHP熱阻.導(dǎo)致此結(jié)果可能是如下原因:① 在較低溫度下,熱管需要更多的能量使工作流體發(fā)生相變而產(chǎn)生氣泡,同時管內(nèi)工質(zhì)溫度上升速度降低,需要更長時間達到啟動條件,說明隨著溫度的降低啟動更加困難.以蒸餾水為基液的PHP在低溫條件下工質(zhì)處于凝結(jié)狀態(tài),由結(jié)冰狀態(tài)到液態(tài)進而蒸發(fā)成氣泡的三相變化需要一定時間,而且水基PHP啟動過程需要更多的能量,水基PHP啟動時蒸發(fā)端的溫度普遍高于乙醇PHP.而乙醇PHP工質(zhì)處于液態(tài),其具有較快的溫升速率.較低潛熱的乙醇能夠加快工質(zhì)蒸發(fā)產(chǎn)生氣泡,并使得處于低溫的冷凝端加速破裂,使得PHP蒸發(fā)端與冷凝端容易產(chǎn)生壓力差.具有較高的飽和蒸氣壓有利于熱管的啟動,由于乙醇飽和蒸汽壓更高,導(dǎo)致溫度微小的上升可使壓力大幅度上升,使得工作流體獲得更大的驅(qū)動力.② 蒸發(fā)端的熱量輸入是流體運動的能量來源,當將熱量施加到蒸發(fā)端時,蒸發(fā)端中蒸汽壓力和溫度的增加驅(qū)動液體流動.在低于50 W的較低功率加熱時,熱量主要由液體柱塞的顯熱進行傳遞,液體流動緩慢,隨著功率的增加,蒸發(fā)端內(nèi)壓力增大,冷凝端壓力降低,液體柱塞在冷凝端的破裂使得柱塞-汽塞循環(huán)流動速率增加的同時,增加了由相變潛熱引起的熱傳導(dǎo),從而導(dǎo)致熱阻減小,熱管的熱性能顯著提高.

2.2 添加TiO2納米流體對PHP加熱效能的影響

為探究添加TiO2納米流體的乙醇用于PHP工作介質(zhì)時,PHP熱性能優(yōu)良與否,基于本課題組之前研究[15],在體積分數(shù)為2%的工質(zhì)和50%充液率條件下,可實現(xiàn)水基閉環(huán)脈動熱管對鋰電池的良好散熱性能,本試驗利用PHP熱性能試驗臺,測試了是否添加TiO2納米流體的2種乙醇PHP熱阻值,結(jié)果如圖4所示.

圖4 不同工質(zhì)PHP熱阻變化曲線

從圖4可以看出:由于TiO2納米流體的加入,使得PHP的熱阻值明顯降低,熱管傳熱、導(dǎo)熱能力得到明顯加強;隨著加熱功率的增加,PHP的熱阻值持續(xù)減小,熱阻值越低,PHP傳熱、導(dǎo)熱能力越優(yōu)秀,代表著越多的熱量通過熱管被傳遞.結(jié)果表明:與傳統(tǒng)工質(zhì)相比,添加TiO2納米流體后可使得PHP的熱阻值明顯降低,熱管傳熱、導(dǎo)熱能力得到明顯加強.究其原因,主要是由于在2%TiO2較低體積分數(shù)下,隨著熱量的增加,PHP 管壁附近的液體過熱而蒸發(fā),在存在活性成核位置的地方形成氣泡.氣泡傳遞通過加熱其表面附近的液體來改變相變并增加對流傳熱.同時,由于氣泡聚結(jié)和氣泡坍塌現(xiàn)象導(dǎo)致大量流體局部攪動,極大地增強了成核沸騰區(qū)域的傳熱系數(shù),然而隨著體積分數(shù)增加,納米顆粒過量沉積引起的熱阻會增加,導(dǎo)致納米顆粒的傳熱系數(shù)降低.另外,當體積分數(shù)為2%TiO2在較低的填充率下,充液量小不能產(chǎn)生足夠的蒸汽驅(qū)動熱管啟動,同時乙醇納米流體工質(zhì)具有較低的潛熱,使得管內(nèi)工質(zhì)更容易出現(xiàn)干涸.而當充液率較大(50%充液率)時,熱管的啟動時間延長,這是由于熱管中液體含量增多,熱管啟動過程需要積累更多的能量,使熱管產(chǎn)生足夠的能量推動工作流體的運動.因此,選用體積分數(shù)為2%的TiO2-乙醇納米流體,在50%充液率下可獲得最佳低溫性能的PHP.

2.3 TiO2-PHP在鋰電池充/放電模式下的測試

為驗證TiO2-PHP的熱性能,進行了TiO2-PHP用于鋰電池不同工作模式(充電、放電)下低溫預(yù)熱性能測試,不同環(huán)境溫度下電池經(jīng)過預(yù)熱后充/放電的電壓-容量曲線如圖5所示.

圖5 不同溫度下電池加熱充/放電電壓-容量曲線

從圖5可以看出:在-10 ℃條件下放電電壓平臺存在小幅提升,充電電壓存在大幅提升;當溫度分別為-20、-30 ℃時,在初始階段,由于其經(jīng)過預(yù)熱,電池內(nèi)部鋰離子活性增強,在初始放電狀態(tài),放電平臺電壓處于較高水平,放電平均電壓分別由-20 ℃下的2.90 V提高到3.00 V,-30 ℃時由2.79 V提高到3.10 V,其放電容量均有大幅提高,電池在-30、-20、-10 ℃下的放電容量分別為46.62、50.88、56.38 A·h.電池在溫度分別為-30、-20、-10 ℃下均可實現(xiàn)恒流充電,同時恒流充電容量得到顯著提高,其充電容量分別為51.28、56.38、62.91 A·h.究其原因,主要是在-10 ℃條件下經(jīng)過預(yù)熱后的電池,其與外界交換能量損失小,經(jīng)過預(yù)熱后的電池處于較高的溫度,電解液由固態(tài)或半固態(tài)轉(zhuǎn)為液態(tài),鋰電池內(nèi)部電解液擴散能力得到提高,隨著放電的進行其內(nèi)部少量產(chǎn)熱能夠維持電池在一定的溫度,而在極端環(huán)境溫度下(-20、-30 ℃),在初始階段由于其經(jīng)過預(yù)熱,其電池內(nèi)部鋰離子活性增強,使得在初始放電狀態(tài)其放電平臺電壓處于較高水平.但是,鋰電池長期在嚴寒環(huán)境下,其電池本身及電池放電產(chǎn)生熱量大量散失,導(dǎo)致電池溫度仍然出現(xiàn)大幅下降,在隨后放電過程中導(dǎo)致電池內(nèi)阻增大,出現(xiàn)容量損失.

2.4 TiO2-PHP在鋰電池典型工況下的性能測試

為驗證此TiO2-PHP在動力電池實際應(yīng)用中作為加熱元件的可行性,在環(huán)境溫度為-30 ℃、放電倍率為1.5 C的典型工況下,對TiO2-PHP用于動力電池低溫預(yù)熱進行性能測試.典型工況下預(yù)熱/未預(yù)熱電池的容量如表3所示.

表3 -30 ℃、1.5 C工況下的放電電池容量

從表3可以看出:電池未經(jīng)預(yù)熱時,電池容量為0 A·h,經(jīng)加熱后,電池可以持續(xù)進行放電,其放電容量最終可達61.56 A·h.放電電壓平臺先下降后上升.這是由于隨著放電的進行,電池出現(xiàn)大量熱量散失,電池放電電壓開始下降,隨著熱管加熱組件開始加熱,電池溫度開始升高,電池內(nèi)部鋰離子擴散速率得到提升,電池電壓平臺開始上升.

預(yù)熱后進行保溫加熱主要是因為在-30 ℃的低溫條件下,經(jīng)過預(yù)熱的電池放電后溫度仍會下降,影響電池放電性能.同時,熱管啟動具有一定延遲性,熱管加熱過程余熱導(dǎo)致電池表面溫度超高,使得電池在加熱過程出現(xiàn)大幅度的溫度變化,不利于電池的健康運行,因此,在熱管加熱過程中需保持熱管溫度的穩(wěn)定,消除因熱管重復(fù)啟動的不利因素.為進一步延長動力電池在低溫條件下的續(xù)航里程,需要在電池放電過程中進行保溫加熱來提高電池的使用性能.

3 結(jié) 論

1)不同工質(zhì)對PHP熱性能試驗表明,乙醇具有較低潛熱與較高飽和蒸汽壓力,更適用于在寒冷低溫條件下的脈動熱管.

2)增加體積分數(shù)為2%、熱管充液率為50%的TiO2納米流體工質(zhì)后,PHP導(dǎo)熱系數(shù)增加,熱阻值降低,PHP加熱、導(dǎo)熱性能更加優(yōu)秀.

3)不同低溫環(huán)境(-30、-20、-10 ℃),電池不同工作模式(充電、放電)下,TiO2-PHP用于動力電池加熱管理性能測試表明:其放電容量可分別達到46.62、50.88、56.38 A·h,充電容量分別達到 51.28、56.38、62.91 A·h;通過TiO2-PHP預(yù)熱后的電池的容量得到顯著提高.

4)在環(huán)境溫度為-30 ℃、放電倍率為1.5 C的工況下,以TiO2-PHP作為加熱元件對鋰電池進行加熱管理,可實現(xiàn)由原來無法放電到放出61.56 A·h的提升.TiO2-PHP用于動力電池加熱管理的優(yōu)秀表現(xiàn),展示了TiO2-PHP較好的傳熱、導(dǎo)熱性能,表明所設(shè)計的TiO2-PHP在純電動汽車動力電池加熱技術(shù)中的可應(yīng)用性.