一种磷酸铁锂动力电池热管理系统实验研究

王子缘， 张国庆， 吴伟雄， 邱骏光， 杨懿政(广东工业大学，广东广州510006)

一种磷酸铁锂动力电池热管理系统实验研究

王子缘， 张国庆， 吴伟雄， 邱骏光， 杨懿政
(广东工业大学，广东广州510006)

提高动力电池运行时的热安全性是研究热点之一，采用新型翅片热管强化传热的方式，对磷酸铁锂42110动力电池模块(4串，12.8 V 10 Ah)进行热连接与对比测试，结果表明该装置对电池模块有明显的降温与控温作用，极大地提高了动力电池的工作性能与循环寿命。

翅片热管；散热；电池模块；循环寿命

随着电动汽车的快速发展，电动汽车电池安全问题受到了广泛关注。在锂离子电池运行工况下，随着外界热和电扰动，放热反应不断进行，温度不断上升，当达到电池内部特定材料的相应温度点时会激发新的放热反应，从而使温度继续上升，如图1所示[1]。无节制地使用锂离子电池严重影响其充放电性能和循环寿命，导致燃烧、爆炸等热安全问题，制约了电动汽车用锂离子电池的发展。电池热管理，是根据温度对电池性能的影响，结合电池的电化学特性与产热机理，基于具体电池的最佳充放电温度区间，通过合理的设计，在材料学、电化学、传热学、分子动力学等多学科多领域基础上，解决电池在温度过高或过低情况下工作而引起热散逸或热失控问题，以提升电池整体性能的一门新技术[2]。其热管理系统可分为三大类：采用空气冷却的热管理系统，采用液体介质的热管理系统，采用相变材料(PCM)的热管理系统。本文主要采用翅片热管追加风道对实验模块进行不同放电工况下的数据采集和分析[3]。

1 实验方法与准备

1.1能量守恒与控制方程

对动力电池模块引用控制体的概念。控制体是一个质量和能量都能通过其表面的空间区域，其能量守恒定律可以表示为：运行工况下电池模块的总产热量=电池模块自身吸收的热量+电池模块散失的热量。

忽略辐射换热，其数学表达式为：

图1　动力电池安全问题示意图

式中：cp为电池自身的比热，其数值与电池内部材料有关，J/kg·℃；h为电池模块外部流体的对流传热系数，W/m2·k；A为电池模块外部有效对流换热面积，m2；Tm为电池热管理目标温度，℃。

对于单体电池自身的吸热量，由于电池材料以及结构复杂，视为各向异性，导热非常复杂，在直角坐标系中沿坐标轴xyz的热流密度可表示为：

对于电池模块的热量散失，引入二维稳态、不可压缩流体对流换热过程的数学描述[4]：

质量守恒定律：

动量守恒定律：

能量守恒定律：

对流换热系数方程：

上述理论依据为以下提出的动力电池热管理方案起到支撑作用。

从工程上考虑，由电池外部出发，通过外部条件来增强动力电池的传热效果。采用热管冷却，其中蒸发段与紫铜片(0.2 mm厚)焊接并与电池表面紧密接触，增强电池表面与热管的接触换热；冷凝段附有等截面翅片并追加风机，从强化传热的角度入手，提高空气侧对流换热系数，对电池进行有效的热管理。使用Solidwork软件画出理想图，如图2所示。

图2　新型电池热管理装置示意图

1.2翅片定义与选择原则

所谓翅片，是指依附于基础表面上的扩展表面，可以增加换热面积，从而达到降低对流换热热阻，增强传热的目的[2]。然而并不是在任何条件下敷设翅片都能达到积极效果，普通情况下选用和设计翅片时应遵循的原则为：(1)翅片内部导热热阻低于表面对流换热热阻；(2)采用密集短翅比稀疏长翅能起到更好的散热效果，但是翅间距不能太小，以免影响翅间的空气流动。

本文采用30 mm×12 mm×10.5 mm等截面翅片，其三维图见图3。

图3　等截面翅片实物图

1.3热管的选型

热管在实现量转移的过程中，包含了以下6个互相关联的主要过程[5]：

(1)热量从热源通过热管管壁和充满工作液体的吸液芯传递到液-汽分界面；

(2)液体在蒸发段内的液-汽分界面上蒸发；

(3)蒸汽腔内的蒸汽从蒸发段流到冷凝段；

(4)蒸汽在冷凝段内的汽-液分界面上凝结；

(5)热量从汽-液分界面通过吸液芯、液体和管壁传给冷源；

(6)在吸液芯内由于毛细作用使冷凝后的工作液体回流到蒸发段。

热管在工质发生相变的方向上有很高的导热系数，对电池散热起到不可低估的作用。本文根据电池的规格参数以及充放电性能，选择了表1中3种规格的重力热管。

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

根据电池模块的设计与技术要求，选择直径为6 mm的重力热管最为合适。

2 实验平台搭建与测试

2.1电池模块组建

对实验室的磷酸铁锂42110电池(3.2 V 10 Ah)进行电连接成3组(4串、12.8 V 10 Ah)，一组为传统自然对流冷却(模块A)，第二组为本文设计的翅片热管冷却模块(模块B)，第三组在模块B的基础上，结合牛顿冷却定律和强化传热原则，对模块B的热管冷凝段追加风道装置 (80 mm×80 mm×15 mm，12 V驱动)(模块C)，如图4、图5、图6所示。

2.2实验测试

需要的设备有：恒流源(YK-AD12015型，120 V/15 A)，直流电子负载(240 V/150 A)，温湿度巡检仪，FLUKE万用表115型，动力电池模块(12.8 V/10 Ah)。

为了实验数据的精确性和可靠性，每次放电结束后，应等电池模块恢复常温，电压恢复平衡时才能进行下一次实验。

2.2.1模块A和模块B在室温下不同放电倍率的研究

在电池模块上布有四个热电偶，分别为T1、T2、T3和T4。其中T1、T2表示串联模块正、负极处的电池温度，T3、T4表示串联模块中间环节两个单体的电池表面温度。

采用0.5C、1C、2C、3C、4C进行恒流放电测试，由表2可知，随着放电倍率的升高，模块B的降温效果相比模块A越来越突出。

图4　自然对流冷却模块

图5　翅片热管冷却模块

图6　追加风道后模块C实物图

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ?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放电条件下模块B和模块A温度变化的对比如图7所示。

2.2.2模块C在室温下不同放电倍率的研究

实验步骤按照模块A和模块B的充放电流程进行，实验过程中风扇以12 V直流电压驱动，这里列举模块C在3C、 4C放电过程中的温度变化，如图8、图9所示。

图7　4C放电条件下模块B和模块A温度变化对比

图8　　模块C在3C放电倍率下电池表面温度分布

图9　　模块C在4C放电倍率下电池表面温度分布

对比以上数据可清晰得出，追加风道后电池产热通过热管内部工质相变传热到顶端翅片处，同时风扇加大了翅片处空气的扰动，形成强制对流，根据牛顿冷却定律，散热效果得到了很好的增强。

模块A、B、C在4C放电下的温度最不利情况对比如图10所示。

图10　　模块A、B、C在4C放电倍率下电池表面最不利温度对比

3 结语

从强化传热的角度入手，强化热阻较大的位置，即翅片处空气(0.023 W/mk)，追加风道的方案对系统散热起到不可忽视的作用。

通过数据的对比，可以看出模块C在2C、3C、4C放电情况下的温升值分别达到 ΔT2C=8.33℃，ΔT3C=13.26℃，ΔT4C=16.03℃，比模块B的温升值分别降低了89.1％(2C)，69.3％(3C)，65％(4C)；比模块A的温升值分别降低了133.6％ (2C)，101.4％(3C)，90.33％(4C)。相比模块A和模块B，模块C的降温效果更为明显和有效。

模块C的温降效果突出，从微观机理上看，相比模块A和模块B，锂离子能更好地在正负极间脱出和嵌入，维持电极材料的化学结构平衡，对电池的性能以及循环寿命起到不可忽视的作用。

[1]PADMANABHAN P V,MURTHY M V.Outward phase change in a cylindrical annulus with axial fins on the inner tube[J].Int J Heat Mass Transfer,1986,29:1855-1868.

[2]KHATEEBA S A,AMIRUDDINA S.Thermal management of Li-ion battery with phase change material for electric scooters:experimental validation[J].Journal of Power Sources,2005,142: 345-353.

[3]LAM L T,LOUEY R.Development of ultra-battery for hybridelectric vehicle applications[J].Journal of Power Sources,2006, 158:1140-1148.

[4]NISHI Y.Lithium ion secondary batteries:past 10 years and the future[J].Journal of Power Sources,2001,100:101-106.

[5]RAMADASS P,HARAN B,WHITE R,et al.Capacity fade of Sony 18650 cells cycled at elevated temperatures:Part II.capacity fade analysis[J].J Power Sources,2002,112:614-620.

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

王子缘(1990—)，男，广东省人，博士研究生，主要研究方向为电动汽车电池热管理。