有軌電車儲能部件新型熱控制方案研究*

李 明， 劉 楠

(中車唐山機車車輛有限公司 產品技術研究中心, 河北唐山 063035)

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有軌電車儲能部件新型熱控制方案研究*

李 明， 劉 楠

(中車唐山機車車輛有限公司 產品技術研究中心, 河北唐山 063035)

儲能部件熱控制技術是混合動力有軌電車穩定運行的保證之一。為了保證新型儲能部件的溫度均勻性，并使其工作在最佳的溫度范圍內，設計了兩種新型儲能部件相變材料——空氣耦合熱控制方案。通過制備石蠟/泡沫銅復合材料，搭建試驗臺，將內嵌式方案和外貼式方案進行不同放電倍率和不同工況的試驗測試，為新型儲能部件熱管理系統的實際開發提供一定的借鑒。

混合動力有軌電車； 儲能部件； 相變冷卻； 空氣冷卻； 泡沫銅/石蠟

交通工業的快速發展加劇了環境污染和能源短缺等問題，從可持續發展的戰略出發，開發新型混合動力有軌電車刻不容緩。動力電池作為新型儲能部件的關鍵組成部分之一，其工作狀態的好壞直接影響整車的安全性、經濟性等。動力電池在充放電過程中會放出熱量，同時在有限的空間中電池組一般采用緊湊的布置形式，如果散熱不及時則會引起電池內部的熱積累，導致熱失控，嚴重影響電池的性能及安全。電池間溫度的不一致會引起電池性能的不一致，使電池組的性能整體下降。因此對新型儲能部件熱控制方案進行研究具有重要的意義[1-3]。

石蠟主要由直鏈烷烴混合而成，其優勢在于物理和化學性能長期穩定，能反復融解、結晶而不發生過冷或晶液分離現象，無毒、無腐蝕性等[4]。Hallaj 等人在商用純電動車(EV)采用了相變裝置，相對于風冷式或液冷式主動熱控制系統，系統復雜度和成本大幅降低[5]。Kizilelar等人針對結構過于緊湊的動力電池組，開發了熱控制效果相對于傳統風冷式系統更佳的相變材料裝置[6]。Siddique等人為電動車動力電池系統設計了一種新型相變裝置熱管理系統，無需風機、泵等傳統的強迫冷卻部件。試驗結果表明，采用泡沫鋁+相變材料的熱控制方式，可將溫升降低50%以上[7]。張國慶等人使用石蠟/石墨相變復合材料設計了單體電池和電池組，研究和比較了分別采用相變冷卻技術與空氣換熱冷卻技術的電池散熱效果。試驗結果表明，在1C放電倍率下，采用相變材料冷卻相對于空氣自然和強制對流冷卻，電池溫升分別降低14℃～18℃以及9℃～14℃，且電池性能無顯著劣化[8]。楊碩等人針對石蠟作為固—液相變儲能材料存在導熱系數小、傳熱性能差的缺點，采用兩步法制備了分散性較好的納米鋁粉/石蠟復合相變材料，有效地提高了石蠟相變儲能材料的導熱系數[9]。

根據動力電池組的正常使用要求，模組內部最高溫度和最大溫差分別不應超過55℃和5℃。根據有軌電車實際運用情況，一般夏季高溫時段一般在4～5 h左右，因此要求熱控制方案可堅持5 h以上。而相變材料具有相變周期長、相變潛熱大、相變期間內無溫升等優勢，較為適合用于布置于有軌電車車頂的混合動力系統熱控制。

本文結合空氣冷卻與相變材料冷卻的特點，設計了兩種新型儲能部件相變材料—空氣耦合熱控制方案，基于同一動力電池模組試制了耦合散熱試驗樣件，并分別對“內嵌式方案”和“外貼式方案”進行了不同工況、不同放電倍率下熱控制效果的試驗測試。

1 相變材料熱控制裝置

相變材料熱控制裝置為結構簡單的方塊狀結構，主要由石蠟和泡沫銅組成，外殼一般為銅或鋁材質。

1.1 石 蠟

石蠟作為相變材料具有相變潛熱較高、幾乎沒有過冷現象、熔化時蒸汽壓低、不易發生化學反應且化學穩定性較好、自成核、沒有相分離和腐蝕性等優點，但也存在熱導率低等不利因素, 但通過在石蠟中嵌入泡沫銅芯體可有效克服這個缺點。

本試驗中選擇相變材料主要考量的因素有：工作溫度、潛熱值、安全性。根據本文的熱控制需求，最終選擇工質為正二十烷(化學式：C20H42，分子量：282.547 5)，工作溫度為36 ℃～38 ℃，針對動力電池組最高溫度要求留有一定安全裕量。其他參數包括：沸點343.4 ℃，潛熱246 kJ/kg，密度788.6 kg/m3，閃點186.5 ℃，蒸汽壓0.000 14 mmHg，折射率1.442 5；不溶于水，溶于乙醚、苯。

1.2 泡沫銅

選用孔隙率95%的泡沫銅，以增強相變材料的吸熱效果。泡沫銅由于具有密度低、比表面積大、通孔均勻細致等特點，將相變材料與泡沫銅材料相結合，可以使得熱量沿金屬纖維快速傳遞，并通過較大的比表面積將熱量擴散到整個儲能裝置內部。

2 新型儲能部件熱控制集成方案

2.1 內嵌式方案

內嵌式方案是通過將相變材料放入單體電池片與單體電池片之間，利用相變材料的相變潛熱將電池片散發的熱量吸收，然后通過導熱片與空氣以強迫對流方式散出。導熱片的結構為銅、鋁等導熱系數高的片狀金屬。圖1所示為內嵌式方案示意圖。

圖1 內嵌式方案示意圖

圖2 外貼式方案示意圖

2.2 外貼式方案

外貼式方案是將相變材料模塊布置在動力電池模組表面，利用導熱片將動力電池散發的熱量傳遞給相變材料，利用相變材料的相變潛熱吸收一部分熱量；同時通過導熱片與強迫空氣以對流方式散出另一部分熱量。導熱片的結構以片狀為宜，須與單體動力電池緊密貼合，材料可以為銅、鋁等導熱系數高的金屬。圖2所示為外貼式方案示意圖。

3 新型儲能部件熱控制方案試驗

3.1 試驗臺

本文搭建了動力電池充放電—熱性能耦合測量試驗臺，針對新型儲能部件熱控制方案的性能與設計效果進行了試驗測試。試驗臺原理圖如圖3所示。試驗臺分兩個部分：充放電測量系統及流動與傳熱性能測量系統。充放電系統用于進行不同倍率的充放電以模擬電池實際工作過程，確保電池發熱量與實際工作過程相符合。流動與傳熱性能測量系統為獨立設計的低速風洞系統，試驗件放置在該系統的樣品池中，試驗臺如圖4所示。

圖3 試驗臺原理圖

圖4 試驗臺

試驗測試儀器匯總見表1。

3.2 試驗對象

試驗對象為湖州微宏動力提供的軟包裝鈦酸鋰電池單體以及使用該單體電池組裝的鈦酸鋰模組，具體參數如表2所示。鈦酸鋰電池循環性能好，放電電壓平穩，電解液不易分解，可高倍率充放電，安全性相對較高。其片狀結構更易于本文方塊狀相變裝置的安裝和集成。

實際電堆模組由3并、3串9片電池單體組成，電芯之間存在縫隙，采用空氣進行對流散熱，如圖5所示。

表1 試驗設備表

表2 單體軟包裝鈦酸鋰可充電電池參數

圖5 試驗電堆組裝方式

3.3 方案步驟

通過已經搭建的模擬通風試驗臺，分別對“內嵌式方案”和“外貼式方案”進行了強迫風冷/相變材料綜合冷卻試驗，試驗步驟如下：

(1)打開加熱器，查看溫度計，當調溫調流段內溫度達到設定溫度(±0.2℃)時，開始試驗；

(2)打開并變頻風機，使風管進風口風速達到設定數值(±0.1 m/s)；

(3)接通充放電設備，使電池充放電按設定電流進行充放電操作；

(4)打開電腦和數據采集儀，使其自動記錄模塊電池表面溫度，記錄間隔為30 s；

(5)當電芯表面溫度超過55 ℃或溫度穩定時結束試驗，關閉所有設備。

3.4 測試結果

基于上述鈦酸鋰電池模塊的“內嵌式方案”樣件如圖6所示，熱電偶布置位置如圖7所示。

圖6 “內嵌式方案”樣件

圖7 熱電偶布置

基于上述某電池模塊的“外貼式方案”樣件如圖8所示，熱電偶布置位置如圖9所示。

圖8 “外貼式方案”樣件

冷卻風溫28 ℃，充放電倍率2C，冷卻風速3 m/s的試驗結果如圖10所示。試驗共進行3次充放電循環。

試驗結果表明，

(1) 溫升方面：動力電池溫升隨著放電時間增加而增大，兩種方案均可將動力電池模組溫升控制在55 ℃以內。采用“內嵌式方案”，模塊內溫度基本維持在40 ℃以內；采用“外貼式方案”，模塊內溫度基本維持在52 ℃以內。

圖9 熱電偶布置

(2) 溫度均勻性方面：“內嵌式方案”可保證模塊內溫度均勻性基本維持在3℃以內，“外貼式方案”只能保證模塊內溫度基本維持在5℃左右。

(3) 相較而言，“內嵌式方案”與電池組結合更緊密，效果更佳，熱控制時間可達5 h以上。

4 結 論

本文結合相變冷卻和空氣冷卻的優缺點，提出了內嵌式和外貼式兩種新型儲能部件熱控制散熱方案。通過試驗測試結果可得出如下結論：

圖10 測試結果

(1) 動力電池溫升隨著放電時間增加而增大。

(2)“內嵌式方案”和“外貼式方案”均能夠將最高溫度和最大溫差分別控制在55 ℃和5 ℃以內，能夠滿足電池的散熱需求。

(3)“內嵌式方案”與電池組結合更緊密，熱控制效果更佳，可維持模塊內溫度在40 ℃以內，溫度均勻性在3 ℃以內，有效熱控制時間達5 h以上。

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LIMing,LIUNan

(Product Technical Research Center, CRRC Tangshan Co., Ltd., Tangshan 063035 Hebei, China)

Thermal control technology of energy storage unit guarantees the steady operation of hybrid tram. In order to ensure temperature uniformity of the new energy storage unit and the work in the optimal temperature range, two kinds of new energy storage unit phase change materials-air coupled thermal control schemes are designed in this paper. By preparing paraffin/copper foam composite materials and building the experimental platform, the experiment of different discharge rate and different working conditions are carried out by the embedded scheme and the external scheme, for providing some reference for the practical development of the new energy storage unit thermal management system.

hybrid tram; energy storage unit; phase change cooling; air cooling; copper foam/paraffin

*國家科技支撐項目(2014BAG08B02)

男，高級工程師(

2016-03-25)

1008-7842 (2016) 05-0012-04

U268.6

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2016.05.03