動(dòng)力電池冷熱雙向循環(huán)熱管理系統(tǒng)性能分析

梁坤峰，米國(guó)強(qiáng)，徐紅玉，董 彬，李亞超，王莫然

動(dòng)力電池冷熱雙向循環(huán)熱管理系統(tǒng)性能分析

梁坤峰1，米國(guó)強(qiáng)1，徐紅玉2，董 彬1※，李亞超1，王莫然1

（1. 河南科技大學(xué)車(chē)輛與交通工程學(xué)院，洛陽(yáng) 471003；2. 河南科技大學(xué)土木工程學(xué)院，洛陽(yáng) 471003）

基于工質(zhì)相變換熱和無(wú)泵循環(huán)思路，提出了一種動(dòng)力電池冷熱雙向熱管理系統(tǒng)。以某款三元鋰電池為研究對(duì)象，試驗(yàn)測(cè)試了冷熱雙向循環(huán)熱管理系統(tǒng)的散熱和加熱工況。結(jié)果表明：該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)電池箱低溫工況加熱與高溫工況散熱的運(yùn)行切換管理。散熱工況下，換熱板采用4根豎管比單根蛇形管的散熱能力強(qiáng)；冷凝器側(cè)強(qiáng)制風(fēng)冷散熱與自然對(duì)流散熱相比，能將系統(tǒng)一換熱功率提高10%～44.2%，系統(tǒng)二換熱功率提高20%～48.6%；電池箱溫度為60 ℃時(shí)，自然對(duì)流散熱系統(tǒng)換熱板的最大溫差小于2 ℃，強(qiáng)制對(duì)流散熱系統(tǒng)換熱板的最大溫差小于1 ℃；在電池初始溫度25 ℃時(shí)，1C、2C、3C放電倍率下，放電結(jié)束強(qiáng)制對(duì)流散熱在能將8塊電池的平均溫度分別降低2.1、3.9、4.7 ℃。加熱工況下，多組試驗(yàn)電池箱的升溫效果一致性較好。考慮車(chē)輛行駛中換熱板傾斜的影響，受制于工質(zhì)的流量分配，散熱工況時(shí)溫度均勻性?xún)?yōu)于加熱工況。

電；儲(chǔ)能；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；雙向循環(huán)熱管理；切換；相變換熱；熱虹吸；溫度均勻性

0 引 言

采用鋰電池作為動(dòng)力源，可有效提高電池組的能量密度及其安全性能、使用壽命，不僅被用于電動(dòng)汽車(chē)、飛機(jī)、潛艇、小型船只和航天器等高科技行業(yè)[1-2]，同時(shí)隨著現(xiàn)代智慧農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，農(nóng)用車(chē)輛電動(dòng)化已成為國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展的領(lǐng)域，相關(guān)應(yīng)用研究亦得到格外關(guān)注[3]。

然而，電池作為動(dòng)力電源使用時(shí)常產(chǎn)生大量熱量，加上更為復(fù)雜的農(nóng)用車(chē)輛工作條件，以及電池組緊致的布置，不可避免會(huì)引起電池的熱堆積，造成其溫度超出最佳工作溫度區(qū)間，嚴(yán)重影響電池的性能甚至?xí)苯訉?dǎo)致電池的報(bào)廢。當(dāng)前見(jiàn)諸報(bào)道的動(dòng)力電池組熱管理系統(tǒng)研究主要集中在散熱方面，如農(nóng)用車(chē)輛中的電池采用風(fēng)冷散熱方式[4]，徐曉明等[5]對(duì)強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱條件下的電動(dòng)農(nóng)用車(chē)橫向電池包進(jìn)行了研究。但是在高溫或者持續(xù)作業(yè)等特殊工況下，電池產(chǎn)熱的快速積聚容易導(dǎo)致電池包的熱失控，甚至發(fā)生燃燒或爆炸[6-7]，需要引入更好的熱管理方式，當(dāng)前已經(jīng)在電動(dòng)汽車(chē)上使用的更為高效的散熱方式有液冷[8]、熱管冷卻[9]、相變材料冷卻等[10-13]。同時(shí)，由于鋰離子電池低溫充放電循環(huán)易造成不可逆的容量損失，在北方寒冷地區(qū)使用時(shí)，還需要考慮電池的加熱，受制于成本及空間限制，普遍采用（PTC, Positive Temperature Coefficient）加熱，雖設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單但耗電嚴(yán)重。因此，為了保證農(nóng)用電動(dòng)車(chē)電池組的使用壽命和安全性等指標(biāo)，需要開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)良好、行之有效，兼顧加熱與冷卻2種工況的動(dòng)力電池組熱管理系統(tǒng)。

基于此，本文基于工質(zhì)（制冷劑）相變換熱思路，結(jié)合液冷和熱管冷卻2種高效熱管理方式，利用液態(tài)工質(zhì)吸熱氣化產(chǎn)生熱虹吸效應(yīng)，作為熱管理系統(tǒng)循環(huán)的推動(dòng)力，提出一種冷熱雙向循環(huán)熱管理系統(tǒng)，研究該系統(tǒng)的散熱與加熱熱管理特性。

1 裝置原理與電池產(chǎn)熱計(jì)算

1.1 雙向循環(huán)系統(tǒng)組成與原理

圖1為雙向循環(huán)熱管理系統(tǒng)圖，包括熱管理模塊A、數(shù)據(jù)采集模塊B和模擬熱源C。熱管理模塊由加熱棒、氣泡泵、單向閥、翅片管式冷凝器、前換熱板、導(dǎo)熱硅膠片組成，內(nèi)部循環(huán)制冷劑。模擬熱源由溶液罐、恒溫箱、直流電源和循環(huán)水泵組成，內(nèi)部流動(dòng)乙二醇水溶液。數(shù)據(jù)采集模塊包括安捷倫34970A和T型熱電偶溫度傳感器（圖中圓點(diǎn)為測(cè)溫點(diǎn)）。為便于驗(yàn)證冷熱雙向熱管理系統(tǒng)的工作性能，采用后換熱板替代動(dòng)力電池，動(dòng)力電池產(chǎn)熱量按電池產(chǎn)熱規(guī)律由模擬熱源等量生成。系統(tǒng)工作原理：散熱工況下，閥3和閥5打開(kāi)，閥4關(guān)閉，待電池箱11穩(wěn)定在設(shè)定溫度后，開(kāi)啟循環(huán)水泵10。前換熱板下部管中積聚液態(tài)制冷劑。制冷劑選用R141b，在常壓下其沸點(diǎn)為32.1 ℃，屬于非可燃性液體，化學(xué)穩(wěn)定性好。電池產(chǎn)熱后，其溫度與液態(tài)制冷劑之間建立溫差，制冷劑吸收后換熱板9的熱量氣化，氣體攜帶液態(tài)制冷劑提升進(jìn)入冷凝器6，氣液兩相流體冷凝為純液態(tài)流至氣泡泵2，氣泡泵2的底部與前換熱板下部管道相通，以此完成工質(zhì)循環(huán)。

加熱工況下，閥4打開(kāi)，閥3和閥5關(guān)閉。氣泡泵2中的液態(tài)制冷劑吸收加熱棒1的熱量氣化，氣液兩相流體提升進(jìn)入前換熱板，后換熱板9吸收前換熱板的熱量使電池箱11的溫度升高，前換熱板中的氣液兩相流體冷凝為液態(tài)，通過(guò)前換熱板下部管道回流至氣泡泵2，完成循環(huán)。

1.加熱棒 2.氣泡泵 3、4、5.單向閥 6.翅片管式冷凝器 7.（15）前換熱板（7-蛇管換熱器、15-立式直管換熱器） 8.導(dǎo)熱硅膠 9.后換熱板 10.循環(huán)水泵 11.電池箱（恒溫槽） 12.溶液灌 13.直流電源 14.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

前換熱板循環(huán)制冷劑。考慮到回路熱管中多管蒸發(fā)器和單管蒸發(fā)器設(shè)計(jì)均可實(shí)現(xiàn)高效換熱[14]，將前換熱板設(shè)計(jì)成單根蛇形換熱板7系統(tǒng)一和4根立式直管換熱板15（與冷凝器距離由近及遠(yuǎn)為豎管1、2、3、4）系統(tǒng)二2種結(jié)構(gòu)，以此考察換熱板內(nèi)工質(zhì)氣化后，熱虹吸效應(yīng)下，不同的循環(huán)驅(qū)動(dòng)力及冷凝器不同散熱方式（自然、強(qiáng)制對(duì)流散熱），對(duì)該熱管理系統(tǒng)的影響。后換熱板循環(huán)來(lái)自恒溫箱（后文簡(jiǎn)稱(chēng)電池箱）的乙二醇水溶液。前后換熱板之間填充導(dǎo)熱硅膠，外部包裹保溫棉，保證熱量?jī)H在換熱板之間傳遞。

電池箱產(chǎn)熱和耗熱量由乙二醇水溶液的熱容量等量衡算，通過(guò)溫度變化計(jì)算出試驗(yàn)系統(tǒng)的換熱功率，如式（1）所示。

1.2 電池產(chǎn)熱

鋰離子電池放電過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量的熱[17-18]，為此，以某三元鋰電池為研究對(duì)象，計(jì)算其放電產(chǎn)熱量，電池單體具體參數(shù)參考文獻(xiàn)[19]。目前，基于電池均勻產(chǎn)熱的假設(shè)，Bernardi等[20]提出的電池生熱速率模型，得到廣泛認(rèn)同，該模型中電池內(nèi)阻計(jì)算參考文獻(xiàn)[21-22]獲得，由此得到不同放電倍率下電池的熱特性，具體結(jié)果如表1所示，其中，放電倍率（C）代表電池放電電流與額定容量的比值。在相同的電池放電規(guī)律下，與李海君[19]實(shí)測(cè)的電池溫度相比，二者的最大誤差小于10%。

表1 不同放電倍率下電池?zé)崽匦詤?shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 散熱工況

散熱工況下，研究電池箱設(shè)定溫度為40、50、60和70 ℃時(shí)，2種熱管理系統(tǒng)的散熱能力。圖2給出了電池箱設(shè)定溫度60 ℃時(shí)，熱管理模塊啟動(dòng)后，各測(cè)溫點(diǎn)溫度變化曲線(xiàn)。圖2a、2b是系統(tǒng)一的溫度變化曲線(xiàn)，圖2c、2d是系統(tǒng)二的溫度變化曲線(xiàn)。由圖可知，散熱循環(huán)建立之前，系統(tǒng)各測(cè)溫點(diǎn)溫度均快速升高，循環(huán)建立后，各測(cè)溫點(diǎn)溫度均勻降低。在圖2a中約660 s時(shí)，制冷劑側(cè)溫度出現(xiàn)明顯波動(dòng)，是因?yàn)橄到y(tǒng)一采用蛇形管換熱，氣液兩相制冷劑流通距離長(zhǎng)，阻力大，且自然對(duì)流散熱與強(qiáng)制對(duì)流散熱相比，系統(tǒng)建立制冷劑循環(huán)需要克服更大的阻力。不斷積聚的制冷劑兩相混合物使系統(tǒng)溫度壓力不斷升高。當(dāng)積聚的量足夠多，推動(dòng)力足夠大，氣液兩相制冷劑通過(guò)冷凝器冷凝成為純液體，循環(huán)建立起來(lái)。而強(qiáng)制對(duì)流散熱時(shí)，氣液兩相制冷劑在冷凝器中能迅速冷凝，冷凝后的液態(tài)制冷劑受重力流動(dòng)時(shí)又產(chǎn)生虹吸力加速循環(huán)，故在圖2b中未出現(xiàn)明顯波動(dòng)。而在系統(tǒng)二中，4根換熱管供液充足，相同溫度下更有利于產(chǎn)生制冷劑氣體，提升力大，提高了系統(tǒng)的散熱能力，故圖2c和2d也未出現(xiàn)明顯波動(dòng)。

表2是電池箱設(shè)定溫度為40 ℃、50 ℃和70 ℃時(shí)，3個(gè)狀態(tài)點(diǎn)的試驗(yàn)參數(shù)。其中，電池箱開(kāi)始試驗(yàn)時(shí)為初始狀態(tài)，對(duì)應(yīng)電池箱的初始溫度；達(dá)到電池箱設(shè)定溫度且系統(tǒng)穩(wěn)定循環(huán)，即電池箱溫度開(kāi)始下降時(shí)為穩(wěn)定狀態(tài)，對(duì)應(yīng)電池箱的穩(wěn)定溫度，并記錄此時(shí)的時(shí)間；試驗(yàn)結(jié)束時(shí)在結(jié)束狀態(tài)點(diǎn)測(cè)得電池箱的結(jié)束溫度。由表可知，電池箱設(shè)定溫度為40 ℃時(shí)，2個(gè)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間普遍較短，這是因?yàn)榇藭r(shí)電池箱的溫度處于其合適工作溫度范圍，電池產(chǎn)熱量小，換熱板內(nèi)的液態(tài)制冷劑吸熱，即可有效抑制電池溫升，熱量?jī)?chǔ)存在換熱板中的液態(tài)制冷劑中，并未建立循環(huán)。電池箱設(shè)定溫度為50 ℃時(shí)，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間較長(zhǎng)，此時(shí)電池溫度升高，制冷劑吸熱形成熱虹吸效應(yīng)，進(jìn)而完成工質(zhì)在系統(tǒng)內(nèi)部的循環(huán)，才能有效散熱，而建立循環(huán)需要時(shí)間，因此系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間較長(zhǎng)。隨著電池溫度繼續(xù)升高，產(chǎn)生的制冷劑氣液兩相混合物量更大，建立循環(huán)更快，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間縮短，故在電池箱設(shè)定溫度為70 ℃時(shí)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定循環(huán)的時(shí)間又縮短。表中，系統(tǒng)二達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間均快于系統(tǒng)一，說(shuō)明系統(tǒng)二更有利于工質(zhì)熱虹吸效應(yīng)的形成。

圖2 60 ℃時(shí)散熱電池箱溫度隨散熱時(shí)間變化曲線(xiàn)

Fig 2 Change curve of heat dissipation cell temperature with heat dissipation time at 60℃

表2 設(shè)定溫度40、50、60℃時(shí)實(shí)測(cè)電池箱3個(gè)狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)

圖3為不同電池箱溫度，2個(gè)系統(tǒng)換熱功率變化曲線(xiàn)。由圖可知，隨電池箱溫度升高，系統(tǒng)換熱功率增大，且強(qiáng)制對(duì)流比自然對(duì)流換熱功率高。強(qiáng)制對(duì)流換熱功率與自然對(duì)流換熱功率相比，系統(tǒng)一提高10%～44.2%，系統(tǒng)二提高20%～48.6%，且系統(tǒng)二的自然對(duì)流換熱功率與系統(tǒng)一強(qiáng)制對(duì)流換熱功率幾乎相同，說(shuō)明系統(tǒng)二散熱更好。

圖3 電池箱換熱功率隨電池箱溫度的變化曲線(xiàn)

2.1.1 溫度均勻性試驗(yàn)

目前，電動(dòng)汽車(chē)電池組主要通過(guò)換熱板傳熱進(jìn)行換熱，而電池組的溫度均勻性受換熱板溫度的影響較大。行業(yè)通常要求動(dòng)力電池組內(nèi)部的溫差應(yīng)不大于5℃[23]。

為探究散熱工況下，系統(tǒng)二中立式直管換熱板的溫度均勻性，在電池箱設(shè)定溫度為60 ℃時(shí)，在不同散熱形式下對(duì)系統(tǒng)二進(jìn)行試驗(yàn)，4根豎管的溫度變化曲線(xiàn)如圖4所示，圖4a是自然對(duì)流散熱，圖4b是強(qiáng)制對(duì)流散熱。由圖可知，初始溫度相同，試驗(yàn)開(kāi)始后，4根豎管溫度先劇烈升高并快速降低，而后緩慢上升至系統(tǒng)建立起穩(wěn)定散熱循環(huán)，之后4根管溫度均勻緩慢降低，2圖變化趨勢(shì)相同。原因在于試驗(yàn)剛開(kāi)始時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)液態(tài)制冷劑吸收電池?zé)崃靠焖佼a(chǎn)生大量制冷劑氣液兩相混合物，導(dǎo)致4根豎管溫度劇烈變化。循環(huán)建立之后，系統(tǒng)換熱達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，隨著換熱時(shí)間增加，4根管溫度緩慢降低。圖4a中4根管溫度普遍高于圖4b，這是因?yàn)樽匀粚?duì)流換熱速率較慢，系統(tǒng)內(nèi)制冷劑氣液兩相混合物積聚較多，故溫度偏高。而強(qiáng)制對(duì)流散熱系統(tǒng)產(chǎn)生的氣液兩相制冷劑能很快冷凝，系統(tǒng)內(nèi)流通性較好，溫度較低。自然對(duì)流散熱形式下，4根管溫度與平均值之差在正負(fù)1 ℃之內(nèi)，強(qiáng)制對(duì)流散熱形式下，4根管溫度與平均值之差在正負(fù)0.5 ℃之內(nèi)，均勻性較好。

圖4 不同散熱方式立式直管換熱板溫度變化

2.1.2 傾角試驗(yàn)

考慮車(chē)輛實(shí)際行駛上下坡等路況，在強(qiáng)制對(duì)流散熱工況對(duì)系統(tǒng)二進(jìn)行傾角試驗(yàn)，溫度取60 ℃，傾角取15°，不同傾角下立式直管換熱板的4根豎管溫度曲線(xiàn)如圖5所示，圖5a為左傾15°，系統(tǒng)換熱功率為79.8 W；圖5b為右傾15°，系統(tǒng)換熱功率為81.2 W。與無(wú)傾角相比，換熱功率基本不變，區(qū)別是4根管溫差較大。這是因?yàn)橛薪嵌葧r(shí)，液體制冷劑在豎管內(nèi)分布不均，產(chǎn)生的制冷劑氣體量有多有少，溫差較大。左傾時(shí)，大部分制冷劑積聚在氣泡泵部分，4根管內(nèi)制冷劑液體很少甚至沒(méi)有，制冷劑氣體在豎管內(nèi)無(wú)規(guī)律流動(dòng)，豎管1與豎管3最大溫差達(dá)到11 ℃。右傾時(shí)，豎管4、3、2、1內(nèi)制冷劑由多到少，導(dǎo)致每根管產(chǎn)生的制冷劑氣體量不同，溫度也不均勻，4根管在300 s時(shí)達(dá)到最大溫差15 ℃，平衡后溫差維持在4 ℃左右。說(shuō)明傾角對(duì)系統(tǒng)溫度均勻性不利，需后期改進(jìn)。

圖5 強(qiáng)制對(duì)流散熱不同傾角立式直管換熱板溫度變化

真實(shí)環(huán)境中車(chē)輛沖擊和顛簸對(duì)電池的瞬間放電要求，導(dǎo)致電池溫度快速上升，與本文熱管理系統(tǒng)相近的傳熱技術(shù)散熱研究，已有文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)。Tran 等[9]認(rèn)為顛簸環(huán)境下，平板熱管的換熱效果不受影響；Connors等[24]試驗(yàn)測(cè)試表明熱管在軍用車(chē)輛沖擊和顛簸條件下的熱性能沒(méi)有下降；Guo等[25]通過(guò)機(jī)械振動(dòng)方式增加了矩形微槽潤(rùn)濕面積，強(qiáng)化了微槽傳熱；由此，顛簸狀態(tài)下電池?zé)峁芾硇阅苎芯績(jī)H做傾斜狀態(tài)下的換熱效果分析。

2.2 電池箱加熱工況

圖6給出了2種系統(tǒng)加熱工況下各測(cè)溫點(diǎn)溫度變化曲線(xiàn)。圖6a為系統(tǒng)一的溫度變化曲線(xiàn)，加熱棒功率為150 W；圖6b為系統(tǒng)二的溫度變化曲線(xiàn)，加熱棒功率為54 W。由圖可知，加熱開(kāi)始后，制冷劑側(cè)溫度迅速升高，溶液側(cè)溫度隨之均勻上升。圖6a在500 s左右制冷劑進(jìn)出口溫度達(dá)到平衡并緩慢升高，進(jìn)出口溫差維持在30 ℃左右，電池?fù)Q熱功率約為80 W，與加熱棒功率相差較大，原因是加熱棒放置在套管中，熱量損失較大，故功率較低。圖6b在300 s左右制冷劑進(jìn)出口溫度達(dá)到平衡并緩慢升高，進(jìn)出口溫差維持在15 ℃左右，電池?fù)Q熱功率約53.7 W，與加熱棒功率基本吻合，這是因?yàn)橄到y(tǒng)二加熱棒與制冷劑直接接觸，熱量不存在耗散。圖6b達(dá)到平衡的時(shí)間、制冷劑進(jìn)出口溫度及溫差均低于圖6a，是因?yàn)榱⑹街惫軗Q熱器采用4根豎管布置，流道縮短，換熱效率高，故整體溫度低且平衡建立較快。

圖6 不同系統(tǒng)加熱工況電池箱溫度變化

圖7為使用系統(tǒng)二對(duì)電池箱進(jìn)行加熱時(shí)，不同電池箱初始溫度，系統(tǒng)二中立式直管換熱板4根豎管溫度變化曲線(xiàn)。圖7a、7b、7c、7d的電池箱初始溫度分別為-5、0、5、25 ℃。由圖可知，豎管1溫度升高最快，豎管2、3、4依次隨之。這是因?yàn)橄到y(tǒng)整體溫度較低時(shí)，高溫制冷劑氣體在先接觸的豎管流通并換熱，當(dāng)前排的豎管溫度升高后，多余的高溫制冷劑氣體才會(huì)進(jìn)入后排豎管，隨著加熱時(shí)間增加，4根豎管溫度逐漸趨于均勻。

2.3 全工況測(cè)試分析

通過(guò)前文的試驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)熱管理系統(tǒng)二在加熱與散熱方面的換熱效果均優(yōu)于熱管理系統(tǒng)一，因此，使用系統(tǒng)二對(duì)電池箱進(jìn)行加熱和散熱連續(xù)試驗(yàn)，如圖8所示。

圖8為使用系統(tǒng)二對(duì)電池箱進(jìn)行加熱和散熱連續(xù)試驗(yàn)，電池箱溫隨時(shí)間變化曲線(xiàn)。電池箱初始溫度為0 ℃，熱管理系統(tǒng)先對(duì)電池箱加熱，加熱功率為54 W，加熱過(guò)程中電池不放電，當(dāng)電池箱溫度達(dá)到25 ℃時(shí)停止加熱，之后將熱管理系統(tǒng)切換至散熱工況，電池箱開(kāi)始放電至放電結(jié)束。電池箱散熱的熱量為8塊前述電池的產(chǎn)熱量，由此獲得基于系統(tǒng)二的動(dòng)力電池加熱與散熱全工況測(cè)試。相同加熱功率下，9組試驗(yàn)電池箱達(dá)到25 ℃的時(shí)間均在3 050～3 150 s；全工況試驗(yàn)結(jié)束后，可以發(fā)現(xiàn)3種放電倍率下，電池箱溫度無(wú)散熱時(shí)最高，自然對(duì)流散熱居中，強(qiáng)制對(duì)流散熱最低；與無(wú)散熱相比，1C放電倍率下強(qiáng)制對(duì)流散熱能將電池箱平均溫度降低2.1 ℃，2C放電倍率下強(qiáng)制對(duì)流散熱能將電池平均溫度降低3.9 ℃，3C放電倍率下能將電池平均溫度降低4.7 ℃。

圖7 初始溫度對(duì)豎管溫度均勻性的影響

圖8 全工況測(cè)試

3 結(jié) 論

1）基于工質(zhì)相變的飽和壓力-飽和溫度關(guān)系，利用熱虹吸原理，構(gòu)建的動(dòng)力電池冷熱雙向熱管理系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)電池箱加熱與散熱工況的運(yùn)行切換，實(shí)現(xiàn)電池箱溫度的管理。

2）電池箱散熱工況下，雙向熱管理系統(tǒng)的散熱能力隨電池箱溫度的升高而增大，對(duì)2種換熱板結(jié)構(gòu)而言，冷凝器側(cè)強(qiáng)制對(duì)流散熱均比自然對(duì)流散熱時(shí)有更好的散熱特征，且采用4根立式直管換熱板也明顯比單根蛇形管換熱板的散熱能力更強(qiáng)。

3）電池箱加熱工況下，氣泡泵內(nèi)工質(zhì)吸熱能有效形成熱虹吸效應(yīng)，工質(zhì)在系統(tǒng)內(nèi)的循環(huán)更為流暢，相同加熱功率下，電池箱達(dá)到設(shè)定溫度的時(shí)間一致性較好。

4）無(wú)傾斜角度時(shí)，相對(duì)于加熱工況來(lái)說(shuō)，4根豎管的溫度均勻性在散熱工況下較好，即換熱板的最大溫差小于2 ℃；而處于傾斜狀況下，由于工質(zhì)的流動(dòng)特征，其在4根豎管內(nèi)的流量分配不均，致使其溫度均勻性受到較大影響。

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Performance analysis of power battery cooling or heating two-way cycling thermal management system

Liang Kunfeng1, Mi Guoqiang1, Xu Hongyu2, Dong Bin1※, Li Yachao1, Wang Moran1

(1.,,471003,; 2.,,471003,)

Green energy and clean vehicles have triggered the power improvement of electric vehicles, as most agricultural machine equipment are becoming much more electric. Large-scale battery and high current discharge have gradually served as a power supply, leading to the formation of much heat during rapid charge and discharge cycles at high current levels. Therefore, it is inevitable to cause the thermal accumulation in batteries, thereby to exceed the optimal operating temperature range, particularly in agricultural vehicles with the more complex working conditions and the compact layout of battery packs. An appropriate strategy of thermal management is necessary to control the battery temperature within a reasonable temperature range. In this study, a thermal management system of power battery was presented with cooling or heating functions, using the techniques of phase-change heat transfer and pump-free circulation. Taking ternary lithium batteries as the research objects, the two-way working modes of thermal management system were tested under cooling or heating conditions, thereby to investigate the influence of inclination angle on heat dissipation and temperature uniformity. In the case of cooling, the cooling capacities of two thermal management systems were studied under natural and forced convection cooling conditions, when the initial temperature of battery box was set as 40 ℃, 50 ℃, 60 ℃ and 70 ℃. In the case of heating, the heating capacities of two thermal management systems were also studied, together with the initial temperature of different batteries, and the heat exchange uniformity of two thermal management systems. The results showed that the proposed system can realize the switching operation management of cooling and heating in two-way modes, based on high or low temperatures. Specifically, the switch of thermal management can be implemented by controlling the opening and closing of the valve at the preset temperature. Under the cooling condition, the heat dissipation capacity of heat exchanger plate with four vertical tubes was stronger than that of the single serpentine tube. Compared with natural convection, forced convection on the condenser side can increase the heat transfer power of system 1 by 10%-44.2%, and system 2 by 20%-48.6%;When the temperature of battery box was 60 ℃, the maximum temperature difference of heat exchange plate was less than 2 ℃ in the natural convection heat dissipation system, whereas less than 1 ℃ in the forced convection heat dissipation system. At an initial battery temperature of 25 ℃ and the discharge rates of 1C, 2C, and 3C, the forced convection heat dissipation at the end of discharge can reduce the average temperature of battery box by 2.1 ℃, 3.9 ℃, and 4.7 ℃, respectively. Under the heating condition, the power of battery box was consistent in many groups of experiments. The flow distribution of working fluid can be confined, considering the tilting effect of heat exchanger plate in the vehicle driving, indicating the temperature uniformity was better than that in the heating dissipation condition. The findings demonstrated that two systems of thermal management can provide better heat transfer in the complex agricultural vehicles.

electricity; energy storage; system design; two-way thermal management; switch; phase change heat transfer; thermal siphon; temperature uniformity

梁坤峰，米國(guó)強(qiáng)，徐紅玉，等. 動(dòng)力電池冷熱雙向循環(huán)熱管理系統(tǒng)性能分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(14)：114-120.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.14.014 http://www.tcsae.org

Liang Kunfeng, Mi Guoqiang, Xu Hongyu, et al. Performance analysis of power battery cooling or heating two-way cycling thermal management system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(14): 114-120. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.14.014 http://www.tcsae.org

2020-01-04

2020-06-10

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（U1304521、51706060、51876055）；河南科技大學(xué)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)資助（No.2015XTD004）

梁坤峰，博士，教授，主要研究方向?yàn)閺?fù)雜多相系統(tǒng)建模、仿真與熱過(guò)程控制研究。Email：lkf@haust.edu.cn

董彬，博士，講師，主要研究方向?yàn)閭鳠崤c傳質(zhì)過(guò)程強(qiáng)化研究。Email：db8003@aliyun.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.14.014

TB61+1

A

1002-6819(2020)-14-0114-07