L形脈動熱管啟動和傳熱特性的研究

池日光 郭子瑞 公緒金

(哈爾濱商業大學能源與建筑工程學院 哈爾濱 150028)

鋰離子電池作為電動車的動力源具有極大的性能優勢，但在充放電過程中會釋放大量的熱[1-2]。C. Heuber等[3]在0.2～1 C (1 C：電池1 h內完全放電時的電流強度)的放電率下測得的鋰離子電池總發熱量約為50～150 kJ。S. Panchal等[4]測量了磷酸鐵鋰電池的發熱率，在1 C和4 C的放電率下鋰離子電池的發熱率達到了13 W和91 W。Liu Guangming等[5]對鋰離子電池的老化進行了研究，在2 C和4 C的放電率下，較新的鋰離子電池發熱率分別為7 W和25 W，而老化的鋰離子電池發熱率分別為9 W和33 W。若長時間處于鋰離子電池的工作溫度范圍(-20～60 ℃)時，充放電壽命將急劇降低，如圖1所示[6]，嚴重時還會引起鋰離子電池內部材料的分解和化學反應，導致熱失控產生更多的熱量，從而引發燃燒和爆炸等事故。汽車廠商為了彌補最大行程上的不足，在電動汽車有限的空間里安裝了大量的鋰離子電池，例如特斯拉的MODEL-S安裝了約7 000個18 650鋰離子電池，Chevy volt安裝了288塊板狀鋰離子電池[6-7]，這使電動汽車鋰離子電池的發熱問題更加嚴重。而且我國北方地區冬季溫度低、持續時間長，直接影響了電動汽車的發展和普及。

圖1 鋰離子電池壽命隨溫度變化[6]Fig.1 Lithium-ion battery cycle life change with temperature[6]

目前電動汽車電池熱管理方法主要有風冷和水冷兩種方式。王曉慧等[8-10]進行了風冷相關實驗，雖然風冷系統結構簡單，但由于空氣的密度、導熱系數、比熱等熱物性參數較低，導致溫度一致性和低冷卻效果較差，且整個系統所占空間較大。崔星等[11-13]進行了基于微通道的水冷實驗，由于水的密度、比熱和導熱系數較大，其冷卻效率非?？捎^，電池間最大溫差也能控制在2 ℃以內。但狹窄的通道和冷卻液的黏性使流動阻力增加，在水泵上消耗大量的電力，間接導致電動汽車的行程減少。并且水冷系統結構復雜、成本高，冷卻液的泄漏還會導致電池短路而發生事故。

脈動熱管(oscillating heat pipe，OHP)是一種新型熱管，由一根毛細管彎曲制后除去內部空氣并注入一定量的工質制作而成。脈動熱管內部在表面張力的作用下形成多個氣塞和液塞，當對脈動熱管的蒸發段和冷凝段進行加熱和冷卻時，溫度的不均勻分布導致氣塞間的蒸氣壓差，并在該壓差的作用下工質在蒸發段和冷凝段之間進行往返運動，通過相變和對流傳熱來實現熱量的傳遞。與傳統的熱管相比，結構上具有簡單和可小型化且無吸液芯的優點，并具有極高的傳熱極限和遠距離傳熱等優點，因此已有很多基于脈動熱管的電池熱管理研究正在進行中(圖2)，并獲得了較好的結果[14-15]。但這些研究中采用的脈動熱管的冷凝段和絕熱段所占空間較大，且冷凝段位于電池組的上方或側面，不利于大量的鋰離子電池的安裝、更換和維護。

圖2 脈動熱管電池熱管理研究Fig.2 Study on thermal management of oscillating heat pipe battery

為了解決板狀鋰離子電池的熱管理問題，本文提出如圖3所示的基于L形脈動熱管的電動汽車電池熱管理系統。由于該脈動熱管具有加熱段長、冷卻段和絕熱段短的特點，且冷卻段在電池組的下方，所以該結構不但能夠有效冷卻電池，還能節省大量空間以便安裝更多的電池，為電池的維護和更換提供便利。

圖3 脈動熱管電池熱管理系統概念圖Fig.3 Conceptual diagram of pulsating heat pipe battery thermal management system

1 實驗設備及實驗條件

實驗臺由數據采集器、直流電源、恒溫水箱、真空泵等組成，如圖4所示。當脈動熱管的工質為甲醇時其脈動熱管臨界管徑可通過式(1)求得，該臨界管徑約為3.4 mm[20]。故本研究中的脈動熱管由內/外徑為1 mm/2 mm的銅管制作而成，共9匝。加熱段和冷凝段的長度分別為100 mm和20 mm，且絕熱段為半徑為4 mm的1/4圓。脈動熱管的冷凝段與冷卻板相連，由恒溫水槽提供冷卻水。采用電加熱板來模擬LG鋰離子動力電池，尺寸為150 mm×100 mm×20 mm(長×寬×高)。測溫系統由數據采集器和熱電偶構成，且測溫點如圖5所示：No.1～4、No.5～8分別為脈動熱管加熱段的上部、下部的測溫點；No.9～12為脈動熱管冷卻段的測溫點；No.13～16為加熱板的測溫點；No.17～18為冷卻板的冷卻水進出口的測溫點，數據采集間隔為1 s。通過式(2)求得的熱阻R來評價脈動熱管的傳熱性能。

(1)

(2)

(3)

(4)

圖4 實驗臺Fig.4 Experimental bench

圖5 測溫點布置Fig.5 Layout of temperature measuring points

實驗條件如表1所示，采用的工質為甲醇，充液率(FR)為7.1%～21.2%。

實驗步驟：1)啟動真空泵除去脈動熱管內部的不凝結氣體；2)利用注射器將一定量的工質注入到脈動熱管內部；3)設定電源電壓、冷卻水溫度等參數后，啟動的同時記錄各個測溫點隨時間的變化；4)當電加熱板溫度不再變化時停止記錄溫度并停止實驗；5)解除脈動熱管的真空，除去脈動熱管內部工質。由于脈動熱管的各測溫點的溫度隨時間是周期性變化的，所以在本研究中以加熱板的溫度不再變化或變化很小(0.5 ℃)時，認為脈動熱管的運行達到了穩態。按照誤差傳遞原理，熱阻R的相對誤差可通過式(5)～式(6)求得[15]。當電壓和電流為45.5 V和0.440 A時,其熱阻的不確定度為4.96%。

表1 實驗條件Tab.1 Experimental conditions

(5)

(6)

2 實驗結果分析

2.1 啟動特性

FR為7.1%～21.2%時，在不同加熱量Q下啟動過程中的蒸發段測溫點(No.4)的溫度變化如圖6所示。由圖6可知，在Q為10～30 W條件下，低FR(7.1%)時的啟動溫度均在約31 ℃，但啟動時間從370 s減少至約220 s。FR為14.1%時，Q為10 W條件下較長時間段內發生較小的溫度震蕩，而Q增至20 W和30 W時啟動溫度分別為48.8 ℃和48.5 ℃，啟動時間分別為774 s和1 534 s。而FR為21.2%的條件下，Q為10 W時也無明顯的溫度震蕩。在Q為20 W和30 W條件下，啟動溫度增至56.8 ℃和56.3 ℃，啟動時間分別為1 258 s和2 435 s，且相比于穩態運行時的溫度相差較小。這是因為隨著FR的增加，工質流動過程中的摩擦阻力和重力也相應增加，需要更大的蒸氣壓來推動工質，所以啟動溫度呈現隨FR的增加而增大的趨勢。初始時刻工質所處位置為下方的冷凝段，所以在一定的充夜率條件下，克服重力把工質從下方的冷凝段輸送至蒸發段所需的力，即蒸氣壓或蒸氣度為一個臨界值。所以在相同的FR條件下，隨著Q的增加，蒸氣溫度能夠快速達到該臨界值而減少啟動時間，但啟動溫度變化細微。

圖6 Tc為25 ℃時不同加熱量下啟動時的溫度變化(No.4)Fig.6 Temperature variations during start-up under different heating quantities when Tc is 25 ℃(No.4)

2.2 穩態階段的傳熱特性

冷卻水溫度為20～30 ℃時不同FR和加熱量Q條件下的脈動熱管的熱阻如圖7所示。由圖7(a)可知，在10 W和15 W的低Q條件下最佳FR約為10.6%，而Q為20～30 W條件下最佳FR分別為10.6%和14.1%。這是因為在低FR(7.1%)下，在蒸發段易發生燒干現象而熱阻較大。FR增至10.6%和14.1%時，由于極大的緩解了蒸發段的燒干現象使脈動熱管的熱阻急劇降低。但FR增至17.7%和21.2%時，工質流動阻力也隨之增大，脈動熱管內部的蒸氣壓差不能有效推動工質在蒸發段和冷凝段間的往返運動而傳遞熱量。而且重力的作用使液相聚集在下方的冷凝段中，所以FR過高時冷凝段被液相所淹沒，阻礙氣相在冷凝段中的冷凝從而增加了脈動熱管的熱阻。圖7(b)和(c)分別為25 ℃和30 ℃冷卻水時不同充液率和加熱量條件下的熱阻。在低FR(7.1%)條件下，隨著Q的增加熱阻幾乎成一條直線，而FR為10.6%～21.2%條件下呈減小的趨勢。這是因為脈動熱管內部工質的溫度隨冷卻水溫度的升高而增大，所以在過低的FR條件下不能有效的濕潤蒸發段，在整個Q范圍內發生燒干現象。但隨著FR的增加，熱阻也呈先減小后增大的趨勢。在相同的FR和Q條件下，隨著冷卻水溫度的升高，其內部工質的溫度和壓力也相應增加，加劇了工質在脈動熱管內部的的運動從而強化了內部對流傳熱以及相變傳熱。所以脈動熱管的熱阻呈現隨冷卻水溫度的升高而降低的趨勢。

圖7 不同充液率和加熱量條件下的脈動熱管的熱阻變化Fig.7 Thermal resistance of pulsating heat pipes with different liquid filling rates and heating amount

不同的加熱量、充液率和冷卻水溫度條件下電加熱板的平均溫度如圖8所示。由圖8(a)可知，當FR為10.6%～14.1%時，冷卻水為20 ℃和Q為10～25 W的條件下電加熱板的平均溫度保持在55.3 ℃以內，而冷卻水溫度分別提高至25 ℃和30 ℃時，在Q為10～20 W條件下電加熱板的平均溫度分別保持在54.7 ℃和57.5 ℃以內，表明在該L形脈動熱管在上述加熱量范圍內能夠有效保證鋰離子電池的正常工作溫度。

圖8 不同充液率和加熱量條件下的加熱板溫度Fig.8 Heating plate temperature under different liquid filling rates and heating amount

3 結論

本文對電動汽車的電池熱管理提出了L形上部加熱底部冷卻式的脈動熱管，以甲醇作為工質進行了不同的加熱量、充液率冷卻水溫度下的啟動特性和傳熱特性的實驗，得到如下結論：

1)充液率的增加導致工質的流動阻力增大，所以在相同加熱量條件下，脈動熱管的啟動溫度隨充液率的增加而升高，而溫度震蕩的振幅呈減小的趨勢。

2)脈動熱管供熱量的增加會增大內部的蒸氣壓，加強工質運動從而提高傳熱效率。但加熱量過高時反而會導致蒸發段發生燒干現象。所以在一定充液率條件下，脈動熱管的熱阻隨供熱量的增加呈先減小后增大的趨勢。

3)過低的充液率會導致蒸發段的燒干現象，而過高的充液率會導致冷凝段的淹沒現象和阻力的增加，所以該脈動熱管存在充液率的最佳值，且該值約為10.6%～14.1%。在該充液率條件下，10～20 W的加熱量范圍內，電加熱板溫度能夠維持在54.7 ℃以內，表明該L形脈動熱管能夠有效保障鋰離子電池的正常工作溫度。

本文受黑龍江省普通本科高等學校青年創新人才培養計劃項目(UNPYSCT-20200214) 和哈爾濱商業大學青年后備人才支持計劃(2020CX23，2019CX24)資助。(The project was supported by the Young Innovative Talents Training Program of Heilongjiang Regular Undergraduate Institution of Higher Learning (No. UNPYSCT-20200214) and Harbin Commercial University Youth Reserve Talent Support Program (No. 2020CX23 & No. 2019CX24).)

符號說明

drcit——脈動熱管臨界管徑，m

FR——充液率

g——重力加速度，9.81 N/kg

Tc——冷卻水溫度，℃

Tcon——脈動熱管冷凝段溫度，℃

Teva——脈動熱管蒸發段溫度，℃

TH——電加熱板溫度，℃

Q——加熱量，W

R——熱阻，℃/W

T——溫度，℃

U——電壓，V

I——電流，A

Δ——誤差

σ——表面張力，N/m

ρv——氣相密度，kg/m3

ρl——液相密度，kg/m3

下標

i——測溫點編號