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. 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