【摘要】
電池?zé)峁芾硎前l(fā)展高性能動(dòng)力電池系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，也是工程熱物理領(lǐng)域研究前沿和熱點(diǎn)。本文介紹鋰離子動(dòng)力電池?zé)崽匦裕U述熱管理對(duì)動(dòng)力電池的重要性。介紹動(dòng)力電池?zé)峁芾碇饕夹g(shù)手段，重點(diǎn)介紹熱管技術(shù)應(yīng)用于電池?zé)峁芾淼难芯楷F(xiàn)狀，從電池運(yùn)行工況對(duì)系統(tǒng)傳熱的影響研究、熱管傳熱特性分析與設(shè)計(jì)、熱管理系統(tǒng)散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與傳熱分析及采用熱管的電池加熱研究4個(gè)方面闡述當(dāng)前基于熱管技術(shù)的電池?zé)峁芾硌芯楷F(xiàn)狀。最后，總結(jié)當(dāng)前研究存在的不足及需要突破的關(guān)鍵問(wèn)題，以期促進(jìn)先進(jìn)動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)開(kāi)發(fā)。
【關(guān)鍵詞】
鋰離子電池，熱管理，熱管，強(qiáng)化傳熱，低溫加熱
熱管傳熱特性分析與設(shè)計(jì)研究（基于動(dòng)力電池的熱管設(shè)計(jì)與優(yōu)化）
熱管設(shè)計(jì)是影響傳熱性能的重要因素，其換熱效果與通道尺寸、吸液芯結(jié)構(gòu)、充液率等因素密切相關(guān)[63~66]，合理的熱管設(shè)計(jì)對(duì)提高電池?zé)峁芾硇适种匾?/span>
由于動(dòng)力電池產(chǎn)熱的特殊性，許多學(xué)者在針對(duì)電池的熱管設(shè)計(jì)方面展開(kāi)研究。Jang等人[67]研究了不同工質(zhì)對(duì)回路型重力熱管換熱性能的影響，當(dāng)電池發(fā)熱量為50?W時(shí)，以丙酮為工質(zhì)可控制電池平均溫度低于45°C，優(yōu)于以水為工質(zhì)的散熱效果。Putra等人[68]發(fā)現(xiàn)工質(zhì)散熱效果與電池產(chǎn)熱率密切相關(guān)，針對(duì)不同的熱源發(fā)熱量，采用不同工質(zhì)才能發(fā)揮熱管的最大功效，當(dāng)電池產(chǎn)熱率大于1.61?W/cm2時(shí)，采用乙醇做工質(zhì)的換熱效率最高。Chi等人[69]研究了充液率對(duì)脈動(dòng)熱管換熱的影響，發(fā)現(xiàn)熱管的最佳充液率隨著電池產(chǎn)熱率的增大而提高。因此，需要針對(duì)熱源條件選擇適當(dāng)?shù)墓べ|(zhì)種類及充液率，以達(dá)到最佳換熱效果。
當(dāng)前研究大多從工質(zhì)層面(工質(zhì)種類、充液率)研究和優(yōu)化熱管用于動(dòng)力電池的傳熱特性，也有少數(shù)文獻(xiàn)從結(jié)構(gòu)角度對(duì)熱管性能進(jìn)行改善。Swanepoel[70]設(shè)計(jì)了基于脈動(dòng)熱管的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，分析了介質(zhì)和管道寬度對(duì)熱管傳熱性能的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)熱管內(nèi)工質(zhì)為氨水時(shí)，熱管寬度需小于2.5?mm，才能保證其在電池?zé)峁芾碇械膯?dòng)及散熱效率。
在現(xiàn)有動(dòng)力電池?zé)峁芾硌芯坎捎昧瞬煌N類的熱管，如重力型熱管、燒結(jié)熱管、脈動(dòng)熱管、平板環(huán)路熱管、平板微熱管等[71~73]，尚無(wú)統(tǒng)一的選型或設(shè)計(jì)方法。從結(jié)構(gòu)形式上看，平板類型熱管在動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中展現(xiàn)出優(yōu)越性，有望成為動(dòng)力電池?zé)峁芾淼氖走x，然而當(dāng)前針對(duì)平板熱管的設(shè)計(jì)研究較少。
熱管布置方案設(shè)計(jì)
電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)布置方式是影響熱管導(dǎo)熱性能的另一關(guān)鍵因素。Tran等人[74]對(duì)比了水平與垂直放置時(shí)熱管導(dǎo)熱性能。施加38?W熱源模擬電池包產(chǎn)熱，水平布置時(shí)熱管蒸發(fā)端溫度達(dá)到61°C，垂直布置時(shí)溫度僅51°C。饒中浩[75]采用脈動(dòng)熱管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)也得到類似的規(guī)律，搭建了如圖9所示的電池?zé)峁芾韺?shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)表明在相同產(chǎn)熱功率下，豎直放置時(shí)電池表面溫升較小，且局部溫差比水平放置時(shí)更小。
此外，裝置傾斜角度也對(duì)傳熱造成影響[74,75]。熱管水平安裝時(shí)，電池表面溫差受傾斜角度影響較大; 而熱管豎直安裝時(shí)，重力與毛細(xì)力雙重作用降低熱管傳熱阻力，路面坡度對(duì)局部溫差幾乎無(wú)影響。
上述研究均說(shuō)明熱管豎直布置時(shí)的散熱及均溫效果優(yōu)于水平布置方式。Wang等人[76]在熱管豎直布置方式下研究電池?cái)[放方向?qū)峁軅鳠嵝Ч挠绊懀砻鞴軆?nèi)工質(zhì)可迅速將高溫端(電極)熱量傳遞至冷凝端，相同產(chǎn)熱功率下電極朝上的方式可延緩溫度上升時(shí)間。
為保證熱管傳熱性能的發(fā)揮，電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮熱管布置方式對(duì)其導(dǎo)熱性能的影響。
熱管理系統(tǒng)散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與傳熱分析研究
作為電池?zé)峁芾韨鳠岵考瑹峁芪针姵禺a(chǎn)熱的同時(shí)需快速將熱量散掉，以保證其在電池組中正常工作。通常情況下，熱管冷端可采用風(fēng)冷和水冷散熱兩種方式，前者結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，后者結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，但在散熱需求較大時(shí)表現(xiàn)出更好的性能。
冷端風(fēng)冷散熱
熱管冷凝段采用直接風(fēng)冷是最簡(jiǎn)單的散熱方式。Ye等人[77]對(duì)熱管冷端進(jìn)行強(qiáng)制風(fēng)冷散熱，可使電池(LiFePO4，18?A?h)在1?C放電條件下維持在35°C以下，若冷端采用自然冷卻，放電末期溫度高于40°C。為強(qiáng)化熱管散熱能力，可采用增加冷端翅片數(shù)目、改善冷端翅片設(shè)計(jì)、提高風(fēng)冷流速、增大冷凝段長(zhǎng)度等方式。
熱管根數(shù)、翅片個(gè)數(shù)、翅片間距對(duì)散熱效果也有重要影響[60]。在一節(jié)電池表面布置多根熱管可強(qiáng)化散熱，但由于冷端沿氣流方向平均換熱系數(shù)越來(lái)越低，增大了電池表面溫度不均勻性。通過(guò)在第一根熱管前布置擾流圓管(圖10(d))可提升電池表面溫度均勻性。
許多研究者采用熱管與相變材料耦合散熱方式提升電池表面均溫性，將PCM附著在電池表面，熱管嵌入PCM中帶走熱量，冷端采用風(fēng)冷散熱[78,79]，圖11是一種典型的熱管-PCM耦合風(fēng)冷散熱系統(tǒng)，該結(jié)構(gòu)可保證電池組2?C放電結(jié)束后最大溫差低于2°C，且冷卻風(fēng)速會(huì)影響電池最高溫升[78]。
增大冷凝段長(zhǎng)度是提升熱管散熱能力的另一有效途徑，然而冷凝段長(zhǎng)度增加會(huì)導(dǎo)致電池組溫差增大，為同時(shí)保證電池組溫升和溫差，并考慮電池組空間布置等實(shí)際因素，熱管冷凝段長(zhǎng)度存在最佳值[80]。
冷端液冷散熱
由于空氣比熱容較低，采用熱管與液冷耦合散熱可彌補(bǔ)空氣冷卻的不足。根據(jù)熱管冷端與液體流道接觸方式，可分為接觸式液冷換熱和非接觸式液冷換熱。接觸式液冷系統(tǒng)如圖12所示[81]，熱管冷端浸泡在水槽中，內(nèi)部通入一定流速液體，2?C持續(xù)放電半小時(shí)后電池溫度不超過(guò)42°C，說(shuō)明熱管與液冷耦合散熱效果。
Zhao等人[82]采取冷端噴水提升電池散熱效率，每?jī)晒?jié)電池之間布置一根平板微熱管并向其表面以一定頻率噴水，電池在2?C持續(xù)放電工況下溫升僅為4°C，3?C放電工況溫差小于2.5°C。
非接觸式液冷系統(tǒng)通常將熱管排布在電池表面，通過(guò)液冷流道與熱管冷端接觸帶走熱量，熱管冷端并非直接浸泡在冷卻液中，安全性較高[83]。奧迪公司[84]設(shè)計(jì)了如圖13所示的電池?zé)峁芾矸桨福诿績(jī)晒?jié)電池之間布置一塊銅板，并將4根燒結(jié)熱管嵌入銅板內(nèi)，最后通過(guò)貼在熱管冷端表面的液冷板將熱量帶走。在400?W電池產(chǎn)熱功率條件下，該系統(tǒng)可維持電池溫度在50°C以下，具有較好的冷卻效果
當(dāng)前大部分研究以電池的溫升和溫差作為考核指標(biāo)，然而，強(qiáng)化傳熱帶來(lái)更多系統(tǒng)能量消耗及重量增加，較少?gòu)南到y(tǒng)層面進(jìn)行設(shè)計(jì)考量。如何兼顧電池放電特性、散熱效果以及系統(tǒng)能耗和輕量化等指標(biāo)，提出熱管理系統(tǒng)高效散熱方案，是將來(lái)在電池強(qiáng)化散熱方面的研究重點(diǎn)。
采用熱管的電池加熱研究
如前文所述，低溫環(huán)境下鋰離子電池充放電效率大幅衰減，目前采用熱管作為傳熱部件的低溫加熱研究引起廣泛關(guān)注。
Ye等人[58]采用微平板熱管布置在電池表面，另一端采用加熱元件加熱(圖14)，電池從-10，-20，-30°C升溫至0°C所用的時(shí)間分別為350，780，1100?s，溫升速率是傳統(tǒng)底部加熱方式的1.5倍。加熱過(guò)程中溫差可控制在3°C以下，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)加熱方式(9°C)。梁佳男等人[85]發(fā)現(xiàn)提高加熱功率可提升電池升溫速率，但同時(shí)增大電池表面溫差，因此需要綜合考慮加熱時(shí)間和電池溫差，以確定最佳加熱策略。
Zou等人[86]設(shè)計(jì)了如圖15所示的熱管-液體耦合綜合熱管理系統(tǒng)，既可實(shí)現(xiàn)電池低溫加熱也可以用于高溫冷卻。管道內(nèi)的制冷劑經(jīng)過(guò)PTC加熱，然后通過(guò)熱管將熱量傳遞給電池。在加熱的初始階段電池溫升較快，隨著熱管的冷、熱端溫差逐漸減小，換熱能力減弱，最終換熱量趨近于定值，約900?s后電池溫度上升至20°C。
當(dāng)前基于熱管的電池加熱系統(tǒng)通常采用傳統(tǒng)熱管或微通道熱管布置在電池表面，另一端采用熱水加熱或PTC加熱，研究大多處于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證階段，現(xiàn)有研究結(jié)果充分展示了采用熱管加熱的高效性和均溫性，進(jìn)一步的研究應(yīng)圍繞低溫加熱策略展開(kāi)。
總結(jié)與展望
溫度是影響動(dòng)力電池性能的關(guān)鍵因素，高效熱管理系統(tǒng)對(duì)電動(dòng)汽車具有重要意義。熱管具有較強(qiáng)的換熱能力和均溫能力，是未來(lái)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的重要研究方向。
采用熱管作為電池散熱/加熱元件的研究已經(jīng)取得顯著進(jìn)展，但是隨著電動(dòng)汽車對(duì)熱管理系統(tǒng)要求的提升，熱管的應(yīng)用目前還存在幾方面問(wèn)題亟待解決:
(1) 動(dòng)力電池溫度與其動(dòng)態(tài)產(chǎn)熱工況密切相關(guān)，進(jìn)一步的研究應(yīng)結(jié)合實(shí)際車用工況，制定有效的實(shí)時(shí)控制策略，從而實(shí)現(xiàn)高效、低能耗電池?zé)峁芾怼?/span>
(2) 熱管傳熱方面，由于影響熱管傳熱性能因素眾多，需要綜合考慮熱管內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其在電池組中的布置方式，優(yōu)化其在使用過(guò)程中的傳熱性能，特別是針對(duì)平板類型熱管的傳熱特性分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，是將來(lái)研究的重點(diǎn)之一。
(3) 熱管散熱方面，當(dāng)前大部分系統(tǒng)設(shè)計(jì)側(cè)重于降低電池組溫升及溫差，較少考慮系統(tǒng)能耗與重量。進(jìn)一步的熱管強(qiáng)化散熱研究應(yīng)聚焦于系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化，綜合系統(tǒng)熱、電特性以及系統(tǒng)能耗和輕量化等指標(biāo)，提出熱管理系統(tǒng)散熱解決方案。
(4) 采用熱管的加熱研究方面，當(dāng)前的研究大多處于測(cè)試并驗(yàn)證效果階段，進(jìn)一步研究熱管在不同使用環(huán)境下的換熱特性，特別是低溫環(huán)境下的加熱策略研究，是將來(lái)研究的重點(diǎn)之一。
隨著電動(dòng)汽車的發(fā)展，動(dòng)力電池技術(shù)和熱管技術(shù)的不斷進(jìn)步，熱管在電池?zé)峁芾碇袑⒌玫礁訌V泛的應(yīng)用。
作者：丹聃, 姚程寧, 張揚(yáng)軍, 錢(qián)煜平, 諸葛偉林
單位：清華大學(xué) 汽車安全與節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
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