脈動熱管用于電動汽車鋰電池散熱性能試驗

陳萌，李靜靜

（東北林業大學交通學院，黑龍江哈爾濱150040）

目前，新能源汽車已成為當今大氣環境污染及石化資源短缺問題的解決方案之一，其中純電動汽車以其無污染、低噪聲、結構簡單等優勢成為新能源汽車發展的主要方向[1-2]。在純電動車的發展過程中，鋰電池以自身具有的高比能量、長壽命、無記憶效應等優勢[3]被公認為是目前電動汽車的最佳動力源。然而在實際應用過程中，車輛需要在不同工況下運行，這一過程導致了大量的熱量產生，形

成了熱量的積累，進而造成鋰電池溫升增加和表面溫度均勻性變差的現狀，這種情況顯著地影響了鋰電池作為電動汽車動力源的使用性能和循環壽命，嚴重時還會導致出現熱失控，甚至燃燒、爆炸等安全問題[4]。因此，有效的鋰電池散熱技術是解決電動汽車車用鋰電池散熱問題的關鍵。當前常見的電池散熱技術包括風冷[5-7]、液冷[8-10]、相變材料冷卻[11-13]、熱管散熱等[14-16]。其中風冷簡便可行、安裝方便而被廣泛使用，但是空氣作為冷卻介質，傳熱效率低，冷卻速度慢，受環境溫度影響較大[17]；液冷與風冷相比，通常具有更高的傳熱系數和冷卻能力，但是液冷容易造成液體的泄露，并且管路的布置較為復雜，成本較高，系統維護和維修比較困難[18]。相變材料冷卻相比較以上兩種冷卻方式，由于其熱導率低、沒有足夠的長期熱穩定性、使用成本高和熔化膨脹可能導致泄漏等問題，極大地限制了其在電動汽車上的廣泛應用[19-20]。而熱管作為高效的熱傳導裝置，是較為理想的電動汽車車用動力電池的散熱器件。但在目前的應用中，熱管工質多以熱導率較低的水、乙醇、丙酮等為主，限制了熱管的高效散熱性能的應用，而且動力電池在非穩態運行條件下，常規熱管已無法滿足大功率下對動力電池快速散熱的要求。因此，采用納米流體為工質[21]的脈動熱管，引起了人們的廣泛關注。納米流體是納米顆粒與傳統工質混合形成的懸浮液。由于納米顆粒的加入，強化了熱管工質的傳熱換熱能力[22-24]。同時，當脈動熱管蒸發端與冷凝端的溫度存在一定差值時，脈動熱管的固有結構會使管內的汽塞和液塞迅速以較高的振幅在管內來回振蕩，從而迫使汽塞和液塞來回通過蒸發端和冷凝端，進而達到高效傳熱換熱的目的。為此，本文利用納米流體高傳熱性能，設計了一款以TiO2納米流體為工質的閉環脈動熱管（TiO2-CLPHP）來提升熱管的高效散熱性能，并以該TiO2-CLPHP為核心元件來構建電動汽車車用鋰電池散熱管理器件，并在實用環境下進行了相關散熱性能試驗研究。

1 材料和方法

1.1 材料制備

1.1.1 納米流體

本文采用兩步法制備TiO2納米流體樣品。首先在室溫（25℃）條件下，以鈦酸丁酯、無水乙醇等為基礎原材料，采用溶膠-凝膠法自制粒徑為10～20nm的銳鈦型TiO2（如圖1所示）；其次，將制備的TiO2顆粒分散到蒸餾水中，并使用磁力攪拌器（T09-1S、600W、100～1600r/min）與超聲波振蕩設備（UP100H、100W、30kHz），分別進行30min分散攪拌，完成納米流體樣品（如圖2所示）的制備。

圖1 納米TiO2的透射電鏡（TEM）圖

圖2 TiO2納米流體樣品實物圖

1.1.2 熱管

脈動熱管采用銅質材料制成，內徑6mm，壁厚1mm，轉彎數為5（以便滿足對鋰電池的散熱需求），總長度290mm，其中蒸發端和冷凝端長度分別為172mm、118mm。同時為了加強散熱，在冷凝端安裝矩形翅片以增加散熱面積。矩形翅片的長、寬分別為44mm、23mm，厚度0.5mm，間距1.5mm，根據冷凝端長度，每列安裝30片翅片，3列共90片。在工質（TiO2納米流體）加入前，先用真空泵對熱管進行抽真空操作，而后注入TiO2納米流體，并進行相關的密封操作。

1.2 試驗系統

為了驗證所設計的TiO2-CLPHP作為純電動汽車鋰電池散熱器件的可行性和有效性，以某電池生產商提供的68A·h方形磷酸鐵鋰電池為試驗對象，配以Arbin電池測試系統、可控恒溫箱、溫度傳感器等元件搭建了完整的鋰電池散熱測試試驗臺（如圖3所示）。該試驗臺包括鋰電池測試系統及鋰電池溫度控制系統兩大部分。

圖3 鋰電池散熱測試試驗臺和電池散熱模塊示意圖

（1）鋰電池測試系統

鋰電池測試系統主要由硬件Arbin電池測試系統和軟件MITSPro控制系統兩個子部分組成。試驗過程中，利用MITSPro控制系統設置電池在不同的恒壓、恒流及循環工況下的充、放電的設置與狀態監測。同時，利用T型熱電偶傳感器（量程-200～350℃，測量精度±0.5℃）分別對單體電池的4個區域（負極附近、正極附近、電池表面中心、電池表面下端邊緣，分別用T1、T2、T3、T4表示）及TiO2-CLPHP的蒸發端和冷凝端區域（TiO2-CLPHP蒸發端和冷凝端測溫點，分別用T5、T6、T7和T8、T9、T10表示）進行溫度監測。

（2）鋰電池溫度控制系統

鋰電池溫度控制系統主要包括可控恒溫箱和鋰電池散熱組件（主要包含鋁制集熱板、夾具、脈動熱管、鋰電池）?？煽睾銣叵涞墓ぷ鳒囟葹?～65℃，測量精度為±0.5℃。試驗過程中，可控高低溫恒溫箱用于模擬鋰電池的實際工作（環境）溫度，而鋰電池散熱組件負責進行電池的散熱、冷卻。

1.3 試驗項目

基于納米流體熱管高效相變傳熱機理，通過試驗對不同條件下鋰電池的放電測試，以獲得鋰電池在模擬實際工作中的溫度變化規律，進而驗證TiO2-CLPHP在純電動汽車電池散熱管理應用中的可行性和有效性，為此進行以下的試驗測試。

（1）不同工質配比

工質是熱管的核心部分，其濃度配比和對熱管的填充率決定著熱管的傳熱能力。故在1C放電倍率下，依據相關研究文獻[25-28]，篩選不同的納米流體工質濃度（0、0.5%、1%、2%，質量分數，下同）和不同熱管充液率（50%、60%、70%、80%），進行脈動熱管熱性能試驗測試，以確定理想的TiO2-CLPHP工質配比，以期獲得TiO2-CLPHP的最佳熱性能。

（2）不同運行工況

電動汽車在不同工況（怠速——鋰電池以0.5C倍率放電、勻速——鋰電池以1C倍率放電、加速——鋰電池以1.5C倍率放電）下的運行，直接影響著鋰電池的產熱量。故在環境溫度25℃、不同運行工況（0.5C、1C、1.5C）條件下，采用最佳工質配比的TiO2-CLPHP對鋰電池進行散熱試驗研究，以驗證不同運行條件下TiO2-CLPHP用于鋰電池散熱管理的熱性能。

（3）不同路面條件

與水平路面相比，電動汽車在上坡和下坡駕駛條件下的應用是不可避免的，這會造成熱管相對于水平路面發生相對的位置傾斜，造成納米流體工質在熱管中的分配發生變化，影響熱管的導熱與散熱能力。普通道路坡度的等級通常低于10%（5.71°），公共道路已知的最大坡度為37%（20.31°）。故在環境溫度25℃、1C放電條件下，閉環脈動熱管電池散熱模塊以豎直方向為界線，分別向左、向右傾斜10°、20°，進行不同路面條件下，最佳工質配比的TiO2-CLPHP對鋰電池散熱性能影響的試驗，以驗證TiO2-CLPHP在不同路面條件（水平路面、上坡、下坡）下對鋰電池散熱管理的熱性能。

1.4 誤差分析

TiO2-CLPHP熱性能通常用熱阻（R）[29]來表征，其被定義為式(1)。其中，Te和Tc分別通過式(2)和式(3)計算得到。蒸發端加熱功率表示為式(4)。根據誤差傳遞理論，脈動熱管熱阻值（R）相對誤差可表示為式(5)。其中，蒸發端加熱功率Q的相對誤差（ΔQ）表示為式(6)。

在進行熱管蒸發端加熱測試時，利用隔熱性能良好的保溫棉來包裹熱管。另外考慮測試儀器的精度，采用Qu等[30]的計算方法，當冷凝段和蒸發段的最小溫差假定為5℃，熱阻的最大不確定度是5.6%。

2 結果與討論

2.1 不同工質配比對TiO2-CLPHP散熱效能的影響

圖4為不同濃度配比、不同充液率條件下TiO2-CLPHP的熱阻值的變化曲線。由圖可見，當工質濃度配比保持一定時，熱管充液率越高，TiO2-CLPHP的熱阻值越高，證明了較高的充液率帶來了較高的熱阻值，進而限制了TiO2-CLPHP的傳熱能力。而當熱管充液率保持一定時，隨著工質濃度配比的增加，各充液率下的TiO2-CLPHP熱阻值都出現不同程度地衰減降低，這一現象表明較高工質濃度配比加強了TiO2-CLPHP的傳熱能力。

圖4 不同工質濃度配比下TiO2-CLPHP的熱阻變化情況

通過以上的規律分析可以得出，為了實現TiO2-CLPHP傳熱效率的最大化，需選擇較高濃度的工質和較低的熱管充液率，以得到較小的TiO2-CLPHP熱阻值（即選用2%的濃度配比與50%的熱管充液率），出現以上結果的原因可從以下兩大方面加以解釋。

（1）納米材料濃度配比

隨著濃度配比的增加，TiO2-CLPHP傳熱能力逐步加強的原因可歸因于以下3個方面。首先，在蒸餾水中加入納米尺寸的TiO2顆粒時，由于范德華力作用，納米粒子的微運動使納米顆粒與液體之間的相互作用更為劇烈，導致TiO2納米流體傳遞的能量更多，提升了整體溶液的導熱性能；其次，在制備TiO2納米流體時通過適當的磁力與超聲分散，增強了納米粒子間的布朗運動和微對流，從而增強了整體溶液的導熱性能[31]。最后，隨著納米流體濃度的增加，TiO2納米顆粒數量增多，從而增加了其表面積和體積比率，進而增強了顆粒之間的碰撞，使其具備了更多的動能，促進了粒子運動，增強了整體導熱性能[32]。

（2）熱管充液率

隨著熱管充液率的加大，傳熱能力逐步減弱，主要原因為隨著充液率的增加，TiO2-CLPHP管道中的蒸汽量減少，使納米流體內部的剪切應力逐漸增大，造成納米流體黏度增大，這導致熱管內的壓力波動和驅動力減小，使脈動熱管內的TiO2納米流體流動從循環流動變為局部振蕩流動，導致傳熱性能減弱。

2.2 不同運行工況對TiO2-CLPHP散熱效能的影響測試

圖5給出環境溫度25℃、不同運行工況（0.5C、1C、1.5C）下鋰電池表面溫度及最大溫差隨放電時間的變化曲線。結果顯示，不同運行工況下，電池表面各區域溫度隨放電時間的增加逐漸增加。其中，0.5C放電倍率從放電開始到放電結束，鋰電池表面溫度始終保持在30℃之內，放電結束時電池表面最高溫度達到28.51℃；而1C、1.5C放電倍率在放電開始不久后，鋰電池表面溫度超過30℃，并且放電結束時電池表面最高溫度分別達到34.12℃、34.84℃。整個放電期間，電池表面最大溫差也會隨著放電倍率的增加而逐漸增大，但是最大溫差均未超過2.25℃，這表明在不同運行工況下，TiO2-CLPHP可保證鋰電池工作在合適溫度區間，且能保證良好的溫度均勻性。鋰電池在不同運行工況下表現出的溫度變化分布主要歸因于在小倍率（0.5C）放電時，電池產生的熱量相對較少，可以通過TiO2-CLPHP及時將熱量帶走，電池表面溫度相對較低，溫度分布均勻，能維持最大溫差小于0.7℃；隨著放電倍率的增加，電池產生的熱量主要以不可逆熱（歐姆熱和極化熱）為主，電池正負極區域溫度迅速升高，電池表面熱量通過TiO2-CLPHP蒸發段傳遞到冷凝端翅片，由于翅片面積有限，與空氣熱交換速度慢，散熱速度慢，熱量在電池表面累積，導致溫度相對較高，溫差相對較大達到2.25℃。概括而言，不同運行工況下，鋰電池用脈動熱管散熱時，電池表面溫度變化規律是由于鋰電池自身產熱和TiO2-CLPHP的散熱兩者遞進累加所致。

圖5 不同運行工況下電池表面溫度及最大溫差隨時間變化曲線

（1）鋰電池自身產熱

鋰電池的總產熱由可逆熱（反應熱）和不可逆熱（歐姆熱和極化熱）組成[33]。當電池在不同工況下放電時，可逆熱（反應熱）與電流成正比例關系[34]，不可逆熱（歐姆熱和極化熱）與電流的二次方成正比例關系[35]。因此在小負荷（0.5C）放電時，電池的總產熱主要以可逆熱（反應熱）為主，不可逆熱（歐姆熱和極化熱）為輔，故總熱量增加幅度較小，電池溫度升高較慢；但隨著電流升高，克服電池內阻而產生的不可逆熱會遠遠大于可逆熱，而在放電過程中占據主導地位，從而產生了大量的不可逆熱，使總熱量大幅度地增加，溫度升高較快。因此，隨著車輛工況（放電倍率）的逐漸增加，這一過程表現為單體電池表面呈整體升溫態勢。

（2）TiO2-CLPHP的散熱

隨著放電倍率的增加，鋰電池的產熱量逐漸增多，進而傳遞給TiO2-CLPHP的熱量也會逐漸增多。在較小產熱條件下，TiO2-CLPHP針對鋰電池表面熱量的傳遞仍以管材——銅為主；但當產熱逐漸增大后，TiO2-CLPHP針對鋰電池表面熱量的傳遞以管內工質為主[36]。在開始階段，較小的外部熱量吸收使工質中的納米粒子在基液水中的運動微弱，使TiO2納米流體導熱系數偏低[37]，TiO2-CLPHP整體傳熱、散熱效果一般，鋰電池表面溫升較快；但當進入穩定運行階段，較大的產熱量被工質吸收后，促進了TiO2及基液水的導熱系數的增加，但TiO2導熱系數的增幅會明顯大于水[38]。這使TiO2顆粒在基液中的布朗運動加強，增強了粒子之間的相互作用力[39]，使管內形成的汽-液塞震蕩幅度有較大變化，并加速從平衡位置向冷凝端移動，當移到冷凝端的橫向管道時，形成與豎向管道內的工質在冷凝端方向的相互連通。此種情況會使冷凝端液塞長度縮小，而蒸發端的汽塞長度增加，即出現環狀流的范圍不斷增加，從而優化熱管散熱性能，進而將更多的鋰電池表面熱量散掉，減弱了電池表面的溫升幅度，增大了蒸發端與冷凝端的溫差。

2.3 不同路面條件對TiO2-CLPHP散熱效能影響測試

圖6給出了環境溫度25℃、1C放電倍率條件下不同傾斜角度的鋰電池表面溫度隨時間的變化曲線。結果顯示，TiO2-CLPHP電池散熱模塊向左、向右不同角度（10°、20°）傾斜，電池表面各區域溫度變化趨勢與豎直角度（90°）相一致；不同傾斜角度下放電，TiO2-CLPHP電池散熱模塊保證鋰電池表面最高溫度不超過35℃，最大溫差不超過1℃；同時，不同傾斜角度下的鋰電池表面最高溫度均低于豎直角度下的鋰電池表面最高溫度，且其隨著傾斜角度的增加而降低。這表明電動汽車在不同路面條件下行駛時，TiO2-CLPHP均可以正常有效地運行，而且路面傾斜角度越大，電池散熱效果越高效。在不同路面條件下，TiO2-CLPHP展現了穩定高效的傳熱性能，保證對鋰電池的散熱性能不變，這歸因于在放電初期，鋰電池表面熱量累積催生TiO2-CLPHP啟動工作，TiO2-CLPHP傳熱散熱過程中隨著傾斜角度的增加（相對于豎直方向90°），重力在沿TiO2-CLPHP方向的分力變小，TiO2納米流體受重力分力影響變小，加速TiO2納米流體從蒸發端向冷凝端的流動，將熱量從蒸發端傳遞到冷凝端；此外，TiO2-CLPHP啟動后，在TiO2-CLPHP蒸發段管內形成汽-液塞，其中汽塞被液體薄膜包圍，隨著傾斜角度的變大，薄膜厚度可能會發生改變，影響著溫度變化；還有可能隨著傾斜角度的變化，TiO2-CLPHP內部汽塞-液塞重新分布，影響溫度變化。

圖6 不同傾斜角度下電池表面溫度隨時間變化曲線

3 結論

基于TiO2-CLPHP的高導熱性能，以某電池生產商提供的68A·h方形磷酸鐵鋰電池為試驗對象，設計了電動汽車用鋰電池散熱管理模塊，搭建了完整的鋰電池散熱測試試驗臺，并進行了不同工質配比、不同運行工況、不同道路條件下的電動汽車車用鋰電池散熱性能試驗，得到如下結論。

（1）在不同工質配比條件下，熱管配以較高的充液率，帶來了較高的熱阻值，進而限制了TiO2-CLPHP的傳熱性能，而較高工質濃度配比加強了TiO2-CLPHP的傳熱性能，故恰當的工質配比決定了脈動熱管傳熱的可靠性和有效性。試驗結果表明，2%的工質濃度和50%充液率，可實現該設計TiO2-CLPHP傳熱性能的最優化。

（2）在不同運行工況（0.5C、1C、1.5C）、環境溫度為25℃時，以TiO2-CLPHP作為散熱元件對鋰電池進行散熱管理，鋰電池表面溫度和最大溫差隨著放電倍率的增加而增加，在放電結束時刻，鋰電池表面最高溫度分別為28.51℃、34.12℃、34.84℃，且在放電期間，鋰電池表面最大溫差不超過2.25℃，表明TiO2-CLPHP可用于鋰電池散熱管理，并能保證鋰電池擁有合適的工作溫度和良好的溫度均勻性。

（3）在不同路面條件下，利用TiO2-CLPHP為鋰電池進行散熱管理，TiO2-CLPHP保證鋰電池表面各區域溫度變化趨勢與豎直角度相一致，有效地控制鋰電池表面最高溫度不超過35℃，最大溫差不超過1℃，表明在不同路面條件下，TiO2-CLPHP用于鋰電池散熱管理運行穩定可靠，傳熱散熱理想，而且路面傾斜角度越大，電池散熱效果越高效。

符號說明

I—— 脈動熱管蒸發端加熱輸入電流，A

Q——脈動熱管蒸發端加熱功率，W

R——脈動熱管熱阻，℃/W

T5、T6、T7——脈動熱管蒸發端各測點處溫度，℃

T8、T9、T10——脈動熱管冷凝端各測點處溫度，℃

Tc——脈動熱管冷凝端平均溫度，℃

Te——脈動熱管蒸發端平均溫度，℃

U——脈動熱管蒸發端加熱輸入電壓，V