微热管阵列应用于锂电池模块的散热实验

工程科学学报，第40卷，第1期：120-126,2018年1月 Chinese Journal of Engineering,Vol.40,No.I:120-126,January 2018 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2018.01.015;http://journals.ustb.edu.cn 微热管阵列应用于锂电池模块的散热实验 叶欣)，赵耀华12)，全贞花2)四，王岗)，刘鸿德)，迟远英2,3) 1)北京工业大学建筑工程学院，北京1001242)北京未来网络科技高精尖创新中心，北京100124 3)北京工业大学经济与管理学院，北京100124 区通信作者，E-mail:quanzh@126.cm 摘要锂离子电池在大功率应用下的热控制和热管理已成为制约电动汽车商业化的瓶颈，为解决此问题，运用微热管阵列 设计锂电池模块散热系统，在开放条件下对电池模块进行恒流18A(1C)和36A(2C)充放电测试，通过测量布置微热管阵列 前后电池表面温度可知：在1C和2C充放电倍率下，散热系统能够有效的降低电池模块的温度及电池间温度差异，将温度和 温度差值分别控制在40℃与5℃之内.可以解决温度对电池寿命和容量的影响问题.基于实验数据，对其中一2C工况热量 进行了计算，得到通过微热管阵列的对流散热量达到模块生热量的40% 关键词锂电池；微热管阵列；热传导：温度；优化 分类号TM912.9 Experiment on heat dispersion of lithium-ion battery based on micro heat pipe array YE Xin,ZHAO Yao-hua2),QUAN Zhen-hua.,WANG Gang,LIU Hong-de),CHI Yuan-ying2.3) 1)College of Architecture and Civil Engineering,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China 2)Scientific Research Project of Beijing Advanced Innovation Center for Future Internet Technology,Beijing 100124,China 3)College of Economics and Management,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China Corresponding author,E-mail:quanzh@126.com ABSTRACT The thermal control and heat management of lithium-ion (Li-ion)batteries in high-power applications remains a chal- lenge to be addressed before widespread commercialization.To solve the problem,micro heat pipe array (MHPA)is used to design Li- ion battery packs cooling system.Experiments were conducted utilizing Li-ion battery packs under open conditions with constant current of 18 A(IC)and 36A(2C).The temperatures were measured with and without micro heat pipe arrays during the charge-discharge cy- cle.At the rates of I C and 2C,the temperature results of the Li-ion battery packs validate the effectiveness of the functional heat con- ducting material-MHPA in lowering the temperature of the battery packs,as well as the temperature difference inside the packs,the temperature and temperature difference could be controlled within 40C and 5C respectively.Thus,they preliminarily solve the influ- ence of temperature on battery life and capacity.Based on the experimental data,the heat in one of the 2C working conditions was cal- culated,and the convection heat dissipation by MHPA reached 40%of the heat generation in the pack. KEY WORDS lithium-ion battery;micro heat pipe array;heat conduction;temperature;optimization 纯电动汽车(EVs)和混合动力电动汽车 车市场的增大，需求比功率高和比能量密度高的电 (HEVs)以其高效率、近零排放等优点从传统的运 池，满足电动汽车的运行要求[).然而，大规格电池 输行业中脱颖而出，具有明显的环保和节能优势，是 模块在快速充放电循环时，会伴随不同的化学和电 适合解决未来交通问题的长远方案).由于电动汽 化学反应[3-]，产生大量热量，导致安全、过热、燃 收稿日期：2017-04-20 基金项目：智慧能源视角下北京市能源产业优化和大气污染治理协同发展研究资助项目(S201510005002)

工程科学学报,第 40 卷,第 1 期:120鄄鄄126,2018 年 1 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 40, No. 1: 120鄄鄄126, January 2018 DOI: 10. 13374 / j. issn2095鄄鄄9389. 2018. 01. 015; http: / / journals. ustb. edu. cn 微热管阵列应用于锂电池模块的散热实验 叶 欣1) , 赵耀华1,2) , 全贞花1,2)苣 , 王 岗1) , 刘鸿德1) , 迟远英2,3) 1) 北京工业大学建筑工程学院, 北京 100124 2) 北京未来网络科技高精尖创新中心, 北京 100124 3) 北京工业大学经济与管理学院, 北京 100124 苣通信作者, E鄄mail:quanzh@ 126. com 摘 要 锂离子电池在大功率应用下的热控制和热管理已成为制约电动汽车商业化的瓶颈,为解决此问题,运用微热管阵列 设计锂电池模块散热系统,在开放条件下对电池模块进行恒流 18 A(1 C)和 36 A(2 C)充放电测试,通过测量布置微热管阵列 前后电池表面温度可知:在 1 C 和 2 C 充放电倍率下,散热系统能够有效的降低电池模块的温度及电池间温度差异,将温度和 温度差值分别控制在 40 益与 5 益之内,可以解决温度对电池寿命和容量的影响问题. 基于实验数据,对其中一 2 C 工况热量 进行了计算,得到通过微热管阵列的对流散热量达到模块生热量的 40% . 关键词 锂电池; 微热管阵列; 热传导; 温度; 优化 分类号 TM 912郾 9 收稿日期: 2017鄄鄄04鄄鄄20 基金项目: 智慧能源视角下北京市能源产业优化和大气污染治理协同发展研究资助项目(SZ201510005002) Experiment on heat dispersion of lithium鄄ion battery based on micro heat pipe array YE Xin 1) , ZHAO Yao鄄hua 1, 2) , QUAN Zhen鄄hua 1, 2)苣 , WANG Gang 1) , LIU Hong鄄de 1) , CHI Yuan鄄ying 2, 3) 1) College of Architecture and Civil Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China 2) Scientific Research Project of Beijing Advanced Innovation Center for Future Internet Technology, Beijing 100124, China 3) College of Economics and Management, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China 苣Corresponding author, E鄄mail: quanzh@ 126. com ABSTRACT The thermal control and heat management of lithium鄄ion (Li鄄ion) batteries in high鄄power applications remains a chal鄄 lenge to be addressed before widespread commercialization. To solve the problem, micro heat pipe array (MHPA) is used to design Li鄄 ion battery packs cooling system. Experiments were conducted utilizing Li鄄ion battery packs under open conditions with constant current of 18 A(1 C) and 36A(2 C). The temperatures were measured with and without micro heat pipe arrays during the charge鄄鄄discharge cy鄄 cle. At the rates of 1 C and 2 C, the temperature results of the Li鄄ion battery packs validate the effectiveness of the functional heat con鄄 ducting material鄄MHPA in lowering the temperature of the battery packs, as well as the temperature difference inside the packs, the temperature and temperature difference could be controlled within 40 益 and 5 益 respectively . Thus, they preliminarily solve the influ鄄 ence of temperature on battery life and capacity. Based on the experimental data, the heat in one of the 2 C working conditions was cal鄄 culated, and the convection heat dissipation by MHPA reached 40% of the heat generation in the pack. KEY WORDS lithium鄄ion battery; micro heat pipe array; heat conduction; temperature; optimization 纯 电 动 汽 车 ( EVs) 和 混 合 动 力 电 动 汽 车 (HEVs)以其高效率、近零排放等优点从传统的运 输行业中脱颖而出,具有明显的环保和节能优势,是 适合解决未来交通问题的长远方案[1] . 由于电动汽 车市场的增大,需求比功率高和比能量密度高的电 池,满足电动汽车的运行要求[2] . 然而,大规格电池 模块在快速充放电循环时,会伴随不同的化学和电 化学反应[3鄄鄄4] ,产生大量热量,导致安全、过热、燃

叶欣等：微热管阵列应用于锂电池模块的散热实验 ·121· 烧、爆炸等风险升高).另外，电池组内温度及温度 用的热管尺寸为200mm×60mm×3mm. 不均匀上升会显著降低其循环寿命6.简而言之， 1.2锂离子电池 无论电池为何种类型，均需要有效散热和局部热控 考虑到空间和同体积下散热面积问题，本文选 制，因此电池热管理必不可少.Wu与Chiang)研究 用长方体锂离子电池组成的电池模块进行实验.选 发现，当环境温度为60℃时，一块新锂离子电池在 用电池模块由16片电池单体串联而成，电池的物理 3C放电下，容量从800mAh时下降到仅剩20mAh 性质如表1所示.每片电池间有3mm空隙，磷酸铁 时.Belt等[]测试结果表明，温差为5、10和15℃ 锂电池模块实物如图2所示 时，相同充电条件下电池组的荷电状态分别下降 表1锂离子电池性质 10%、15%和20%. Table 1 Characteristics of lithium ion battery cell 本文中，以Zhao等[发明的微热管阵列(micro 正极 负极 容量/Ah电压/V 尺寸/mm3 heat pipe array,MHPA)为基础，将3mm厚的微热管 磷酸铁锂 石墨 18 3.2 165×70×27 阵列应用于电动汽车锂电池系统的散热当中，充分 利用微热管阵列热稳定性好、热输运能力强、结构规 则利于安装使用等优点，对微热管阵列、锂电池模块 等进行合理设计.在开放室温条件下，对电池模块 与布置微热管阵列及优化后的电池模块进行1C及 2C充放电实验，测试温升情况，得到使用散热系统 后电池模块基本达到以下目标：(1)电池模块及电 池单体温度在最佳运行温度范围内：(2)电池模块 图2磷酸铁锂电池模块实物图 Fig.2 LiFePO battery pack images 各电池单体间温差在控制范围内：(3)电池单体温 差在控制范围内 1.3散热实验系统 电池测试工作台的配置如图3所示.关键设备 1基于微热管阵列的电池散热系统实验 是新威尔EVT500V-300A,可对电池模块进行最 1.1微热管阵列 大电压500V、最大电流300A的充电/放电：利用安 微热管阵列是一种导热能力超强的导热元件， 捷伦34970A采集温度：电池管理系统(BMS)与每 其依靠内部工质相变传递热量，组成材料主要为铝 一片电池相连接，利用电池系统集成测试平台监控 材及少量工质，分为蒸发段和冷凝段两部分.每片 每一片电池电压、电容等参数 微热管阵列由多根独立运行的微热管并联组成，且 A新威尔电柜 每根微热管内部还有强化换热的微翅结构，如图1 所示.实验研究[]证明微热管阵列具有均温性能 B模块/BMS 好、热响应时间短等优点.王颖盈等)将微热管阵 列应用于电池组散热，但仅进行了模拟分析.王宏 燕等[2]将微热管阵列应用于单个LED(light emit- D C34970A ting diode)散热，验证了装置的有效散热能力.本文 将微热管阵列应用于多热源电池模块散热实验，选 D计算机 图3电池测试工作台 Fig.3 Battery configuration test bench 实验分为三个工况，三个工况同时进行循环充 放电实验，保证相同环境条件 工况一：即如图4(a)所示，电池单体间间隔 3 mm. 工况二：即如图4(b)所示，采用风机强制冷却， 图1微热管阵列实物图 风扇参数为22W/2650转 Fig.1 MHPA images 工况三：即如图4(c)所示，电池间中部加有热

叶 欣等: 微热管阵列应用于锂电池模块的散热实验 烧、爆炸等风险升高[5] . 另外,电池组内温度及温度 不均匀上升会显著降低其循环寿命[6] . 简而言之, 无论电池为何种类型,均需要有效散热和局部热控 制,因此电池热管理必不可少. Wu 与 Chiang [7]研究 发现,当环境温度为 60 益 时,一块新锂离子电池在 3 C 放电下,容量从 800 mA·h 时下降到仅剩20 mA·h 时. Belt 等[8]测试结果表明,温差为 5、10 和 15 益 时,相同充电条件下电池组的荷电状态分别下降 10% 、15% 和 20% . 本文中,以 Zhao 等[9]发明的微热管阵列(micro heat pipe array,MHPA)为基础,将 3 mm 厚的微热管 阵列应用于电动汽车锂电池系统的散热当中,充分 利用微热管阵列热稳定性好、热输运能力强、结构规 则利于安装使用等优点,对微热管阵列、锂电池模块 等进行合理设计. 在开放室温条件下,对电池模块 与布置微热管阵列及优化后的电池模块进行 1 C 及 2 C 充放电实验,测试温升情况,得到使用散热系统 后电池模块基本达到以下目标:(1) 电池模块及电 池单体温度在最佳运行温度范围内;(2) 电池模块 各电池单体间温差在控制范围内;(3) 电池单体温 差在控制范围内. 1 基于微热管阵列的电池散热系统实验 1郾 1 微热管阵列 微热管阵列是一种导热能力超强的导热元件, 其依靠内部工质相变传递热量,组成材料主要为铝 材及少量工质,分为蒸发段和冷凝段两部分. 每片 图 1 微热管阵列实物图 Fig. 1 MHPA images 微热管阵列由多根独立运行的微热管并联组成,且 每根微热管内部还有强化换热的微翅结构,如图 1 所示. 实验研究[10] 证明微热管阵列具有均温性能 好、热响应时间短等优点. 王颖盈等[11] 将微热管阵 列应用于电池组散热,但仅进行了模拟分析. 王宏 燕等[12]将微热管阵列应用于单个 LED( light emit鄄 ting diode)散热,验证了装置的有效散热能力. 本文 将微热管阵列应用于多热源电池模块散热实验,选 用的热管尺寸为 200 mm 伊 60 mm 伊 3 mm. 1郾 2 锂离子电池 考虑到空间和同体积下散热面积问题,本文选 用长方体锂离子电池组成的电池模块进行实验. 选 用电池模块由 16 片电池单体串联而成,电池的物理 性质如表 1 所示. 每片电池间有 3 mm 空隙,磷酸铁 锂电池模块实物如图 2 所示. 表 1 锂离子电池性质 Table 1 Characteristics of lithium ion battery cell 正极 负极 容量/ Ah 电压/ V 尺寸/ mm 3 磷酸铁锂 石墨 18 3郾 2 165 伊 70 伊 27 图 2 磷酸铁锂电池模块实物图 Fig. 2 LiFePO4 battery pack images 1郾 3 散热实验系统 电池测试工作台的配置如图 3 所示. 关键设备 是新威尔 EVT 500 V鄄鄄300 A,可对电池模块进行最 大电压 500 V、最大电流 300 A 的充电/ 放电;利用安 捷伦 34970A 采集温度;电池管理系统(BMS) 与每 一片电池相连接,利用电池系统集成测试平台监控 每一片电池电压、电容等参数. 图 3 电池测试工作台 Fig. 3 Battery configuration test bench 实验分为三个工况,三个工况同时进行循环充 放电实验,保证相同环境条件. 工况一:即如图 4 ( a) 所示,电池单体间间隔 3 mm. 工况二:即如图 4(b)所示,采用风机强制冷却, 风扇参数为 22 W/ 2650 转. 工况三:即如图 4( c)所示,电池间中部加有热 ·121·

·122· 工程科学学报，第40卷，第1期 扇 4 8 7 扇 1 (a) (b) (c 图4电池模块示意图. (a)工况一：(b)工况二：(c)工况三 Fig.4 Schematic illustration of packs:(a)Condition 1:(b)Condition 2:(c)Condition 3 管，夹板固定模块两端。模块进行充放电时，热量传 利用热电偶测得实验房间温度为26.28℃.采 导至蒸发段，流经热管内部通道传递至冷凝段，与空 用传统的恒流充放电方式一直流电进行充放电. 气进行自然对流换热. 电池单体的充放电截止电压分别为3.65V和2.65 根据文献[13]所知，充放电过程中极柱附近温 V,温度数据每10s采集一次，实时传输至计算机. 度最高，中部略高于底部.根据热管布置位置，将标 将电池模块放电至相同荷电状态后进行充放电循 定好的热电偶涂上导热硅胶，并用防水隔热胶带固 环.在相同边界条件下，测定三种工况下电池温度 定在电池表面，分别位于电池单体上下两点，如图5 随充放电时间的变化并计算逐时温度差值（如式 (b)所示.工况一1号电池设有热电偶测点101- (1)).电池模块的最佳运行温度范围是25~40℃ 104,位置如图5(a)所示；2、3和4号电池测点个数 且温度差小于5℃[，通过温度对比评价微热管阵 及位置同1号电池.工况二1号到8号电池设有热 列冷却方法的散热效果. 电偶测点32个：工况三设有热电偶测点16个，测点 △T=Tax-Tin (1) 位置同工况一· 式中，T为电池模块温度测点温度最大值，℃；Tm 为电池模块温度测点温度最小值，℃. 70 mm 2实验结果分析 101 103 2.1电池模块1C充放电循环实验结果 模块以1C倍率充放电至截止电压，充放电时 间分别为1h,中间搁置3min.三个工况的温度（三 组所有测点的平均温度)变化曲线如图6(a)所示， 102 104 均低于40℃.充电初期，电池与环境温差较小，散 图5热电偶测点101-104位置.(a)编号：(b)位置 热量小，因此电池温度迅速增加：随着充电的进行， Fig.5 Thermocouples 101-104:(a)numbers;(b)positions 阻抗增加，产热速率加快直至充电结束.搁置过程 中，温度有所下降.放电初期，电池产热模块温度继 16 (a) (b) 一工况一 ·工况一 ·一工况二 工况二 工况三 -工况三 2 30 3600 7200 234567 时间s 电池单体1-8 图61C电池模块的温度变化曲线.(a)平均温度：(b)温度差 Fig.6 Temperature change curves of battery packs at rate of I C:(a)average temperature;(b)temperature differences

工程科学学报,第 40 卷,第 1 期 图 4 电池模块示意图 郾 (a)工况一;(b)工况二;(c)工况三 Fig. 4 Schematic illustration of packs: (a)Condition 1; (b) Condition 2;(c)Condition 3 管,夹板固定模块两端. 模块进行充放电时,热量传 导至蒸发段,流经热管内部通道传递至冷凝段,与空 气进行自然对流换热. 根据文献[13]所知,充放电过程中极柱附近温 度最高,中部略高于底部. 根据热管布置位置,将标 定好的热电偶涂上导热硅胶,并用防水隔热胶带固 定在电池表面,分别位于电池单体上下两点,如图 5 (b)所示. 工况一 1 号电池设有热电偶测点 101鄄鄄 104,位置如图 5(a)所示;2、3 和 4 号电池测点个数 及位置同 1 号电池. 工况二 1 号到 8 号电池设有热 电偶测点 32 个;工况三设有热电偶测点 16 个,测点 位置同工况一. 图 6 1 C 电池模块的温度变化曲线. (a)平均温度; (b)温度差 Fig. 6 Temperature change curves of battery packs at rate of 1 C: (a) average temperature; (b) temperature differences 图 5 热电偶测点 101鄄鄄104 位置 郾 (a)编号;(b)位置 Fig. 5 Thermocouples 101鄄鄄104:(a) numbers; (b) positions 利用热电偶测得实验房间温度为 26郾 28 益 . 采 用传统的恒流充放电方式———直流电进行充放电. 电池单体的充放电截止电压分别为 3郾 65 V 和 2郾 65 V,温度数据每 10 s 采集一次,实时传输至计算机. 将电池模块放电至相同荷电状态后进行充放电循 环. 在相同边界条件下,测定三种工况下电池温度 随充放电时间的变化并计算逐时温度差值(如式 (1)). 电池模块的最佳运行温度范围是 25 ~ 40 益 且温度差小于 5 益 [14] ,通过温度对比评价微热管阵 列冷却方法的散热效果. 驻T = Tmax - Tmin (1) 式中,Tmax为电池模块温度测点温度最大值,益 ;Tmin 为电池模块温度测点温度最小值,益 . 2 实验结果分析 2郾 1 电池模块 1 C 充放电循环实验结果 模块以 1 C 倍率充放电至截止电压,充放电时 间分别为 1 h,中间搁置 3 min. 三个工况的温度(三 组所有测点的平均温度)变化曲线如图 6( a)所示, 均低于 40 益 . 充电初期,电池与环境温差较小,散 热量小,因此电池温度迅速增加;随着充电的进行, 阻抗增加,产热速率加快直至充电结束. 搁置过程 中,温度有所下降. 放电初期,电池产热模块温度继 ·122·

叶欣等：微热管阵列应用于锂电池模块的散热实验 ·123· 续上升：随着放电的进行，电池与环境温差逐渐增 均维持在5℃之内，热管的均匀性和导热性能得到 大，散热量随之增大，因而电池温升变缓：放电后期， 初步体现. 电池内阻急剧增大，造成产热速率骤增，此时散热速 2.2电池模块2C充放电循环实验结果 率不变，电池模块温度再次迅速升高. 电池模块的平均温度变化曲线如图8(a)所示， 从图6(b)中看出，在开放条件下，空气侧1号 由于处于2C高倍率充放电，化学反应非常活跃，且 电池受环境影响较大，温升最小.由于电池摆放密 不可逆热量增加，温度呈单调上升趋势，相比于工况 集，之间相互影响，2、3和4号电池间内部空气不流 一，温度约下降6℃，但依旧高于40℃. 动，造成热量累积，4和8号电池受周围电池热量回 模块的逐时温度差如图8(b)所示，在充放电过 绕的干扰最大，温升最大.工况二中由于风机的作 程中，工况一温差呈现快速上升趋势，结束时温度差 用，温降效果优于热管，但前列电池所散热量会对后 值达到11℃.工况三模块温差上升斜率小于工况 列的电池的温度产生一定的影响，这样势必导致模 一，结束时达到6℃，约为工况一温差的1/2.1800s 块内部产生温度分布的不均衡.逐时温度差如图7 左右充电结束，搁置3min,温度下降，出现局部极 所示： 值.在2C充放电中热管的均匀导热性效果明显，但 仍需进一步优化. 工况 工况 32C实验优化 工况三 Wu等[16]通过实验和仿真指出，自然对流对锂 电池模块效果不佳，强制对流可以在一定程度上控 制电池温度升高，但是电池单体之间的表面温差很 大，这使得热管理变得困难.在工况三的基础上，利 用风扇从上向下仅吹过翅片，达到强制对流效果，风 3600 7200 扇参数为22W/2650转，如图9所示. 时间/s 3.1电池模块2C充放电循环实验优化结果 图71C电池模块逐时温差图 图10(a)所示为加入风扇后，电池模块在2C倍 Fig.7 Hourly temperature differences in the battery packs at rate of 率下温度变化.充电过程中，强制对流初见成效，结 IC 束时到达36.7℃，比工况一降低5.3℃.放电过程 由于对称性，布有测点的电池温度差可近似看 中，模块温度继续单调上升，循环结束时到达41.5℃， 作整个电池模块的温度差值.从图7可以看出，在1 超过最佳运行温度范围，需要进一步优化.图10 C充放电循环结束时工况一、二温差均超过了5℃， ()所示为电池模组在2C倍率下三种工况的温度 张国庆等]的实验表明，随着电流增大，温差将更 差值.可以看出，强制对流后，温差曲线类似于工况 加明显，对电池的使用寿命和性能产生巨大影响，因 三，保持在5℃之内 此风冷不适于高倍率充放电.工况三电池模块温差 强制对流后，由于热管与电池接触面积问题，2 55 (a) 12r 一工祝一 一工况一 50 一工况三 10 ·工况三 45 0 35 30 1800 3600 1800 3600 时间s 时间s 图82C两个工况电池模块温度变化曲线.(a)平均温度：(b)逐时温差 Fig.8 Temperature change curves of battery packs at rate of 2C under Condition I and 3:(a)average temperature;(b)hourly temperature differ- ences

叶 欣等: 微热管阵列应用于锂电池模块的散热实验 续上升;随着放电的进行,电池与环境温差逐渐增 大,散热量随之增大,因而电池温升变缓;放电后期, 电池内阻急剧增大,造成产热速率骤增,此时散热速 率不变,电池模块温度再次迅速升高. 从图 6(b)中看出,在开放条件下,空气侧 1 号 电池受环境影响较大,温升最小. 由于电池摆放密 集,之间相互影响,2、3 和 4 号电池间内部空气不流 动,造成热量累积,4 和 8 号电池受周围电池热量回 绕的干扰最大,温升最大. 工况二中由于风机的作 用,温降效果优于热管,但前列电池所散热量会对后 列的电池的温度产生一定的影响,这样势必导致模 块内部产生温度分布的不均衡. 逐时温度差如图 7 所示: 图 7 1 C 电池模块逐时温差图 Fig. 7 Hourly temperature differences in the battery packs at rate of 1 C 图 8 2 C 两个工况电池模块温度变化曲线. (a)平均温度;(b)逐时温差 Fig. 8 Temperature change curves of battery packs at rate of 2 C under Condition 1 and 3: (a) average temperature; (b) hourly temperature differ鄄 ences 由于对称性,布有测点的电池温度差可近似看 作整个电池模块的温度差值. 从图 7 可以看出,在 1 C 充放电循环结束时工况一、二温差均超过了 5 益 , 张国庆等[15]的实验表明,随着电流增大,温差将更 加明显,对电池的使用寿命和性能产生巨大影响,因 此风冷不适于高倍率充放电. 工况三电池模块温差 均维持在 5 益 之内,热管的均匀性和导热性能得到 初步体现. 2郾 2 电池模块 2 C 充放电循环实验结果 电池模块的平均温度变化曲线如图 8(a)所示, 由于处于 2 C 高倍率充放电,化学反应非常活跃,且 不可逆热量增加,温度呈单调上升趋势,相比于工况 一,温度约下降 6 益 ,但依旧高于 40 益 . 模块的逐时温度差如图 8(b)所示,在充放电过 程中,工况一温差呈现快速上升趋势,结束时温度差 值达到 11 益 . 工况三模块温差上升斜率小于工况 一,结束时达到 6 益 ,约为工况一温差的 1 / 2. 1800 s 左右充电结束,搁置 3 min,温度下降,出现局部极 值. 在 2 C 充放电中热管的均匀导热性效果明显,但 仍需进一步优化. 3 2 C 实验优化 Wu 等[16]通过实验和仿真指出,自然对流对锂 电池模块效果不佳,强制对流可以在一定程度上控 制电池温度升高,但是电池单体之间的表面温差很 大,这使得热管理变得困难. 在工况三的基础上,利 用风扇从上向下仅吹过翅片,达到强制对流效果,风 扇参数为 22 W/ 2650 转,如图 9 所示. 3郾 1 电池模块 2 C 充放电循环实验优化结果 图10(a)所示为加入风扇后,电池模块在2 C 倍 率下温度变化. 充电过程中,强制对流初见成效,结 束时到达 36郾 7 益 ,比工况一降低 5郾 3 益 . 放电过程 中,模块温度继续单调上升,循环结束时到达 41郾 5 益, 超过最佳运行温度范围,需要进一步优化. 图 10 (b)所示为电池模组在 2 C 倍率下三种工况的温度 差值. 可以看出,强制对流后,温差曲线类似于工况 三,保持在 5 益之内. 强制对流后,由于热管与电池接触面积问题,2 ·123·

·124 工程科学学报，第40卷，第1期 风扇 风扇 风扇 ↓↓ 口口 口口 电 电池 单体 单体 图9电池模块通风优化图 Fig.9 Battery pack ventilation optimization 55 12 (a) 工况一 (b) 工况一 50 工况三 工况三 单热管+风扇 单热管+风扇 45 8 40 6 4 30 0 1800 3600 1800 3600 时间⅓ 时间/s 图102C三个工况电池模块温度变化曲线.(a)平均温度：(b)逐时温差 Fig.10 Battery pack temperature change curves at rate of 2C under three conditions:(a)average temperature;(b)hourly temperature differences C充放电循环电池模组平均温度仍然高达41.5℃， 增加一片热管，如图11所示. ⊙⊙⑧ 图12(a)所示为加人第二片热管后，电池模块 在2C倍率下温度变化.充电过程中，温升趋势与单 片热管相似.放电过程中，1800s至3000s,电池模 块温度在热管和强制对流的联合作用下温度保持不 变，在3000s至3600s温度缓慢上升，循环结束时到 达38.7℃，保持在电池最佳工作温度范围内.图12 图11双热管电池模组图 (b)所示为电池模块在2C倍率时四种模式下的温 Fig.11 Battery pack with two MHPA 度差值，由于在35℃左右前，微热管阵列未开始工 55 12 b 工况一 工况一 50 工况三 10 工况三 单热管+风扇 单热管+风扇 45 双热管+风扇 8 双热管+风扇 40 6 35 30 2 1800 3600 1800 3600 时间s 时间/s 图122C四个工况电池模块温度变化曲线.(a)平均温度：(b)逐时温差 Fig.12 Battery pack temperature change curves at a rate of 2C under four conditions:(a)average temperature;(b)hourly temperature differences

工程科学学报,第 40 卷,第 1 期 图 9 电池模块通风优化图 Fig. 9 Battery pack ventilation optimization 图 10 2 C 三个工况电池模块温度变化曲线. (a)平均温度;(b)逐时温差 Fig. 10 Battery pack temperature change curves at rate of 2 C under three conditions:(a) average temperature; (b) hourly temperature differences C 充放电循环电池模组平均温度仍然高达 41郾 5 益 , 增加一片热管,如图 11 所示. 图 12 2 C 四个工况电池模块温度变化曲线. (a)平均温度;(b)逐时温差 Fig. 12 Battery pack temperature change curves at a rate of 2 C under four conditions: (a) average temperature; (b) hourly temperature differences 图 12(a)所示为加入第二片热管后,电池模块 在 2 C 倍率下温度变化. 充电过程中,温升趋势与单 片热管相似. 放电过程中,1800 s 至 3000 s,电池模 块温度在热管和强制对流的联合作用下温度保持不 变,在 3000 s 至 3600 s 温度缓慢上升,循环结束时到 达 38郾 7 益 ,保持在电池最佳工作温度范围内. 图 12 (b)所示为电池模块在 2 C 倍率时四种模式下的温 度差值,由于在 35 益 左右前,微热管阵列未开始工 图 11 双热管电池模组图 Fig. 11 Battery pack with two MHPA ·124·

叶欣等：微热管阵列应用于锂电池模块的散热实验 ·125· 作，其帖覆在电池表面，影响空气对流，导致电池局 外空气中.电池在充放电过程中产生的热量从微热 部温度偏高，温差值较高于工况三.加入第二片热 管阵列蒸发段传输至冷凝段，再与箱外空气进行对 管后，整个循环过程温度差均小于4℃，优化效果 流散热.微热管阵列可根据模块温度不同变换冷凝 良好 段冷却形式，且布置灵活紧凑，完全可以保持电池模 上述结果表明，缺乏散热系统时，无论1C或2 块处于正常的工作温度范围，并使模块内电池单体 C充放电过程，模块内电池温度都可达到40℃，各 之间的温度差最小化.本文通过实验得到以下 电池的温度差超过5℃，2C倍率下电池模块平均温 结论： 度甚至超过50℃，温度差值超过10℃.基于高效热 (1)自然对流条件下，1C连续充放电循环时， 导材料-微热管阵列及其换热系统可以低成本有效 在单片微热管阵列的高效导热作用下，将热量传递 解决锂电池模块的散热、均温等问题，经过优化可将 至模块箱体外，有效抑制了电池模块内部的温升，使 电池温度在低能耗条件下控制在40℃范围内，电池 电池模块的温度始终控制在25~40℃，并且由于微 间温差不超过5℃ 热管阵列较强的均温性能，使各电池间温差控制在 3.2双热管风冷条件下2C循环散热量计算 5℃之内： 电池生热率根据Bernardi等fi)提出的理论计 (2)2C循环时，通过增加微热管阵列敷设面 算如下所示： 积，并利用微热管阵列冷凝段与外部空气的强制对 Q=(U--1(r) 流换热，使模块的平均终温从51℃降低至39℃，电 aT (2) 池间温差控制在4℃之内，比无热管条件下降7℃； 式中，Q为电池生热率；右第一项为欧姆损失，1为电 (3)计算双热管风冷时2C循环下电池模块热 流，U和V分别为电池端电压和开路电压：右第二项 量，得到通过微热管阵列的对流换热量约为模块生 为嫡产，为可逆热效应，本实验为充放电循环，因而 热量的40%，基于微热管阵列的电池散热作用 充电和放电嫡产互为正负，因此第二项为零[18].假 明显 设热均匀产生，计算2C过程生热量为67.8W. 在热管伸出段上布置热电偶，测得2C循环结 参考文献 束时热管温度，通过热管与空气对流产生的换热量 [1]Huang K D,Tzeng S C.Chang W C.Energy-saving hybrid vehi- 由公式(3)计算. cle using a pneumatic-power system.Appl Energy,2005.81(1): Q.=hA(TMHPA Tir) (3) [2]Khateeb S A,Farid MM,Selman J R,et al.Design and simula- 式中，h为对流换热系数，通过外掠平板公式(4)计 tion of a lithium-ion battery with a phase change material thermal 算；A为热管伸出段面积，0.168m2;TMp和T为热 management system for an electric scooter.Power Sources, 管伸出段及空气平均温度，大小分别为37.39℃和 2004,128(2):292 26.28℃. [3]Williford R E,Viswanathan VV,Zhang JG.Effects of entropy changes in anodes and cathodes on the thermal behavior of lithium h =0.664 A Re1 Pri3 (4) ion batteries.J Power Sources,2009,189(1):101 [4]Saito Y.Thermal behaviors of lithium-ion batteries during high- 式中，入为空气的导热系数，W·mK;l为板长， rate pulse cycling.J Power Sources,2005,146(1-2):770 m;Re为雷诺数；Pr为普朗特数：h=14.41W·m2. [5] Weinert J X,Burke A F,Wei X Z.Lead-acid and lithium-ion K-;得出Q.=26.9W,约为生热量的40%. batteries for the Chinese electric bike market and implications on 如今电池模组规格越来越大，充放电电流势必 future technology advancement.J Power Sources,2007,172(2): 增大，焦耳热增加，化学反应活跃，产生更多的热量， 938 [6]Sabbah R,Kizilel R,Selman J R,et al.Active air-cooled)vs. 导致电池模块更高的温度.在未来的工作中，需要 passive (phase change material)thermal management of high pow- 通过模拟和实验相结合，并在不同的环境温度中进 er lithium-ion packs:Limitation of temperature rise and uniformity 行实验，以期更加完善该电池热管理技术 of temperature distribution.JPouer Sources,2008.182(2):630 [7]Wu M S.Chiang P C J.High-rate capability of lithium-ion batter- 4结论 ies after storing at elevated temperature.Electrochim Acta,2007, 52(11):3719 基于新型微热管阵列的电池模块散热系统，根 [8]Belt J R,Ho C D,Miller T J,et al.The effect of temperature on 据微热管阵列的高效导热与传输特性，将微热管阵 capacity and power in eycled lithium ion batteries.J Pocer 列蒸发段贴合电池表面，冷凝段伸出电池箱置于箱 Sour0s,2005,142(1-2):354

叶 欣等: 微热管阵列应用于锂电池模块的散热实验 作,其帖覆在电池表面,影响空气对流,导致电池局 部温度偏高,温差值较高于工况三. 加入第二片热 管后,整个循环过程温度差均小于 4 益 ,优化效果 良好. 上述结果表明,缺乏散热系统时,无论 1 C 或 2 C 充放电过程,模块内电池温度都可达到 40 益 ,各 电池的温度差超过 5 益 ,2 C 倍率下电池模块平均温 度甚至超过 50 益 ,温度差值超过 10 益 . 基于高效热 导材料鄄鄄微热管阵列及其换热系统可以低成本有效 解决锂电池模块的散热、均温等问题,经过优化可将 电池温度在低能耗条件下控制在 40 益 范围内,电池 间温差不超过 5 益 . 3郾 2 双热管风冷条件下 2 C 循环散热量计算 电池生热率根据 Bernardi 等[17] 提出的理论计 算如下所示: Q = I(U - V) - I ( T 鄣U 鄣 ) T (2) 式中,Q 为电池生热率;右第一项为欧姆损失,I 为电 流,U 和 V 分别为电池端电压和开路电压;右第二项 为熵产,为可逆热效应,本实验为充放电循环,因而 充电和放电熵产互为正负,因此第二项为零[18] . 假 设热均匀产生,计算 2 C 过程生热量为 67郾 8 W. 在热管伸出段上布置热电偶,测得 2 C 循环结 束时热管温度,通过热管与空气对流产生的换热量 由公式(3)计算. Qe = hA(TMHPA - Tair) (3) 式中,h 为对流换热系数,通过外掠平板公式(4)计 算;A 为热管伸出段面积,0郾 168 m 2 ;TMHPA和 Tair为热 管伸出段及空气平均温度,大小分别为 37郾 39 益 和 26郾 28 益 . h = 0郾 664 姿 l Re 1 / 2Pr 1 / 3 (4) 式中,姿 为空气的导热系数,W·m - 1·K - 1 ;l 为板长, m;Re 为雷诺数;Pr 为普朗特数;h = 14郾 41 W·m - 2· K - 1 ;得出 Qe = 26郾 9 W,约为生热量的 40% . 如今电池模组规格越来越大,充放电电流势必 增大,焦耳热增加,化学反应活跃,产生更多的热量, 导致电池模块更高的温度. 在未来的工作中,需要 通过模拟和实验相结合,并在不同的环境温度中进 行实验,以期更加完善该电池热管理技术. 4 结论 基于新型微热管阵列的电池模块散热系统,根 据微热管阵列的高效导热与传输特性,将微热管阵 列蒸发段贴合电池表面,冷凝段伸出电池箱置于箱 外空气中. 电池在充放电过程中产生的热量从微热 管阵列蒸发段传输至冷凝段,再与箱外空气进行对 流散热. 微热管阵列可根据模块温度不同变换冷凝 段冷却形式,且布置灵活紧凑,完全可以保持电池模 块处于正常的工作温度范围,并使模块内电池单体 之间的温度差最小化. 本文通过实验得到以下 结论: (1) 自然对流条件下,1 C 连续充放电循环时, 在单片微热管阵列的高效导热作用下,将热量传递 至模块箱体外,有效抑制了电池模块内部的温升,使 电池模块的温度始终控制在 25 ~ 40 益 ,并且由于微 热管阵列较强的均温性能,使各电池间温差控制在 5 益之内; (2) 2 C 循环时,通过增加微热管阵列敷设面 积,并利用微热管阵列冷凝段与外部空气的强制对 流换热,使模块的平均终温从 51 益 降低至 39 益 ,电 池间温差控制在 4 益之内,比无热管条件下降 7 益 ; (3) 计算双热管风冷时 2 C 循环下电池模块热 量,得到通过微热管阵列的对流换热量约为模块生 热量的 40% , 基于微热管阵列的电池散热作用 明显. 参 考 文 献 [1] Huang K D, Tzeng S C, Chang W C. Energy鄄saving hybrid vehi鄄 cle using a pneumatic鄄power system. Appl Energy, 2005, 81(1): 1 [2] Khateeb S A, Farid M M, Selman J R,et al. Design and simula鄄 tion of a lithium鄄ion battery with a phase change material thermal management system for an electric scooter. J Power Sources, 2004,128(2): 292 [3] Williford R E, Viswanathan V V, Zhang J G. Effects of entropy changes in anodes and cathodes on the thermal behavior of lithium ion batteries. J Power Sources, 2009,189(1): 101 [4] Saito Y. Thermal behaviors of lithium鄄ion batteries during high鄄 rate pulse cycling. J Power Sources, 2005, 146(1鄄2): 770 [5] Weinert J X, Burke A F, Wei X Z. Lead鄄acid and lithium鄄ion batteries for the Chinese electric bike market and implications on future technology advancement. J Power Sources, 2007, 172(2): 938 [6] Sabbah R, Kizilel R, Selman J R,et al. Active ( air鄄cooled) vs. passive (phase change material) thermal management of high pow鄄 er lithium鄄ion packs: Limitation of temperature rise and uniformity of temperature distribution. J Power Sources, 2008,182(2): 630 [7] Wu M S, Chiang P C J. High鄄rate capability of lithium鄄ion batter鄄 ies after storing at elevated temperature. Electrochim Acta, 2007, 52(11): 3719 [8] Belt J R, Ho C D, Miller T J,et al. The effect of temperature on capacity and power in cycled lithium ion batteries. J Power Sources, 2005,142(1鄄2): 354 ·125·

·126· 工程科学学报，第40卷，第1期 [9]Zhao Y H,Zhang K H.Diao Y H.Heat Pipe with Micro-pore on the heat dissipation effect of power battery pack cooled with Tubes Array and Making Method Thereof and Heat Exchanging Sys- phase change materials.Chem Ind Eng Prog,2009,28(1):23 tem:US Patent13/127444.2009-11-3 (张国庆，饶中浩，吴忠杰，等。采用相变材料冷却的动力电 [10]Deng YC,Zhao Y H,Wang W,et al.Experimental investigation 池组的散热性能.化工进展，2009,28(1)：23) of performance for the novel flat plate solar collector with micro- [14]Pesaran AA.Battery thermal models for hybrid vehicle simula- channel heat pipe array MHPA-FPC).Appl Therm Eng,2013, tions.J Pouer Sources,2002,110(2):377 54(2):440 [15]Zhang G Q.Wu ZJ,Rao Z H,et al.Experimental invesitigation [11]Wang YY,Diao Y H,Zhao Y H,et al.Cooling property of flat on heat pipe cooling effect for power battery.Chem Ind Eng micro-heat pipe arrays for lithium battery.Chin Power Sources, Pr0g,2009,28(7):1165 2014,38(8):1433 (张国庆，吴忠杰，饶中浩，等.动力电池热管冷却效果实 (王颖盈，刁彦华，赵耀华，等.平板微热管阵列应用于锂电 验.化工进展，2009,28(7)：1165) 池组的散热特性.电源技术，2014,38(8)：1433) [16]Wu M S,Liu K H,Wang YY,et al.Heat dissipation design for [12]Wang H Y,Deng Y C,Hao L M,et al.Applied investigation on lithium-ion batteries.J Power Sources,2002,109(1):160 LED heat cooling equipment using flat micro-heat pipe arrays [17]Bernardi D.Pawlikowski E,Newman J.A general energy balance Semicond Technol,2012,37(3):240 for battery systems.J Electrochem Soc,1985,132(1):5 (王宏燕，邓月超，郝丽敏，等.平板微热管阵列在ED散 [18]Sato N.Thermal behavior analysis of lithium-ion batteries for 热装置中的应用.半导体技术，2012,37(3)：240) electric and hybrid vehicles.Power Sources,2001,99(1-2): [13]Zhang GQ,Rao Z H,Wu Z J,et al.Experimental investigation 70

工程科学学报,第 40 卷,第 1 期 [9] Zhao Y H, Zhang K H, Diao Y H. Heat Pipe with Micro鄄pore Tubes Array and Making Method Thereof and Heat Exchanging Sys鄄 tem: US Patent 13 / 127444. 2009鄄鄄11鄄鄄3 [10] Deng Y C, Zhao Y H, Wang W,et al. Experimental investigation of performance for the novel flat plate solar collector with micro鄄 channel heat pipe array (MHPA鄄鄄FPC). Appl Therm Eng, 2013, 54(2): 440 [11] Wang Y Y, Diao Y H, Zhao Y H, et al. Cooling property of flat micro鄄heat pipe arrays for lithium battery. Chin J Power Sources, 2014, 38(8): 1433 (王颖盈, 刁彦华, 赵耀华, 等. 平板微热管阵列应用于锂电 池组的散热特性. 电源技术, 2014, 38(8): 1433) [12] Wang H Y, Deng Y C, Hao L M, et al. Applied investigation on LED heat cooling equipment using flat micro鄄heat pipe arrays. Semicond Technol, 2012, 37(3): 240 (王宏燕, 邓月超, 郝丽敏, 等. 平板微热管阵列在 LED 散 热装置中的应用. 半导体技术, 2012, 37(3): 240) [13] Zhang G Q, Rao Z H, Wu Z J, et al. Experimental investigation on the heat dissipation effect of power battery pack cooled with phase change materials. Chem Ind Eng Prog, 2009, 28(1): 23 (张国庆, 饶中浩, 吴忠杰, 等. 采用相变材料冷却的动力电 池组的散热性能. 化工进展, 2009, 28(1): 23) [14] Pesaran A A. Battery thermal models for hybrid vehicle simula鄄 tions. J Power Sources, 2002, 110(2): 377 [15] Zhang G Q, Wu Z J, Rao Z H, et al. Experimental invesitigation on heat pipe cooling effect for power battery. Chem Ind Eng Prog, 2009, 28(7): 1165 (张国庆, 吴忠杰, 饶中浩, 等. 动力电池热管冷却效果实 验. 化工进展, 2009, 28(7): 1165) [16] Wu M S, Liu K H, Wang Y Y,et al. Heat dissipation design for lithium鄄ion batteries. J Power Sources, 2002, 109(1): 160 [17] Bernardi D, Pawlikowski E, Newman J. A general energy balance for battery systems. J Electrochem Soc, 1985, 132(1): 5 [18] Sato N. Thermal behavior analysis of lithium鄄ion batteries for electric and hybrid vehicles. J Power Sources, 2001, 99(1鄄2): 70 ·126·