基于無機超導熱管的車用鋰離子電池組散熱性能

鄂加強 ，胡小峰 ，胡遼平，龍艷平 ，朱蓉甲

(1. 湖南大學 汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，湖南 長沙，410082；

2. 湖南大學 機械與運載工程學院，湖南 長沙，410082；3. 湖南大學 先進動力總成技術研究中心，湖南 長沙，410082)

動力電池是電動汽車中的主要儲能元件和關鍵部件[1]。鋰離子電池具有高比能量和大輸出功率等特點，有望在新一代電動汽車和混合動力汽車中取代鎳氫電池。 但鋰離子電池在工作過程中產生大量的熱，在散熱不良的情況下可能發生燃燒或爆炸, 這極大地阻礙了大型鋰離子電池的實際應用[2?6]。電池組中單體電池是互相串聯的，任何1塊電池性能下降都會影響電池組的整體性能，當溫差為5，10和15 ℃時，在相同充電條件下，電池組的荷電態分別下降 10%，15%和20%[7?8]。溫差的變化會影響電池的整體壽命和穩定性，為了提高鋰離子電池的性能,避免發生安全事故，有必要對電池組進行冷卻。在電動汽車電池熱管上，目前國內普遍采用強制風冷，在一定程度上滿足要求[9?10]，但傳統的風冷系統需要消耗大量的電能，縮短了汽車的里程。Mills等[11]研究了相變材料冷卻方法并驗證了其可行性。在眾多傳熱元件中，熱管是最有效傳熱原件之一，它可以將大量熱量通過很小的傳熱面遠距離輸送而無需使用外加動力；熱管的構造簡單，無運動部分，工作可靠，質量小，能在失重狀況下工作，溫差很小。熱管從問世以來得到飛速發展，目前已廣泛應用于熱交換、余熱回收利用、大功率電子元件中散熱、建筑節能等領域中[12?14]。Wu等[15]通過鋰離子電池放電實驗發現：自然冷卻不能滿足散熱要求；當強制對流冷卻時，電池單體間的溫差較大，而采用帶鋁肋片熱管冷能滿足要求。隨著鋰離子放電電流越來越大，對散熱系統提出了更苛刻的要求，為此，本文作者擬采用無機超導熱管冷卻車用鋰離子電池組。

1 車用鋰離子電池組散熱模型

1.1 無機超導熱管技術

1.1.1 無機超導熱管工作原理

無機熱傳導技術是以無機元素為導熱介質，將其注入到各類金屬(或非金屬)管狀夾層板腔內，經密封成型后，形成具有導熱特性的元件，簡稱無機熱傳導元件，如圖1所示。當無機熱傳導元件內的無機導熱介質受熱后，利用分子的震蕩、摩擦，將熱能快速激發并成波狀快速傳遞，這樣可將熱量由元件的一端迅速傳向另一端。在整個傳熱過程中，元件表面呈現出熱阻趨于0 K/W的特性(即熱超導性)。無機熱傳導元件主要是通過腔體內部的無機介質來實現導熱過程，導熱能力遠比普通金屬材料的高，當量導熱系數為3.2 MW/(m·K)，其等效導熱系數最高可為金屬銀材料的數千倍。本文中，無機高效熱管工質組分及加入量為(以去離子水或高純水1 kg計)：重鉻酸鉀30～50 g，過硼酸鈉10～20 g，硼酸3～6 g，過氧化鈉1～3 g，氫氧化鋁0.5～ 1.5 g，三氧化二鈷 0.2～0.6 g，二氧化錳 0.2～0.6 g。

圖1 無機超導熱管工作原理圖Fig.1 Working principle diagram of inorganic superconducting heat pipe

1.1.2 無機超導熱管技術特點

與普通熱管相比，無機超導熱管具有如下特點：

(1) 適用溫度為20～1 000 ℃，而一般液體工質如水只能用于100～350 ℃。

(2) 無機高效熱管介質為液態混合物，介質受熱激發后沿腔壁將受熱端熱能向冷端傳遞。

(3) 元件具有良好的傳熱性能。

(4) 溫度沿軸向表現出正弦波分布的特性，熱阻幾乎為0 K/W。

1.2 車用鋰離子電池組散熱模型

車用鋰離子電池單體的基本形狀為圓柱體，基本性能參數：標量容量為10 A·h，電壓為3.7 V，直徑為50 mm，高度為120 mm，電池組結構如圖2所示(3節為1組)。整個電池包由15個這樣的電池組串聯組成。將無機超導熱管均勻布置在電池四周，在熱管兩端安裝鋁肋片，長、寬和高分別為420，330和210 mm，厚度為2 mm，肋間距為6 mm，每端7片。鋰離子電池組適合工作溫度為20～50 ℃，各電池單體溫差不超過5 ℃，保持電池表面溫度的均勻性。

1.2.1 車用鋰離子電池組散熱數學模型

車用鋰離子電池組散熱過程控制方程如下。

圖2 車用鋰離子電池組模型Fig.2 Model of automotive lithium-ion battery

連續性方程：

式中：τ為時間，s；ui為i方向速度分量，m/s，且i為1, 2和 3，分別代表x,y和z3個坐標方向；ρ為車用動力電池箱內空氣密度，kg/m3。

動量方程：

式中：uj為j方向上的速度分量，且j為1, 2和 3，分別代表x,y和z3個坐標方向；p為車用動力電池箱內空氣靜壓，Pa；μ為車用動力電池箱內空氣動力黏度，kg/(m·s)。

能量方程：

式中：cp為車用動力電池箱內空氣比熱容，J/(kg·K)；k為車用動力電池箱內空氣熱傳導系數，W/(m·K)；q˙為單位體積熱生產率，W/m3；T為熱力學溫度，K。

湍動能k方程：

式中：σk為湍流動能的有效 Prandtl數；

為湍動能耗散率；Cμ為與k方程有關的常數。

湍動能耗散率ε方程：

式中：C1和C2均為與ε方程有關的常數；σε為湍流動能耗散率的有效Prandtl數。數學模型中的有關常數如下：C1=1.44，C2=1.92，σk=0.9，σε=1.3，Cμ=0.09。

1.2.2 車用鋰離子電池組散熱仿真模型

由于無機超導熱管內部傳熱機理極其復雜，在保證無機超導熱管傳熱功率與溫差相同的情況下，把無機超導熱管等效為幾何尺寸與無機超導熱管相同而導熱能力極佳的金屬桿[16]，可建立如圖3所示的車用鋰離子電池組散熱仿真模型(其中，Q為散熱量)。此外，考慮到鋰離子電池單體發熱均勻，由于車用鋰離子電池箱對外輻射的熱量遠小于熱管散的熱量，故其輻射熱量可忽略不計。鋰離子電池產生的熱量經空氣傳給無機超導熱管，最終散發到環境中。

滿足要求的網格比例在95%以上，達到仿真要求。

1.2.3 初始條件和邊界條件確定

圖3 車用鋰離子電池組散熱仿真模型Fig.3 Thermal simulation model of automotive lithium ion battery

熱管的導熱率與工作的溫度、工質物理性質等因素有關。大量實驗結果表明：在溫度差不大時，導熱率可看作常數，無機超導熱管軸向導熱率為 50 kW/(m·K)，徑向導熱率為4 kW/(m·K)。考慮到汽車在行駛過程中有一定的速度，設電池箱壁面、肋片與空氣平均傳熱系數為10 W/(m2·K)，熱管與電池箱內的空氣接觸面為耦合面，測得電池平均發熱功率為 1.8 W/節，換成平均熱流密度約為80 W/m2，環境溫度設為293 K。

2 車用鋰離子電池組散熱性能仿真分析

2.1 車用鋰離子電池組散熱設計方案

針對車用鋰離子電池組散熱的實際工況，分別以無機超導熱管管徑d、冷卻段溫度Twc作為表1所示3個工況的變化參數，采用顯示差分法對所建立的車用鋰離子電池組散熱數學模型進行數值求解。

圖4所示為達到穩定狀態下車用鋰離子電池外表面溫度云圖。選中間1排電池剖面為研究對象，其溫度比外表面的溫度高，能更好地反映車用鋰離子電池組發熱情況。取電池兩端和圓柱面中間1點處的3次溫度的平均值作為電池單體的平均溫度。

表1 計算工況Table 1 Calculation conditions

圖4 車用鋰離子電池溫度分布Fig.4 Temperature distributions of lithium ion battery in automotive

從圖4可以看出：以上3個方案中電池最高溫度均小于323 K，溫差為5 K左右，均滿足設計要求。在環境溫度和其他條件一定時，電池的最高溫度與無機超導熱管的直徑有很大的關系；隨著直徑增大，散熱效果越好，無機超導熱管在電池散熱方面表現出良好的優越性。

表2 電池溫度模擬結果Table 2 Simulation results of battery temperature K

綜合考慮各方面因素，采用方案1進行下階段的模擬，模擬結果見表2。圖5所示為方案1車用鋰離子電池組各個單體的平均溫度。

圖5表明：車用鋰離子電池箱里的溫度T具有對稱性，中間的車用鋰離子電池溫度T高。對于如圖2所示的不同電池編號N(N=1，2，…，15)，1～5號車用鋰離子電池和11～15號車用鋰離子電池溫度比6～10號車用鋰離子電池的平均溫度低，處在外層的車用鋰離子電池溫度比里面的低，第2腔車用鋰離子電池溫度要比第1和第3腔的溫度高2～4 K。

車用鋰離子動力電池箱內部發熱比較嚴重，由于無機超導熱管是均勻布置的，外層的鋰離子動力電池部分熱量可以通過電池箱壁面散發出去，造成內層電池表面溫度明顯高于外表面電池表面溫度。電池連接處的電極發熱比較嚴重，電池連接處間隔小，離熱管的距離又遠，這2個面產生的熱量不易散出，從而造成電池兩端的溫度明顯高于柱面處的溫度，電池的最高溫度為314.43 K，電池單體之間溫差為4.52 K。

圖5 方案1車用鋰離子電池外表面平均溫度Fig.5 Average temperature of outer surface of lithium ion battery in automotive

2.2 不同工況下車用鋰離子電池組散熱性能模擬分析

電動汽運行工況并不是穩定的，發熱功率隨工況變化，電動車在快充、快放、加速或起步時，電池的發熱功率比較大，最大發熱功率可能達到150 W/m2，這對散熱提出了更高的要求。其他設置條件不變，分別在熱流密度為100，120和150 W/m2時進行仿真，當達到穩定狀態時，車用鋰離子電池組散熱情況如圖6所示。

圖6 車用鋰離子電池溫度分布Fig.6 Temperature distribution of automotive lithium ion battery

從以上模擬結果可以看出：當電池組在發熱功率為150 W/m2時，電池單體的最高溫度為324.96 K，基本滿足設計要求。每組工況取第2腔的電池單體平均溫度來分析，得到的結果如圖7所示。

圖7 車用鋰離子電池外表面平均溫度Fig.7 Average temperature of outer surface of automotive lithium ion battery

從圖7可見：電池單體的平均溫度隨著加載的熱流密度增大而增大，當分別加載熱流密度100和120 W/m2時，電池的最高平均溫度為321 K，溫差在5 K內，滿足鋰離子電池最適溫度要求。當加載熱流密度150 W/m2時，電池最高平均溫度為324.12 K，溫差為5.21 K，分別比設計值高2.24%和4.2%，均在誤差允許的范圍內，可以認為基本符合設計要求。

2.3 車用鋰離子電池組無機超導熱管散熱效果評價

采用BS-9360型二次電池性能檢測裝置對如圖2所示所布置的車用鋰離子電池組放電過程散熱性能進行檢測，并外接T型熱電偶六通道采集溫度。車用鋰離子電池組散熱方式分別為無機超導熱管散熱，采用風機(2臺上海興壹牌T030-6型1.5 kW軸流固定式風機)強制散熱和自然對流散熱。

對15節電池分別用電流5.0，7.5和10.0 A進行放電，測量電池放電過程的溫度變化。將其與電池封裝前(即自然放置和風機強制冷卻)放電過程的溫度變化規律進行對比，得出3種冷卻模式下電池溫度隨放電時間的變化曲線，如圖8所示。

從圖8可見：車用鋰離子電池無機超導熱管散熱效果十分明顯。放電開始不久，三者溫度相差并不大；隨著放電時間的推移，車用鋰離子電池的溫度越來越高，當溫度T=305 K時，無機超導熱管散熱曲線上升緩慢，此時，無機超導熱管開始工作，帶走車用鋰離子電池產生的大部分熱量，當放電時間為10 min時，車用鋰離子電池溫度不超過316 K。盡管風機強制散熱效果比自然對流散熱的效果好，但車用鋰離子電池溫度仍然升至320 K，比無機超導熱管散熱后車用鋰離子電池溫度高4 K以上。

圖8 車用鋰離子電池最高溫度?時間曲線Fig.8 Maximum temperature?time curve of automotive lithium ion battery

3 結論

(1) 無機超導熱管散熱能夠滿足車用鋰離子電池組熱負荷的散熱要求，在平均工況、環境溫度為常溫下，電池單體的溫度控制在309.91～314.43 K，溫差為4.52 K，平均溫度為311.92 K。

(2) 電動汽車在快充、快放、加速或起步時，其發熱功率比較大。在發熱功率為150 W/m2時，車用鋰離子電池最高溫度在324.12 K以內，溫差為5 K左右。

(3) 不同放電電流下的車用鋰離子電池組無機超導熱管、自然冷卻、風機強制冷卻散熱情況下，當放電電流為10 A且放電時間為10 min時，經無機超導熱管散熱后，車用鋰離子電池溫度不超過321 K，在同樣條件下比強制風冷低6～12 K。

(4) 在仿真的過程中，把無機超導熱管導熱率近似定為常量，得到的仿真結果存在一定誤差，但與測試結果相比，在一定范圍內基本吻合，證明無機超導熱管應用于電池熱管是可行的。

[1] 陳全世, 齊占寧. 燃料電池電動汽車的技術難關和發展前景[J]. 汽車工程, 2001, 23(6): 362?363.CHEN Quan-shi, QI Zhan-ning. Technology challenge and prospect of fuel cell vehicle[J]. Automotive Engineering, 2001,23 (6): 362?363.

[2] Yang H, Amiruddin S, Bang H J, et al. A review of Li-ion cell chemistries and their potential use in hybrid electric vehicles[J].Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 2006, 12(1):12?38.

[3] Chen S C, Wan C C, Wang Y Y. Thermal analysis of lithium-ion batteries[J]. Journal of Power Sources, 2005, 140(1): 111?124.

[4] Kenshin K, Hiroshi N. 100 W·h large size Li-ion batteries and safety tests[J]. Journal of Power Sources, 1999, 81/82: 887?890.

[5] Tobishima S, Takei K, Sakurai Y, et al. Lithium ion cell safty[J].Journal of Power Sources, 2000, 90(2): 188?195.

[6] Passerini S, Coustier F, Owens B B. Lithium-ion batteries for hearing aid applications(Ⅱ): Pulse discharge and safety tests[J].Journal of Power Sources, 2000, 90(2): 144?152.

[7] Araki T, Nakayama M, Fukuda K, et al. Thermal behavior of small nickel/metal hydride battery during rapid charge and discharge cycles[J]. Journal of the Electrochemical Society, 2005,A152(6): 1128?1135.

[8] Belt J R, Ho C D, Miller T J, et al. The effect of temperature on capacity and power in cycled lithiumion batteries[J]. Journal of Power Sources, 2005, 142(1/2): 354?360.

[9] 齊曉霞, 王文, 邵力清. 混合動力電動車用電源熱管理技術現狀[J]. 電源技術, 2005, 29(3): 178?181.QI Xiao-xia, WANG Wen, SHAO Li-qing. Battery cooling issues and solutions in HEVs[J]. Chinese Journal of Power Sources, 2005, 29(3): 178?181.

[10] 楊亞聯, 張昕, 李隆鍵, 等. 基于 CFD 的混合動力車用鎳氫電池散熱系統研究[J]. 汽車工程, 2009, 31(3): 214?218.YAN Ya-lian, ZHANG Xin, LI Long-jian, et al. A study on the cooling system of Ni/H batteries for hybrid electric vehicle based on CFD analysis[J]. Automotive Engineering, 2009, 31(3):214?218.

[11] Mills A, Hallaj S A. Simulation of passive thermal management system for lithium-ion battery packs[J]. Journal of Power Sources, 2005, 141(2): 307?315.

[12] 張國慶, 吳忠杰, 饒中浩, 等. 動力電池熱管冷卻效果實驗[J].化工進展, 2009, 28(7): 1165?1168.ZHANG Guo-qing, WU Zhong-jie, RAO Zhong-hao, et al.Experimental invesitigation on heat pipe cooling effect for power battery[J]. Chemical Progress, 2009, 28(7): 1165?1168.

[13] Wu M S, Hung Y H, Wang Y Y, et al. Heat dissipation behavior of the nickel/metal hydride battery[J]. Journal of the Electrochemical Society, 2000, 147(3): 930?935.

[14] Vasiliev L L. Heat pipe in modern heat exchangers[J]. Applied Thermal Engineering, 2005, 25(1): 1?19.

[15] Wu M S, Liu K H, Wang Y Y, et al. Heat dissipation design for lithium-ion batteries[J]. Journal of Power Sources, 2002, 109(1):160?166.

[16] 吳剛, 曹良強, 黃平, 等. 船艦雷達T/R組件熱管冷卻的仿真與實驗驗證[J]. 武漢理工大學學報, 2009, 33(3): 475?478.WU Gang, CAO Liang-qiang, HUANG Ping, et al. Research of experiment verification and simulation for heat pipe cooling of T/R of radar on warship[J]. Journal of Wuhan University of Technology, 2009, 33(3): 475?478.