基于平板熱管的動力電池散熱性能研究

摘 "要：研究了平板熱管應用到電池熱管理系統的可行性，將平板熱管與冷夜結合構建了動力電池熱管冷卻系統，利用CATIA建立了冷卻系統三維模型，利用Fluent對電池組進行熱仿真。在不同環境溫度、放電倍率、冷卻液流速條件下，分析了電池組的溫度變化以及電池溫度分布情況。結果表明：使用平板熱管的電池組在2.5C放電倍率下，電池最高溫度在40℃以下、最大溫差5℃以下；在1C放電倍率下，與不含平板熱管的模塊相比，電池熱管冷卻系統最高溫度和最大溫差分別降低了8.19℃和7.46℃。

關鍵詞：動力電池；平板熱管；最高溫度

中圖分類號：U469.72；TM912 " " " " " " 文獻標識碼：A 文章編號：1008-5483（2024）03-0039-07

Research on Heat Dissipation Performance of Power Batteries

Based on Flat Heat Pipes

Ma Haoran， Bi Yin， Li Jiahui， Zhen Ruichang

（School of Automotive Engineering， Hubei University of Automotive Technology， Shiyan 442002， China）

Abstract： The feasibility of applying flat heat pipes to thermal management systems of batteries was studied， and a heat pipe cooling system of power batteries was constructed by combining flat heat pipes with cooling liquid. A three-dimensional model of the cooling system was established using CATIA， and a thermal simulation of the battery pack was conducted using Fluent. The temperature changes and temperature distribution of the battery pack were analyzed under different environmental temperatures， discharge rates， and cooling liquid flow rates. The experimental results show that the battery pack using flat heat pipes has a maximum temperature below 40 ℃ and a maximum temperature difference below 5 ℃ at a discharge rate of 2.5 C. At a discharge rate of 1 C， compared with those of modules without flat heat pipes， the maximum temperature and maximum temperature difference of the heat pipe cooling system of the battery are reduced by 8.19 ℃ and 7.46 ℃， respectively.

Key words： power battery; flat heat pipe; maximum temperature

動力電池是電動汽車的重要組成部分，其安全性和穩定性至關重要。電池在過低或者過高的溫度下，都會出現嚴重的性能和壽命的衰減，在極端情況下甚至會引發自燃，因此優秀的電池熱管理系統對電動汽車尤為重要［1］。熱管因其高導熱系數、良好的均溫效果和熱流方向可逆等特點，被廣泛應用于航天、電子、能源等領域，亦可被用于電動汽車電池熱管理中。Grecon［2］等對某款20 Ah的動力電池進行5C倍率的放電，發現通過熱管的冷卻可以將電池的溫度降低20 ℃以上。Yuan［3］對比了空氣、液體和熱管冷卻方式，對某款50 Ah的動力電池進行1C、2C倍率的3個循環充放電，發現空氣冷卻電池的最高溫度為47 ℃，液體冷卻最高溫度為43 ℃、最大溫差為3 ℃，熱管冷卻最高溫度為38 ℃、最大溫差為1 ℃，得出熱管在散熱性能和均溫性方面都要優于空氣冷卻和液體冷卻的結論。甘云華等［4］設計了針對圓柱形的散熱結構，該結構用到了熱管和導熱原件，仿真驗證了在加入導熱原件后電池與熱管間的接觸面積會變大，提高了電池散熱效率。Liu等［5］研究了熱管與風冷結合的電池散熱方式及散熱片的間距對整體系統的溫度影響，發現在該系統下電池的最高溫度為33 ℃、最大溫差小于5 ℃，相比風冷散熱該系統的電池組均溫性有明顯地提升。周海闊［6］等分別以熱管、翅片和集熱板散熱對磷酸鐵鋰電池進行了仿真分析，發現在1C的充放電倍率下，電池組的溫升在15 ℃以內，電池發生故障時電池組的溫度依然在安全范圍內。Xu［7］等人研究了熱管與液冷結合的電池散熱方式，在電池高倍率充放電條件下該散熱方式對電池組散熱效果優異，相比傳統液冷模式，該散熱方式的效果提高30.20%。上述研究都是基于熱管的動力電池散熱性能的研究，大多是將熱管的冷凝段與主動冷卻方式結合，并不對電池冷卻。而平板熱管比傳統熱管換熱面積更大且尺寸可調節，同時還易于棱柱形電池集成，因此文中使用平板熱管對電池進行冷卻研究。文中將平板熱管與液冷結合，使液冷既可以對熱管的冷凝段進行冷卻，又可對電池表面進行冷卻，充分利用了熱管和液冷的冷卻效果，使電池冷卻系統擁有良好的散熱性和均溫性。

1 動力電池模型

1.1 動力電池發熱量計算

文中研究的電池為某方形磷酸鐵鋰電池，相比于其他種類的電池，磷酸鐵鋰電池具有高穩定性、高能量密度和壽命長等特點，在電動汽車上應用最為廣泛［8］，其參數如表1所示。電池在充放電過程中其內部發生了電化學反應，產生大量熱量，產生熱量的速率與電池的種類、容量、充放電倍率以及所處的環境溫度都有關系［9］。磷酸鐵鋰電池的熱量主要由反應熱Qr、極化熱Qp、焦耳熱Qj、副反應熱Qs組成［10］，總熱量Q為

[Q=Qr+Qp+Qj+Qs] （1）

由于[Qs]是電池在不工作時或過度充放電時電解質發生一定的副反應所產生的熱量，因此可以忽略不計。[Qr]為可逆熱量，[Qs]、[Qp]、[Qj]為不可逆熱量。

電池熱模型目前常用的是Bernardi公式［11］，假定電池為恒定的生熱源，電池產生的熱量為

[Q=IUOCV-U+T?UOCV?T] （2）

式中：I、U為工作電流、電壓；Uocv為開路電壓；T為電池溫度。根據電池溫升特性試驗［12］，式（2）改寫為

[Q=mCpdTdt=4×10-3I2+0.114I] （3）

式中：m為電池整體質量；cp為電池的比熱容。最終計算出電池單位體積的產熱量，如表2所示。

表2 "電池單位體積不同放電倍率的產熱量 " "W·m-3

[放電倍率 產熱量 放電倍率 產熱量 1C 15 900 2C 42 900 1.5C 28 000 2.5C 60 400 ]

1.2 動力電池熱物性計算

1） 電池密度 電池平均密度計算公式如下：

[ρ=m v] （4）

式中：v為電池的體積。計算出電池的密度為2 064 kg·m?3。

2） 電池比熱容 電池整體的比熱容計算公式：

[cp=1mcimi] （5）

式中：ci為電池第i個材料的比熱容；mi為電池第i個材料的質量。

3） 電池導熱系數 電池的導熱系數由傅里葉定律表示為

[Qcond=-λAdTdx] （6）

式中：Qcond為熱流量；[λ]為導熱系數；A為橫截面積；[dTdx]為溫度變化率。

綜上，可得出磷酸鐵鋰電池的熱物性參數：密度為2 064 kg·m-3，比熱容為1 068 J·（kg·K）-1，X向導熱系數為5.13 [W·（m·K）-1]，Y/Z向導熱系數為11.3 [W·（m·K）-1]。

2 平板熱管選型及導熱效率試驗

2.1 平板熱管選型

平板熱管通過內部工質氣液相變來達到傳熱目的，其導熱率較高［13］。平板熱管分為蒸發段、絕熱段、冷凝段，其工作原理見圖1。在平板熱管工作過程中，蒸發段中的液態工質吸熱蒸發，在壓力差的驅動下向冷凝段流動，在冷凝段遇冷液化并釋放熱量，在吸液芯毛細力、壓力差等作用下回流到平板熱管蒸發段，完成循環，實現高效的熱傳導。

平板熱管的內部工質和外殼材料的選型需要有相容性，避免發生明顯的物理化學反應，使平板熱管能夠長期穩定的工作。文中選擇丙酮作為平板熱管內部工質，鋁作為外殼材料。

2.2 導熱效率試驗

為了得到平板熱管的溫度隨時間變化的關系曲線，進行平板熱管導熱效率試驗，如圖2所示。試驗使用到的設備有7個溫度傳感器、2個平板熱管、50 ℃熱水，室溫為25 ℃。首先在測量點4測得熱水溫度，在測量點1～3分別測量平板熱管冷凝段、絕熱段和蒸發段表面的溫度，然后在測量點5～7測量平板熱管表面溫度。平板熱管B作為平板熱管A的對照組，將平板熱管A放入熱水中，測量2個平板熱管溫度隨時間變化的數據，結果如圖3所示。從圖3可以看出，測點1的最高點溫度為43.9 ℃，測量點3的溫度為46 ℃，經計算熱管的蒸發段到冷凝端熱量傳導率為95.4%。在10 s時測量點1～3的溫度接近，對照組的測量點5～7的溫度在初始溫度（室溫），因此利用平板熱管給動力電池的冷卻是可行的。

3 冷卻系統三維模型

使用CATIA V5設計了動力電池熱管冷卻系統，如圖4所示。模型由動力電池、平板熱管和液冷通道構成，平板熱管的蒸發段與電池側面貼合，平板熱管的冷凝段插入冷卻板。單體動力電池兩側由4塊平板熱管緊密貼合，1排電池組由12塊動力電池和26塊平板熱管組成，電池系統由60塊動力電池組成。冷卻通道進出口橫截面的長寬分別為218 mm和28 mm。

為計算簡化，為1個電池組配置1套冷卻單元作為仿真模塊，使用Fluent對該電池組進行傳熱仿真。設定不同液體流量，分別在環境溫度為0 ℃、25 ℃、35 ℃條件下對電池冷卻系統進行測試。其中環境溫度為0 ℃時，冷卻液溫度為20 ℃，環境溫度為25 ℃和35 ℃時，冷卻液溫度分別為25 ℃和35 ℃，并設置冷卻液的流向為A、D口進B、C口出。仿真時對電池分別進行1C、2C、2.5C倍率放電，得到不同工況下最佳液體流量。

4 冷卻系統CFD仿真分析

4.1 不同放電倍率下電池組溫度

文中使用Fluent對電池組進行仿真分析，計算出電池組在不同放電倍率下的最高溫度、最低溫度和最大溫差。參考文獻［14］，仿真結果需要保證電池組的工作溫度為20～40 ℃，最大溫差小于5 ℃。仿真時，環境溫度和冷卻液溫度設置為25 ℃，在不同放電倍率下設置不同的冷卻液流速。

1） 1C放電倍率 在環境溫度為25 ℃、放電倍率為1C時，單體電池產熱量為15 900 W·m-3，溫度隨冷卻液流速變化如圖5a所示。從圖5a可看出，冷卻液流量在6～12 L·min?1時，電池組最高溫度和最大溫差都在合適范圍內。冷卻液流量為6 L·min?1時，電池組溫度分布如圖6a所示。由圖6a可看出，電池組的高溫區域主要在各個電池的中部，電池的側面溫度普遍低于中部溫度，是因為電池間夾著平板熱管，平板熱管將熱量傳遞到冷卻液，進而將熱量帶出，同時也帶走了電池組側面的熱量。在Fluent中可看到電池組最高溫度為28.14 ℃、最低溫度為25.94 ℃、最大溫差為2.2 ℃，符合要求。

2） 2C放電倍率 在環境溫度為25 ℃、放電倍率為2C時，單體電池產熱量為42 900 W·m-3。溫度隨冷卻液流速變化如圖5b所示。從圖5b可以看出，冷卻液流量6～12 L·min?1時，電池組的最高溫度均在合適范圍內，但冷卻液流量為6 L·min?1時電池組的最大溫差為5.27 ℃，不符合要求。冷卻液流量為8 L·min?1時電池組溫度分布如圖6b所示，由圖6b可以看出，電池溫度分布為中間高四周低。在Fluent中可以看到，冷卻液流量為6 L·min?1時電池組最高溫度為32.30 ℃、最低溫度為27.03 ℃、最大溫差為5.27 ℃，最大溫差不符合要求。在冷卻液流量為8 L·min?1時，電池組最高溫度為31.54 ℃、最低溫度為26.70 ℃、最大溫差為4.84 ℃，符合要求。因此在該工況下冷卻液流量高于8 L·min?1時，電池組最大溫差才符合要求。

3） 2.5C放電倍率 在環境溫度為25 ℃、放電倍率為2.5C時，單體電池產熱量為60 400 W·m-3，溫度隨冷卻液流速變化如圖5c所示。從圖5c可以看出，冷卻液流量高于28 L·min?1時電池組的溫差才符合要求。冷卻液流量為28 L·min?1時電池組溫度分布如圖6c所示，從圖6c可以看出電池溫度分布為中間高四周低。在Fluent可以看到冷卻液流量為28 L·min?1時最高溫度為30.91 ℃、最低溫度為25.94 ℃、最大溫差為4.97 ℃，符合要求。因此在該工況下冷卻液流量高于28 L·min?1時，電池組最大溫差才符合要求。

環境溫度為25 ℃、電池放電倍率分別為1C、2C、2.5C、冷卻液流量為12 L·min?1時，電池組的最高溫度分別為27.06 ℃、30.52 ℃、32.78 ℃，最大溫差分別為1.59 ℃、4.24 ℃、5.97 ℃。綜上所述，電池組在環境溫度和冷卻液流量一定的條件下分別在1C、2C、2.5C倍率下放電時，電池組產生的溫度會隨著放電倍率的升高而升高，同時也需要更大流量的冷卻液對其進行冷卻，電池組的最高溫度和最大溫差也會隨著冷卻液流量的增加而減小。

4.2 不同環境溫度下電池組溫度

環境溫度對電池溫度的影響較大，電池冷卻系統在低溫和高溫下對電池的冷卻效果不同。在環境溫度分別為0 ℃和35 ℃時，電池放電倍率分別為1C和2C的情況下進行仿真，電池溫度隨冷卻液流量變化的曲線如圖7所示。

1） 1C放電倍率條件下不同環境溫度 環境溫度分別為0 ℃和35 ℃、電池放電倍率為1C時，電池組溫度曲線如圖7a～b所示。從圖7a～b可以看出，在環境溫度為0 ℃和35 ℃時，不同冷卻液流量對應的電池的最高溫度和最低溫度都在20～40 ℃，最大最差都沒超過5℃，均符合要求。電池組在環境溫度為0 ℃、放電倍率為1C、冷卻液流量為6 L·min?1時的電池溫度分布如圖8a所示。從圖8a可以看出該工況下電池組溫度整體偏低，在Fluent中查看電池組的最高溫度和最低溫度分別為22.55 ℃和20.48 ℃，最大溫差為2.07 ℃，符合要求。電池組在環境溫度為35 ℃、放電倍率為1C、冷卻液流量為8 L·min?1時的電池溫度分布如圖8b所示。從圖8b中可以看出該工況下電池組溫度整體偏高，在Fluent中查看電池組的最高溫度和最低溫度分別為37.69 ℃和35.47 ℃，最大溫差為2.22 ℃，符合要求。

2） 2C放電倍率條件下不同環境溫度 環境溫度為0 ℃、35 ℃、電池放電倍率為2C時，電池組溫度關系曲線如圖7c～d所示。從圖7c～d中可看出，在環境溫度為0 ℃、冷卻液流量為6～12 L·min?1時對應的電池的最高溫度和最低溫度在20～40℃，而冷卻液流量在6 L·min?1時溫差在5.39 ℃，不均符合要求，冷卻液流量超過8 L·min?1時溫差符合要求。而在環境溫度為35 ℃、冷卻液流量低于16 L·min?1時電池的最高溫度都超過40 ℃，因此在該工況下，冷卻液流量必須要大于16 L·min?1。電池組在環境溫度為0 ℃、放電倍率為2C、冷卻液流量為8 L·min?1時的電池溫度分布如圖9a所示。從圖9a中可以看出，該工況下電池組溫度分布中間高四周低，在Fluent中查看電池組的最高溫度和最低溫度分別為26.4 ℃和21.5 ℃、最大溫差為4.92 ℃，符合要求。電池組在環境溫度為0 ℃、放電倍率為2C、冷卻液流量為17 L·min?1時的電池溫度分布如圖9b所示。從圖9b中可以看出，該工況下電池組溫度分布中間高四周低，在Fluent中查看電池組的最高溫度和最低溫度分別為39.9 ℃和35.75 ℃、最大溫差為4.15 ℃，符合要求。

綜上可知，電池在1C放電倍率下，電池組冷卻溫度在環境溫度為0 ℃、25 ℃、35 ℃、冷卻液流量為6 L·min?1時，電池組的最高溫度分別為22.55 ℃、28.14 ℃、37.69 ℃，最大溫差分別為2.07 ℃、2.2 ℃、2.22 ℃；電池在2C放電倍率下，電池組冷卻溫度在環境溫度為0℃、25℃、35℃、冷卻液流量為6 L·min?1時，電池組的最高溫度分別為27.17 ℃、32.30 ℃、42.29 ℃，最大溫差分別為5.39 ℃、5.27 ℃、5.42 ℃。在放電倍率和冷卻液流量一定的條件下，環境溫度分別為0 ℃、25 ℃、35 ℃時，電池組的溫度會隨著環境溫度的升高而升高，而同條件下冷卻液流量的增大會降低電池組的溫度和溫差。

4.3 有無熱管時電池組溫度

在環境溫度為25 ℃、電池的放電倍率為1C、冷卻液流量為8 L·min?1時，對無平板熱管時的電池組散熱進行仿真分析。無平板熱管的電池組的溫度分布如圖10所示，從圖10可以看出取消平板熱管后電池組間的熱量無法被帶走，熱量集中在電池組的中部，相鄰電池間的熱量大。由于和冷卻板接觸，電池組兩側的溫度較低，可見有平板熱管的電池組的均溫性更好。從Fluent中查看有平板熱管的電池組最高溫度、最低溫度和溫差值分別為27.43 ℃、25.63 ℃和1.8 ℃，無平板熱管的電池組最高溫度、最低溫度和溫差值分別為35.62 ℃、26.36 ℃和9.26 ℃，由此可以看出有平板熱管的電池組溫度表現更好。

5 結論

平板熱管對電池冷卻有很大的幫助。在放電倍率增大時，電池熱管冷卻系統的溫度和溫差會隨之最大。增加冷卻液流量會有效的降低電池組的溫度。電池組的溫度和環境溫度密切相關，環境溫度高時需要增加冷卻液流量。在相同工況情況下，電池組在有平板熱管時相比無平板熱管時的最高溫降低了8.19 ℃，最大溫差降低了7.46 ℃，電池組在該冷卻系統下有平板熱管的冷卻效果優于無平板熱管的，其均溫性也要遠優于無平板熱管的電池組。該平板熱管電池熱管理系統在各種工況下通過增大冷卻液的流量都能使電池組保持最高溫度低于40 ℃，最大溫差低于5 ℃。因此該平板熱管冷卻系統滿足電池組散熱的需要。

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