一種磷酸鐵鋰動力電池熱管理系統實驗研究

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

一種磷酸鐵鋰動力電池熱管理系統實驗研究

王子緣， 張國慶， 吳偉雄， 邱駿光， 楊懿政
(廣東工業大學，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壽命。

翅片熱管；散熱；電池模塊；循環壽命

隨著電動汽車的快速發展，電動汽車電池安全問題受到了廣泛關注。在鋰離子電池運行工況下，隨著外界熱和電擾動，放熱反應不斷進行，溫度不斷上升，當達到電池內部特定材料的相應溫度點時會激發新的放熱反應，從而使溫度繼續上升，如圖1所示[1]。無節制地使用鋰離子電池嚴重影響其充放電性能和循環壽命，導致燃燒、爆炸等熱安全問題，制約了電動汽車用鋰離子電池的發展。電池熱管理，是根據溫度對電池性能的影響，結合電池的電化學特性與產熱機理，基于具體電池的最佳充放電溫度區間，通過合理的設計，在材料學、電化學、傳熱學、分子動力學等多學科多領域基礎上，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[2]。其熱管理系統可分為三大類：采用空氣冷卻的熱管理系統，采用液體介質的熱管理系統，采用相變材料(PCM)的熱管理系統。本文主要采用翅片熱管追加風道對實驗模塊進行不同放電工況下的數據采集和分析[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。控制體是一個質量和能量都能通過其表面的空間區域，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，其數學表達式為：

圖1　動力電池安全問題示意圖

式中：cp為電池自身的比熱，其數值與電池內部材料有關，J/kg·℃；h為電池模塊外部流體的對流傳熱系數，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構復雜，視為各向異性，導熱非常復雜，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，引入二維穩態、不可壓縮流體對流換熱過程的數學描述[4]：

質量守恒定律：

動量守恒定律：

能量守恒定律：

對流換熱系數方程：

上述理論依據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，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，提高空氣側對流換熱系數，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翅片都能達到積極效果，普通情況下選用和設計翅片時應遵循的原則為：(1)翅片內部導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

熱管在實現量轉移的過程中，包含了以下6個互相關聯的主要過程[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)液體在蒸發段內的液-汽分界面上蒸發；

(3)蒸汽腔內的蒸汽從蒸發段流到冷凝段；

(4)蒸汽在冷凝段內的汽-液分界面上凝結；

(5)熱量從汽-液分界面通過吸液芯、液體和管壁傳給冷源；

(6)在吸液芯內由于毛細作用使冷凝后的工作液體回流到蒸發段。

熱管在工質發生相變的方向上有很高的導熱系數，對電池散熱起到不可低估的作用。本文根據電池的規格參數以及充放電性能，選擇了表1中3種規格的重力熱管。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? / 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 ??? ?/?

根據電池模塊的設計與技術要求，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)，一組為傳統自然對流冷卻(模塊A)，第二組為本文設計的翅片熱管冷卻模塊(模塊B)，第三組在模塊B的基礎上，結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驅動)(模塊C)，如圖4、圖5、圖6所示。

2.2實驗測試

需要的設備有：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，FLUKE萬用表115型，動力電池模塊(12.8 V/10 Ah)。

為了實驗數據的精確性和可靠性，每次放電結束后，應等電池模塊恢復常溫，電壓恢復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表示串聯模塊正、負極處的電池溫度，T3、T4表示串聯模塊中間環節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

對比以上數據可清晰得出，追加風道后電池產熱通過熱管內部工質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散熱起到不可忽視的作用。

通過數據的對比，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結構平衡，對電池的性能以及循環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。