動力電池冷熱雙向循環熱管理系統性能分析

梁坤峰，米國強，徐紅玉，董 彬，李亞超，王莫然

動力電池冷熱雙向循環熱管理系統性能分析

梁坤峰1，米國強1，徐紅玉2，董 彬1※，李亞超1，王莫然1

（1. 河南科技大學車輛與交通工程學院，洛陽 471003；2. 河南科技大學土木工程學院，洛陽 471003）

基于工質相變換熱和無泵循環思路，提出了一種動力電池冷熱雙向熱管理系統。以某款三元鋰電池為研究對象，試驗測試了冷熱雙向循環熱管理系統的散熱和加熱工況。結果表明：該系統能實現電池箱低溫工況加熱與高溫工況散熱的運行切換管理。散熱工況下，換熱板采用4根豎管比單根蛇形管的散熱能力強；冷凝器側強制風冷散熱與自然對流散熱相比，能將系統一換熱功率提高10%～44.2%，系統二換熱功率提高20%～48.6%；電池箱溫度為60 ℃時，自然對流散熱系統換熱板的最大溫差小于2 ℃，強制對流散熱系統換熱板的最大溫差小于1 ℃；在電池初始溫度25 ℃時，1C、2C、3C放電倍率下，放電結束強制對流散熱在能將8塊電池的平均溫度分別降低2.1、3.9、4.7 ℃。加熱工況下，多組試驗電池箱的升溫效果一致性較好。考慮車輛行駛中換熱板傾斜的影響，受制于工質的流量分配，散熱工況時溫度均勻性優于加熱工況。

電；儲能；系統設計；雙向循環熱管理；切換；相變換熱；熱虹吸；溫度均勻性

0 引 言

采用鋰電池作為動力源，可有效提高電池組的能量密度及其安全性能、使用壽命，不僅被用于電動汽車、飛機、潛艇、小型船只和航天器等高科技行業[1-2]，同時隨著現代智慧農業的快速發展，農用車輛電動化已成為國家重點發展的領域，相關應用研究亦得到格外關注[3]。

然而，電池作為動力電源使用時常產生大量熱量，加上更為復雜的農用車輛工作條件，以及電池組緊致的布置，不可避免會引起電池的熱堆積，造成其溫度超出最佳工作溫度區間，嚴重影響電池的性能甚至會直接導致電池的報廢。當前見諸報道的動力電池組熱管理系統研究主要集中在散熱方面，如農用車輛中的電池采用風冷散熱方式[4]，徐曉明等[5]對強迫風冷散熱條件下的電動農用車橫向電池包進行了研究。但是在高溫或者持續作業等特殊工況下，電池產熱的快速積聚容易導致電池包的熱失控，甚至發生燃燒或爆炸[6-7]，需要引入更好的熱管理方式，當前已經在電動汽車上使用的更為高效的散熱方式有液冷[8]、熱管冷卻[9]、相變材料冷卻等[10-13]。同時，由于鋰離子電池低溫充放電循環易造成不可逆的容量損失，在北方寒冷地區使用時，還需要考慮電池的加熱，受制于成本及空間限制，普遍采用（PTC, Positive Temperature Coefficient）加熱，雖設計簡單但耗電嚴重。因此，為了保證農用電動車電池組的使用壽命和安全性等指標，需要開發設計良好、行之有效，兼顧加熱與冷卻2種工況的動力電池組熱管理系統。

基于此，本文基于工質（制冷劑）相變換熱思路，結合液冷和熱管冷卻2種高效熱管理方式，利用液態工質吸熱氣化產生熱虹吸效應，作為熱管理系統循環的推動力，提出一種冷熱雙向循環熱管理系統，研究該系統的散熱與加熱熱管理特性。

1 裝置原理與電池產熱計算

1.1 雙向循環系統組成與原理

圖1為雙向循環熱管理系統圖，包括熱管理模塊A、數據采集模塊B和模擬熱源C。熱管理模塊由加熱棒、氣泡泵、單向閥、翅片管式冷凝器、前換熱板、導熱硅膠片組成，內部循環制冷劑。模擬熱源由溶液罐、恒溫箱、直流電源和循環水泵組成，內部流動乙二醇水溶液。數據采集模塊包括安捷倫34970A和T型熱電偶溫度傳感器（圖中圓點為測溫點）。為便于驗證冷熱雙向熱管理系統的工作性能，采用后換熱板替代動力電池，動力電池產熱量按電池產熱規律由模擬熱源等量生成。系統工作原理：散熱工況下，閥3和閥5打開，閥4關閉，待電池箱11穩定在設定溫度后，開啟循環水泵10。前換熱板下部管中積聚液態制冷劑。制冷劑選用R141b，在常壓下其沸點為32.1 ℃，屬于非可燃性液體，化學穩定性好。電池產熱后，其溫度與液態制冷劑之間建立溫差，制冷劑吸收后換熱板9的熱量氣化，氣體攜帶液態制冷劑提升進入冷凝器6，氣液兩相流體冷凝為純液態流至氣泡泵2，氣泡泵2的底部與前換熱板下部管道相通，以此完成工質循環。

加熱工況下，閥4打開，閥3和閥5關閉。氣泡泵2中的液態制冷劑吸收加熱棒1的熱量氣化，氣液兩相流體提升進入前換熱板，后換熱板9吸收前換熱板的熱量使電池箱11的溫度升高，前換熱板中的氣液兩相流體冷凝為液態，通過前換熱板下部管道回流至氣泡泵2，完成循環。

1.加熱棒 2.氣泡泵 3、4、5.單向閥 6.翅片管式冷凝器 7.（15）前換熱板（7-蛇管換熱器、15-立式直管換熱器） 8.導熱硅膠 9.后換熱板 10.循環水泵 11.電池箱（恒溫槽） 12.溶液灌 13.直流電源 14.數據采集系統

前換熱板循環制冷劑。考慮到回路熱管中多管蒸發器和單管蒸發器設計均可實現高效換熱[14]，將前換熱板設計成單根蛇形換熱板7系統一和4根立式直管換熱板15（與冷凝器距離由近及遠為豎管1、2、3、4）系統二2種結構，以此考察換熱板內工質氣化后，熱虹吸效應下，不同的循環驅動力及冷凝器不同散熱方式（自然、強制對流散熱），對該熱管理系統的影響。后換熱板循環來自恒溫箱（后文簡稱電池箱）的乙二醇水溶液。前后換熱板之間填充導熱硅膠，外部包裹保溫棉，保證熱量僅在換熱板之間傳遞。

電池箱產熱和耗熱量由乙二醇水溶液的熱容量等量衡算，通過溫度變化計算出試驗系統的換熱功率，如式（1）所示。

1.2 電池產熱

鋰離子電池放電過程會產生大量的熱[17-18]，為此，以某三元鋰電池為研究對象，計算其放電產熱量，電池單體具體參數參考文獻[19]。目前，基于電池均勻產熱的假設，Bernardi等[20]提出的電池生熱速率模型，得到廣泛認同，該模型中電池內阻計算參考文獻[21-22]獲得，由此得到不同放電倍率下電池的熱特性，具體結果如表1所示，其中，放電倍率（C）代表電池放電電流與額定容量的比值。在相同的電池放電規律下，與李海君[19]實測的電池溫度相比，二者的最大誤差小于10%。

表1 不同放電倍率下電池熱特性參數

2 結果與分析

2.1 散熱工況

散熱工況下，研究電池箱設定溫度為40、50、60和70 ℃時，2種熱管理系統的散熱能力。圖2給出了電池箱設定溫度60 ℃時，熱管理模塊啟動后，各測溫點溫度變化曲線。圖2a、2b是系統一的溫度變化曲線，圖2c、2d是系統二的溫度變化曲線。由圖可知，散熱循環建立之前，系統各測溫點溫度均快速升高，循環建立后，各測溫點溫度均勻降低。在圖2a中約660 s時，制冷劑側溫度出現明顯波動，是因為系統一采用蛇形管換熱，氣液兩相制冷劑流通距離長，阻力大，且自然對流散熱與強制對流散熱相比，系統建立制冷劑循環需要克服更大的阻力。不斷積聚的制冷劑兩相混合物使系統溫度壓力不斷升高。當積聚的量足夠多，推動力足夠大，氣液兩相制冷劑通過冷凝器冷凝成為純液體，循環建立起來。而強制對流散熱時，氣液兩相制冷劑在冷凝器中能迅速冷凝，冷凝后的液態制冷劑受重力流動時又產生虹吸力加速循環，故在圖2b中未出現明顯波動。而在系統二中，4根換熱管供液充足，相同溫度下更有利于產生制冷劑氣體，提升力大，提高了系統的散熱能力，故圖2c和2d也未出現明顯波動。

表2是電池箱設定溫度為40 ℃、50 ℃和70 ℃時，3個狀態點的試驗參數。其中，電池箱開始試驗時為初始狀態，對應電池箱的初始溫度；達到電池箱設定溫度且系統穩定循環，即電池箱溫度開始下降時為穩定狀態，對應電池箱的穩定溫度，并記錄此時的時間；試驗結束時在結束狀態點測得電池箱的結束溫度。由表可知，電池箱設定溫度為40 ℃時，2個系統達到穩定的時間普遍較短，這是因為此時電池箱的溫度處于其合適工作溫度范圍，電池產熱量小，換熱板內的液態制冷劑吸熱，即可有效抑制電池溫升，熱量儲存在換熱板中的液態制冷劑中，并未建立循環。電池箱設定溫度為50 ℃時，系統達到穩定的時間較長，此時電池溫度升高，制冷劑吸熱形成熱虹吸效應，進而完成工質在系統內部的循環，才能有效散熱，而建立循環需要時間，因此系統達到穩定的時間較長。隨著電池溫度繼續升高，產生的制冷劑氣液兩相混合物量更大，建立循環更快，系統達到穩定的時間縮短，故在電池箱設定溫度為70 ℃時系統達到穩定循環的時間又縮短。表中，系統二達到穩定的時間均快于系統一，說明系統二更有利于工質熱虹吸效應的形成。

圖2 60 ℃時散熱電池箱溫度隨散熱時間變化曲線

Fig 2 Change curve of heat dissipation cell temperature with heat dissipation time at 60℃

表2 設定溫度40、50、60℃時實測電池箱3個狀態點參數

圖3為不同電池箱溫度，2個系統換熱功率變化曲線。由圖可知，隨電池箱溫度升高，系統換熱功率增大，且強制對流比自然對流換熱功率高。強制對流換熱功率與自然對流換熱功率相比，系統一提高10%～44.2%，系統二提高20%～48.6%，且系統二的自然對流換熱功率與系統一強制對流換熱功率幾乎相同，說明系統二散熱更好。

圖3 電池箱換熱功率隨電池箱溫度的變化曲線

2.1.1 溫度均勻性試驗

目前，電動汽車電池組主要通過換熱板傳熱進行換熱，而電池組的溫度均勻性受換熱板溫度的影響較大。行業通常要求動力電池組內部的溫差應不大于5℃[23]。

為探究散熱工況下，系統二中立式直管換熱板的溫度均勻性，在電池箱設定溫度為60 ℃時，在不同散熱形式下對系統二進行試驗，4根豎管的溫度變化曲線如圖4所示，圖4a是自然對流散熱，圖4b是強制對流散熱。由圖可知，初始溫度相同，試驗開始后，4根豎管溫度先劇烈升高并快速降低，而后緩慢上升至系統建立起穩定散熱循環，之后4根管溫度均勻緩慢降低，2圖變化趨勢相同。原因在于試驗剛開始時，系統內液態制冷劑吸收電池熱量快速產生大量制冷劑氣液兩相混合物，導致4根豎管溫度劇烈變化。循環建立之后，系統換熱達到動態平衡，隨著換熱時間增加，4根管溫度緩慢降低。圖4a中4根管溫度普遍高于圖4b，這是因為自然對流換熱速率較慢，系統內制冷劑氣液兩相混合物積聚較多，故溫度偏高。而強制對流散熱系統產生的氣液兩相制冷劑能很快冷凝，系統內流通性較好，溫度較低。自然對流散熱形式下，4根管溫度與平均值之差在正負1 ℃之內，強制對流散熱形式下，4根管溫度與平均值之差在正負0.5 ℃之內，均勻性較好。

圖4 不同散熱方式立式直管換熱板溫度變化

2.1.2 傾角試驗

考慮車輛實際行駛上下坡等路況，在強制對流散熱工況對系統二進行傾角試驗，溫度取60 ℃，傾角取15°，不同傾角下立式直管換熱板的4根豎管溫度曲線如圖5所示，圖5a為左傾15°，系統換熱功率為79.8 W；圖5b為右傾15°，系統換熱功率為81.2 W。與無傾角相比，換熱功率基本不變，區別是4根管溫差較大。這是因為有角度時，液體制冷劑在豎管內分布不均，產生的制冷劑氣體量有多有少，溫差較大。左傾時，大部分制冷劑積聚在氣泡泵部分，4根管內制冷劑液體很少甚至沒有，制冷劑氣體在豎管內無規律流動，豎管1與豎管3最大溫差達到11 ℃。右傾時，豎管4、3、2、1內制冷劑由多到少，導致每根管產生的制冷劑氣體量不同，溫度也不均勻，4根管在300 s時達到最大溫差15 ℃，平衡后溫差維持在4 ℃左右。說明傾角對系統溫度均勻性不利，需后期改進。

圖5 強制對流散熱不同傾角立式直管換熱板溫度變化

真實環境中車輛沖擊和顛簸對電池的瞬間放電要求，導致電池溫度快速上升，與本文熱管理系統相近的傳熱技術散熱研究，已有文獻報導。Tran 等[9]認為顛簸環境下，平板熱管的換熱效果不受影響；Connors等[24]試驗測試表明熱管在軍用車輛沖擊和顛簸條件下的熱性能沒有下降；Guo等[25]通過機械振動方式增加了矩形微槽潤濕面積，強化了微槽傳熱；由此，顛簸狀態下電池熱管理性能研究僅做傾斜狀態下的換熱效果分析。

2.2 電池箱加熱工況

圖6給出了2種系統加熱工況下各測溫點溫度變化曲線。圖6a為系統一的溫度變化曲線，加熱棒功率為150 W；圖6b為系統二的溫度變化曲線，加熱棒功率為54 W。由圖可知，加熱開始后，制冷劑側溫度迅速升高，溶液側溫度隨之均勻上升。圖6a在500 s左右制冷劑進出口溫度達到平衡并緩慢升高，進出口溫差維持在30 ℃左右，電池換熱功率約為80 W，與加熱棒功率相差較大，原因是加熱棒放置在套管中，熱量損失較大，故功率較低。圖6b在300 s左右制冷劑進出口溫度達到平衡并緩慢升高，進出口溫差維持在15 ℃左右，電池換熱功率約53.7 W，與加熱棒功率基本吻合，這是因為系統二加熱棒與制冷劑直接接觸，熱量不存在耗散。圖6b達到平衡的時間、制冷劑進出口溫度及溫差均低于圖6a，是因為立式直管換熱器采用4根豎管布置，流道縮短，換熱效率高，故整體溫度低且平衡建立較快。

圖6 不同系統加熱工況電池箱溫度變化

圖7為使用系統二對電池箱進行加熱時，不同電池箱初始溫度，系統二中立式直管換熱板4根豎管溫度變化曲線。圖7a、7b、7c、7d的電池箱初始溫度分別為-5、0、5、25 ℃。由圖可知，豎管1溫度升高最快，豎管2、3、4依次隨之。這是因為系統整體溫度較低時，高溫制冷劑氣體在先接觸的豎管流通并換熱，當前排的豎管溫度升高后，多余的高溫制冷劑氣體才會進入后排豎管，隨著加熱時間增加，4根豎管溫度逐漸趨于均勻。

2.3 全工況測試分析

通過前文的試驗分析，發現熱管理系統二在加熱與散熱方面的換熱效果均優于熱管理系統一，因此，使用系統二對電池箱進行加熱和散熱連續試驗，如圖8所示。

圖8為使用系統二對電池箱進行加熱和散熱連續試驗，電池箱溫隨時間變化曲線。電池箱初始溫度為0 ℃，熱管理系統先對電池箱加熱，加熱功率為54 W，加熱過程中電池不放電，當電池箱溫度達到25 ℃時停止加熱，之后將熱管理系統切換至散熱工況，電池箱開始放電至放電結束。電池箱散熱的熱量為8塊前述電池的產熱量，由此獲得基于系統二的動力電池加熱與散熱全工況測試。相同加熱功率下，9組試驗電池箱達到25 ℃的時間均在3 050～3 150 s；全工況試驗結束后，可以發現3種放電倍率下，電池箱溫度無散熱時最高，自然對流散熱居中，強制對流散熱最低；與無散熱相比，1C放電倍率下強制對流散熱能將電池箱平均溫度降低2.1 ℃，2C放電倍率下強制對流散熱能將電池平均溫度降低3.9 ℃，3C放電倍率下能將電池平均溫度降低4.7 ℃。

圖7 初始溫度對豎管溫度均勻性的影響

圖8 全工況測試

3 結 論

1）基于工質相變的飽和壓力-飽和溫度關系，利用熱虹吸原理，構建的動力電池冷熱雙向熱管理系統，能實現電池箱加熱與散熱工況的運行切換，實現電池箱溫度的管理。

2）電池箱散熱工況下，雙向熱管理系統的散熱能力隨電池箱溫度的升高而增大，對2種換熱板結構而言，冷凝器側強制對流散熱均比自然對流散熱時有更好的散熱特征，且采用4根立式直管換熱板也明顯比單根蛇形管換熱板的散熱能力更強。

3）電池箱加熱工況下，氣泡泵內工質吸熱能有效形成熱虹吸效應，工質在系統內的循環更為流暢，相同加熱功率下，電池箱達到設定溫度的時間一致性較好。

4）無傾斜角度時，相對于加熱工況來說，4根豎管的溫度均勻性在散熱工況下較好，即換熱板的最大溫差小于2 ℃；而處于傾斜狀況下，由于工質的流動特征，其在4根豎管內的流量分配不均，致使其溫度均勻性受到較大影響。

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Performance analysis of power battery cooling or heating two-way cycling thermal management system

Liang Kunfeng1, Mi Guoqiang1, Xu Hongyu2, Dong Bin1※, Li Yachao1, Wang Moran1

(1.,,471003,; 2.,,471003,)

Green energy and clean vehicles have triggered the power improvement of electric vehicles, as most agricultural machine equipment are becoming much more electric. Large-scale battery and high current discharge have gradually served as a power supply, leading to the formation of much heat during rapid charge and discharge cycles at high current levels. Therefore, it is inevitable to cause the thermal accumulation in batteries, thereby to exceed the optimal operating temperature range, particularly in agricultural vehicles with the more complex working conditions and the compact layout of battery packs. An appropriate strategy of thermal management is necessary to control the battery temperature within a reasonable temperature range. In this study, a thermal management system of power battery was presented with cooling or heating functions, using the techniques of phase-change heat transfer and pump-free circulation. Taking ternary lithium batteries as the research objects, the two-way working modes of thermal management system were tested under cooling or heating conditions, thereby to investigate the influence of inclination angle on heat dissipation and temperature uniformity. In the case of cooling, the cooling capacities of two thermal management systems were studied under natural and forced convection cooling conditions, when the initial temperature of battery box was set as 40 ℃, 50 ℃, 60 ℃ and 70 ℃. In the case of heating, the heating capacities of two thermal management systems were also studied, together with the initial temperature of different batteries, and the heat exchange uniformity of two thermal management systems. The results showed that the proposed system can realize the switching operation management of cooling and heating in two-way modes, based on high or low temperatures. Specifically, the switch of thermal management can be implemented by controlling the opening and closing of the valve at the preset temperature. Under the cooling condition, the heat dissipation capacity of heat exchanger plate with four vertical tubes was stronger than that of the single serpentine tube. Compared with natural convection, forced convection on the condenser side can increase the heat transfer power of system 1 by 10%-44.2%, and system 2 by 20%-48.6%;When the temperature of battery box was 60 ℃, the maximum temperature difference of heat exchange plate was less than 2 ℃ in the natural convection heat dissipation system, whereas less than 1 ℃ in the forced convection heat dissipation system. At an initial battery temperature of 25 ℃ and the discharge rates of 1C, 2C, and 3C, the forced convection heat dissipation at the end of discharge can reduce the average temperature of battery box by 2.1 ℃, 3.9 ℃, and 4.7 ℃, respectively. Under the heating condition, the power of battery box was consistent in many groups of experiments. The flow distribution of working fluid can be confined, considering the tilting effect of heat exchanger plate in the vehicle driving, indicating the temperature uniformity was better than that in the heating dissipation condition. The findings demonstrated that two systems of thermal management can provide better heat transfer in the complex agricultural vehicles.

electricity; energy storage; system design; two-way thermal management; switch; phase change heat transfer; thermal siphon; temperature uniformity

梁坤峰，米國強，徐紅玉，等. 動力電池冷熱雙向循環熱管理系統性能分析[J]. 農業工程學報，2020，36(14)：114-120.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.14.014 http://www.tcsae.org

Liang Kunfeng, Mi Guoqiang, Xu Hongyu, et al. Performance analysis of power battery cooling or heating two-way cycling thermal management system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(14): 114-120. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.14.014 http://www.tcsae.org

2020-01-04

2020-06-10

國家自然科學基金項目（U1304521、51706060、51876055）；河南科技大學創新團隊資助（No.2015XTD004）

梁坤峰，博士，教授，主要研究方向為復雜多相系統建模、仿真與熱過程控制研究。Email：lkf@haust.edu.cn

董彬，博士，講師，主要研究方向為傳熱與傳質過程強化研究。Email：db8003@aliyun.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.14.014

TB61+1

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1002-6819(2020)-14-0114-07