動(dòng)力電池雙向熱管理系統(tǒng)性能分析與優(yōu)化

梁坤峰，米國強(qiáng)，徐紅玉，高春艷，董彬，李亞超，王莫然

（1河南科技大學(xué)車輛與交通工程學(xué)院，河南洛陽 471003；2河南科技大學(xué)土木工程學(xué)院，河南洛陽 471003）

引 言

電動(dòng)汽車因其高效、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)得以迅速發(fā)展[1-2]。為提高電動(dòng)汽車的續(xù)航里程，高能量密度的電池被廣泛使用[3]。這些電池在高倍率的工作過程中產(chǎn)生大量熱量，促使電池溫度升高[4-5]。通常，電池的最佳工作溫區(qū)為20～45℃，高于或者低于這個(gè)溫區(qū)均會(huì)導(dǎo)致電池性能衰退，甚至影響電池安全[6-7]。因此有必要采用合理的熱管理方式來控制電池溫度。

目前，已經(jīng)在電動(dòng)汽車上使用的散熱方式有風(fēng)冷[8-9]、液冷[10-11]、直冷[12-13]、熱管冷卻[14-15]、相變材料冷卻[16-17]等。風(fēng)冷散熱出現(xiàn)最早，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，但無法滿足目前高容量的電動(dòng)汽車的散熱需求。液冷散熱目前使用比較廣泛，能夠較好控制電池溫度，但系統(tǒng)復(fù)雜，有漏液風(fēng)險(xiǎn)，且循環(huán)水泵嚴(yán)重耗能。直冷散熱能夠迅速降低電池溫度，但電池間溫差較大，需要部件較多，系統(tǒng)昂貴。熱管冷卻和相變材料等散熱方式效果比較理想，但多處于理論研究。加熱方式目前普遍采用PTC電加熱，少部分采用熱泵空調(diào)，耗能嚴(yán)重[18-19]。兼顧電池低溫加熱和高溫散熱的熱管理系統(tǒng)僅在特斯拉Model 3系列車型上有使用，但要使用四通換向閥完成兩套系統(tǒng)的切換，控制系統(tǒng)復(fù)雜。

為滿足電動(dòng)汽車電池組的熱管理需求，本文提出一種集電池組加熱和散熱于一體的熱管理系統(tǒng)，系統(tǒng)依靠工質(zhì)相變后的熱虹吸效應(yīng)作為循環(huán)的推動(dòng)力，選用R141b作為循環(huán)工質(zhì)，常壓沸點(diǎn)為32.1℃，符合電池最佳工作溫度范圍，且非可燃，化學(xué)穩(wěn)定性好，其對(duì)臭氧層的破壞為R11的1/10，為全鹵代氟氯碳化合物的一種理想替代物[20]。文獻(xiàn)[20]研究了工質(zhì)定充注量時(shí)的熱管理性能，已有研究認(rèn)為多蒸發(fā)器回路系統(tǒng)的熱虹吸效應(yīng)受充注量的影響較大[21]，工質(zhì)熱虹吸效應(yīng)與系統(tǒng)換熱效率也有較大關(guān)聯(lián)[22]。為此，本文試驗(yàn)探究了該雙向熱管理系統(tǒng)的性能與換熱管型、充注量的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)所用的鋰電池參數(shù)見表1。試驗(yàn)系統(tǒng)包括：①精度為±0.1℃的DC-3006高低溫恒溫槽（電池箱）；②采集溫度和電壓的Agilent 34970A數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，不確定度為0.1%；③KANOMAX6004熱線風(fēng)速儀，量程為0.1～20.0 m/s，精度為±（5%+0.1 m/s）；④TPR-6420D直流穩(wěn)壓電源；⑤TDGC2接觸調(diào)壓器；⑥不確定度為0.2%的T型熱電偶，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集器采集之后，綜合不確定度為0.4℃；⑦量程0～4 MPa的壓力傳感器，不確定度0.2%，綜合不確定度為0.3%；⑧流量為6.5 L/min的循環(huán)水泵；⑨風(fēng)機(jī)。

表1 電池參數(shù)Table 1 Battery parameters

1.2 電池產(chǎn)熱

鋰電池放電過程會(huì)產(chǎn)生大量的熱[23-25]，初始溫度25℃時(shí)，電池在不同放電倍率下的熱特性參數(shù)如表2所示，放電結(jié)束，仿真得到的電池溫度與實(shí)測(cè)值在3C倍率下的誤差達(dá)到最大，且小于10%[20]。

表2 電池?zé)崽匦詤?shù)Table 2 Thermal characteristic parameters of battery

1.3 熱管理系統(tǒng)搭建

圖1為熱管理系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖。其中，所設(shè)計(jì)的熱管理系統(tǒng)由加熱棒1，氣泡泵2，冷凝器7，單向閥8、9、10和換熱板13、15組成，管路采用銅管，閥門處通過螺紋連接，其余部分均采用焊接連接。

圖1 系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematic diagramof experimental system

熱管理系統(tǒng)內(nèi)充注的制冷劑吸熱氣化，由于密度差作用形成熱虹吸效應(yīng)，導(dǎo)致制冷劑在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)流動(dòng)。具體工作流程為：加熱工況，閥9打開，閥8和閥10關(guān)閉，散熱工況則反之，兩種工況系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)流向如圖所示。加熱工況，氣泡泵2中的液態(tài)工質(zhì)吸熱氣化，產(chǎn)生高溫氣液混合物，沿管路進(jìn)入前換熱板13與后換熱板15換熱，電池箱18的溫度升高。散熱工況下，電池產(chǎn)熱溫度升高，前換熱板13中的液態(tài)工質(zhì)吸熱，產(chǎn)生高溫氣液混合物經(jīng)提升管提升，進(jìn)入冷凝器7，冷凝后回流至氣泡泵2，完成循環(huán)。

1.4 理論計(jì)算

電池箱換熱量由水的熱容量等量衡算，由電池箱的溫度變化計(jì)算出系統(tǒng)的換熱功率[20]

式中，P為系統(tǒng)換熱功率，W；Q為總換熱量，即電池產(chǎn)熱量，J；τ為試驗(yàn)時(shí)間，s；C為水的比熱容，J/(kg·℃)；m1為溶液質(zhì)量，kg；Δt為溶液溫度差，℃。

為保證系統(tǒng)的換熱效果，工質(zhì)至少要充滿換熱板的下排管路，此時(shí)系統(tǒng)內(nèi)液態(tài)工質(zhì)起到一個(gè)液封作用，系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的氣液兩相混合物只能沿著加熱或散熱工況的固定路徑流動(dòng)。最低充注量為：

式中，v1為氣泡泵內(nèi)工質(zhì)的體積，v2為下排管路中工質(zhì)的體積，mm3；ρ為工質(zhì)密度，1.227×10-3g/mm3。

2 試驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果分析

2.1 加熱工況

環(huán)境溫度為25～27℃。設(shè)定電池箱初始溫度分別為0℃和26℃，加熱棒功率為54 W。熱管理系統(tǒng)開始加熱即開啟循環(huán)水泵，3600 s結(jié)束試驗(yàn)。系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)最小充注量96.4 g。試驗(yàn)時(shí)，以充注量100 g為基礎(chǔ)，充注量每次增加20 g進(jìn)行試驗(yàn)。為探究該系統(tǒng)未達(dá)到最低充注量時(shí)的換熱效果，在充注量為60 g時(shí)進(jìn)行一組對(duì)比試驗(yàn)。系統(tǒng)充注量每增加20 g，換熱板內(nèi)液態(tài)工質(zhì)高度增加13 mm，如式（3）所示:

式中，r1為熱管理系統(tǒng)換熱板內(nèi)豎管的半徑，mm；r2為熱管理系統(tǒng)氣泡泵的半徑，mm。

2.1.1 充注量對(duì)系統(tǒng)換熱功率的影響 圖2為電池箱在不同初始溫度下系統(tǒng)換熱功率隨工質(zhì)充注量變化曲線。由圖可知，充注量小于100 g時(shí)，系統(tǒng)換熱功率隨充注量的增加而增大；充注量大于100 g時(shí)，隨充注量增加，系統(tǒng)換熱功率較為穩(wěn)定。原因是該系統(tǒng)的換熱須依靠工質(zhì)相變產(chǎn)生的熱虹吸效應(yīng)，未達(dá)到最低充注量時(shí)，液態(tài)制冷劑未能充滿最下排管，無法起到液封作用，氣液兩相混合物中無法固定流動(dòng)方向，難以形成有利于熱量轉(zhuǎn)移的熱虹吸效應(yīng)；反之，系統(tǒng)將具有穩(wěn)定的熱量轉(zhuǎn)移能力。

圖2 換熱功率隨工質(zhì)充注量的變化Fig.2 The heat transfer power varies with the charge of working fluid

圖3為充注量60 g時(shí)前換熱板的溫度壓力變化，圖3(a)為四根豎管的溫度變化，圖3(b)為工質(zhì)進(jìn)口處的壓力變化。由圖3(a)可知，初始階段4根豎管的升溫趨勢(shì)基本一致，但由于充注量不足，快速升溫后，液態(tài)工質(zhì)對(duì)4根管的補(bǔ)充量不一致，各管產(chǎn)生的熱虹吸效應(yīng)也不穩(wěn)定，致使距離回液管越遠(yuǎn)，升溫效果越差，豎管4的溫度始終較低，豎管3在2110 s之后溫度急劇下降。由于整個(gè)過程加熱棒功率一定，在固定空間內(nèi)持續(xù)加熱，必然導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)的溫度壓力仍將不斷升高，圖3(b)中壓力變化也表明了該趨勢(shì)。

圖3 前換熱板的溫度、壓力變化Fig.3 Change of temperature and pressure of the front heat exchange plate

2.1.2 充注量對(duì)系統(tǒng)換熱板溫度一致性的影響 加熱工況下，電池箱初始溫度設(shè)定26℃，隨著系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)充注量增加，前換熱板四根豎管溫度變化曲線見圖4。四根豎管溫度變化趨勢(shì)均是先迅速升高后緩慢上升。在圖4(a)中，前三根豎管的溫度較為一致,三根管的最大溫差約為3℃，第四根豎管的溫度偏低；圖4(b)中，四根豎管的溫度較為一致，最大溫差小于3℃。原因是固定加熱棒功率下，工質(zhì)吸熱產(chǎn)生的氣液兩相混合物的量是一定的。充注量每增加20 g，換熱板兩相區(qū)面積相比100 g充注量時(shí)縮減6.5%。在充注量為100～160 g時(shí)，吸熱產(chǎn)生的工質(zhì)氣液兩相混合物在前三根管內(nèi)及時(shí)冷凝，少量進(jìn)入豎管4；當(dāng)系統(tǒng)充注量達(dá)到180 g時(shí)，系統(tǒng)兩相區(qū)面積已減小26%，此時(shí)需更大的換熱面積才能使產(chǎn)生的氣液兩相混合物冷凝，故充注量為180～220 g時(shí)，四根管的溫度一致性較好。

圖4 不同充注量前換熱板四根豎管溫度變化曲線Fig.4 Temperature change curves of the four vertical pipes of the front heat exchange plate at different charge volumes

加熱工況下，由圖2已知充注量相同，電池箱在0℃時(shí)系統(tǒng)的換熱功率更高。當(dāng)工質(zhì)充注量為220 g時(shí)，不同電池箱初始溫度下電池箱溫度和工質(zhì)進(jìn)出口溫度隨時(shí)間的變化見圖5。電池箱初始溫度0℃和26℃時(shí)，對(duì)應(yīng)的工質(zhì)進(jìn)出口溫度差分別為7℃和12℃左右。原因是電池箱初始溫度越低，前后換熱板間的換熱溫差就越大，熱量轉(zhuǎn)移越容易，電池箱能及時(shí)吸收前換熱板的熱量，系統(tǒng)工質(zhì)的循環(huán)流動(dòng)能及時(shí)得到補(bǔ)充，相應(yīng)的工質(zhì)進(jìn)出口的溫差較小。而電池箱溫度較高時(shí)，系統(tǒng)需要更高的溫度才能實(shí)現(xiàn)電池箱的加熱，工質(zhì)進(jìn)出口溫度較高。隨著加熱時(shí)間增加，工質(zhì)側(cè)溫度不斷升高，但是其溫升速度低于電池箱的溫升速度，前后換熱板溫差逐漸減小，加熱效果變差。

圖5 不同電池箱初始溫度系統(tǒng)溫度變化Fig.5 The temperature change of the system at different battery box initial temperatures

總之，必須有一個(gè)最低充注量，以保證該系統(tǒng)的換熱效果。之后隨著充注量增加，換熱功率變化很小，但換熱板的溫度一致性會(huì)受影響。考慮實(shí)際僅在低溫環(huán)境下加熱，換熱板的溫度一致性較差。

2.2 散熱工況

散熱工況下，設(shè)定電池箱溫度分別為40、50、60、70℃，試驗(yàn)開始即開啟循環(huán)水泵，電池箱加熱至設(shè)定溫度后停止加熱，再經(jīng)過1800 s結(jié)束試驗(yàn)。

2.2.1 充注量對(duì)系統(tǒng)換熱功率的影響 圖6為兩種工況下，不同電池箱初始溫度時(shí)系統(tǒng)換熱功率隨工質(zhì)充注量變化曲線。圖6(a)為強(qiáng)制換熱，圖6(b)為自然換熱。對(duì)比可知，相同電池箱初始溫度和充注量，系統(tǒng)在強(qiáng)制散熱工況下的散熱功率更高。即強(qiáng)制散熱強(qiáng)化了冷凝器的換熱，冷凝后的液態(tài)工質(zhì)在重力作用下回流至系統(tǒng)最下部管路，在補(bǔ)充系統(tǒng)內(nèi)液態(tài)工質(zhì)的同時(shí)，會(huì)產(chǎn)生部分虹吸力，加快工質(zhì)循環(huán)，致使強(qiáng)制換熱功率更高。

圖6 系統(tǒng)換熱功率隨工質(zhì)充注量的變化Fig.6 The heat exchange power of the systemvaries with the refrigerant charge volume

強(qiáng)制散熱工況，電池箱初始溫度越高，系統(tǒng)換熱功率隨充注量的增加越大。這是因?yàn)橄到y(tǒng)在建立散熱循環(huán)的過程中，需要足量的氣液兩相混合物以克服管程阻力，電池箱初始溫度為40℃時(shí)，系統(tǒng)產(chǎn)生的氣液兩相混合物量不足，提升力較小，而在電池箱初始溫度為50、60和70℃時(shí)，電池側(cè)產(chǎn)熱較多，促使系統(tǒng)產(chǎn)生的氣液兩相混合物增多，增大了系統(tǒng)的提升力。同時(shí)隨著充注量增加，換熱管內(nèi)的工質(zhì)液面升高，提升的高度降低，阻力減小，所以電池箱初始溫度越高，系統(tǒng)換熱功率隨充注量的增加越大。

2.2.2 充注量對(duì)系統(tǒng)換熱板溫度一致性的影響 為保證電池使用安全，電池組單體間的最大溫差應(yīng)在10℃以內(nèi)[23-24]，大部分熱管理系統(tǒng)能將該溫差控制在5℃以內(nèi)，較好的熱管理系統(tǒng)能將該溫差控制在3℃以內(nèi)[26]，故需格外關(guān)注電池組的溫度一致性。

電池的溫度受換熱板的溫度影響較大，強(qiáng)制散熱工況，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，取前換熱板四根管中最高溫度和最低溫度的差值，不同電池箱初始溫度、不同充注量，四根豎管的最大溫差見表3。分析可知，同一充注量，隨著電池箱初始溫度升高，四根豎管的最大溫差逐漸增大。相同電池箱初始溫度，隨著充注量增加，四根豎管的最大溫差也逐漸增大，最大值超過5℃，一致性較差。

表3 強(qiáng)制散熱四根豎管的最大溫差Table 3 The maximum temperature difference of the four vertical pipes with forced cooling

3 熱管理系統(tǒng)優(yōu)化

研究表明，相同工質(zhì)充注量，換熱管高度越高，系統(tǒng)建立循環(huán)所需的提升力越大[27]。而電池包內(nèi)電池一般采用單層單列或者單層多列布置[28-29]，故在第二代系統(tǒng)基礎(chǔ)上，降低前換熱板高度，使其剛好與單塊電池高度相同。常見的氣泡泵的提升管均為圓管[30]，考慮到熱管理系統(tǒng)前換熱板與電池表面直接接觸，故前換熱板四根豎管采用圓管和矩形管兩種，圓管管徑為9.56 mm，矩形管為6 mm×12 mm×1 mm，分別對(duì)應(yīng)圓管換熱板系統(tǒng)和矩形管換熱板系統(tǒng)，如圖7所示。下集成管路采用8 mm管徑，以降低最小充注量。圓管換熱板系統(tǒng)的最低充注量為72.5 g，矩形管換熱板系統(tǒng)的最低充注量為67.9 g。

圖7 電池?fù)Q熱板示意圖Fig.7 Schematic diagram of battery heat exchange plate

強(qiáng)制散熱工況下，兩種換熱板系統(tǒng)的換熱功率隨工質(zhì)充注量的變化如圖8所示。相比原來的熱管理系統(tǒng)，優(yōu)化后的系統(tǒng)在不同溫度、不同充注量下，對(duì)應(yīng)的功率變化率如表4所示，正值表示相比原系統(tǒng)功率增加的百分比，負(fù)值表示相比原系統(tǒng)功率降低的百分比。

圖8 優(yōu)化后系統(tǒng)換熱功率變化曲線Fig.8 System heat transfer power change after optimization

表4 優(yōu)化后的系統(tǒng)換熱功率變化率Table 4 Optimized system heat exchange power change rate

分析圖8和表4可知，相同充注量下，圓管換熱板系統(tǒng)的換熱功率在電池溫度較低時(shí)有明顯增長，最高可達(dá)50.9%，在電池溫度較高時(shí)稍微降低；而矩形管換熱板系統(tǒng)的換熱功率僅個(gè)別溫度點(diǎn)有增長，大部分溫度下均降低，即前換熱板采用矩形管時(shí)，對(duì)換熱不利。

優(yōu)化后的圓管換熱板系統(tǒng)，不同工質(zhì)充注量、不同溫度下，前換熱板四根豎管的最大溫差見表5。對(duì)比表3可以發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的熱管理系統(tǒng)換熱板的溫度一致性明顯優(yōu)于原系統(tǒng)。

表5 優(yōu)化后強(qiáng)制散熱四根豎管的最大溫差Table 5 The maximum temperature difference of thefour vertical pipes with forced cooling after optimization

圖9為加熱工況，電池箱初始溫度為25℃，工質(zhì)充注量為80～220 g時(shí)，圓管換熱板系統(tǒng)前換熱板四根豎管溫度隨加熱時(shí)間的變化曲線。其中，豎管1、2、3溫度基本相同，豎管4溫度略低，四根豎管的最大溫差小于1.5℃，溫度一致性有較大提升。

圖9 圓管換熱板系統(tǒng)前換熱板四根豎管溫度變化Fig.9 Temperature changesof the four vertical pipesin the front heat exchange plateof circle tube

針對(duì)圓管換熱板系統(tǒng)，在工質(zhì)充注量220 g，電池初始溫度為25℃時(shí)，按照恒定倍率放電，熱管理系統(tǒng)散熱循環(huán)同時(shí)啟動(dòng)，結(jié)果如表6所示。相比原系統(tǒng)，優(yōu)化后的熱管理系統(tǒng)能夠更好地降低電池溫度。

表6 放電結(jié)束電池溫度Table 6 Battery temperature at the end of discharge

4 結(jié) 論

（1）加熱工況下，熱管理系統(tǒng)未達(dá)到最低充注量時(shí)，系統(tǒng)換熱功率隨充注量的增加而增加。達(dá)到最低充注量后，隨著充注量的增加，功率變化很小。考慮實(shí)際使用的低溫環(huán)境條件，僅增加充注量無法保證換熱板的溫度一致性，不利于實(shí)現(xiàn)電池箱的溫度均勻性。

（2）散熱工況下，強(qiáng)制換熱功率高于自然散熱，系統(tǒng)換熱功率隨電池箱初始溫度升高而逐漸增大，隨工質(zhì)充注量的增加而增大；相同充注量，隨著電池箱初始溫度升高，換熱板四根豎管的溫差逐漸增大；電池箱溫度不變，在40℃和50℃時(shí)，前換熱板四根豎管的最大溫差隨充注量變化較小，四根豎管溫度一致性較好，但在60℃和70℃時(shí)，系統(tǒng)換熱板最大溫差隨工質(zhì)充注量的增加不斷增大，溫度一致性逐漸變差。

（3）優(yōu)化后的熱管理系統(tǒng)，圓管換熱板系統(tǒng)能夠很好地降低電池溫度，在3C放電倍率下能將電池溫度降低至43.4℃，且系統(tǒng)換熱板溫度一致性均有較大提升，而矩形管換熱板系統(tǒng)的性能則嚴(yán)重下降。