1.3 動(dòng)力電池系統(tǒng)相變冷卻式散熱系統(tǒng)

1.3.1 相變冷卻式散熱系統(tǒng)工作原理

圖1.13 PCM相變圖

相變材料（Phase-Change Material，PCM）是一類特殊的功能性材料，能在恒溫或近似恒溫的情況下發(fā)生相變，同時(shí)伴隨有較大熱量的吸收或釋放。PCM最初是用來(lái)作為儲(chǔ)存熱量的介質(zhì)，主要目的是平衡熱能的供需差異。PCM應(yīng)用的基礎(chǔ)有兩個(gè)：其一，PCM相變過(guò)程的等溫性，這種特性有利于將溫度變化控制在較小的范圍內(nèi)，可以用來(lái)控制溫度；其二，PCM有很高的相變潛熱，少量的材料可以存儲(chǔ)大量的熱量，在各系統(tǒng)中應(yīng)用時(shí)可顯著減輕系統(tǒng)重量。PCM發(fā)生的相變可以是固態(tài)-氣態(tài)、固態(tài)-液態(tài)以及液態(tài)-氣態(tài)之間的轉(zhuǎn)變，典型的PCM相變?nèi)鐖D1.13所示。固態(tài)-氣態(tài)、液態(tài)-氣態(tài)的轉(zhuǎn)變盡管相變潛熱很高，但是由于體積變化大，對(duì)于系統(tǒng)的空間需求就會(huì)增加，這是不實(shí)際的。另外一種固態(tài)-固態(tài)轉(zhuǎn)變只是晶體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，因?yàn)闈摕彷^小故應(yīng)用也很少。PCM通常利用的是固態(tài)-液態(tài)轉(zhuǎn)變，這一過(guò)程伴隨著較高的相變潛熱以及較小的溫度與體積變化。相變冷卻的優(yōu)點(diǎn)在于：

1）冷卻效率比液冷高出3～4倍。

2）更能滿足快充需求。

3）結(jié)構(gòu)緊湊。

4）潛在地降低了成本。

5）避免了乙二醇溶液在電池箱體內(nèi)部的流動(dòng)。

PCM用于電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)時(shí)，把電池組浸在PCM中，PCM吸收電池放出的熱量而使溫度迅速降低，熱量以相變熱的形式儲(chǔ)存在PCM中，在充電或很冷的環(huán)境下工作時(shí)釋放出來(lái)，其基本的原理如圖1.14所示。

圖1.15為相變冷卻在電子產(chǎn)品散熱上的應(yīng)用示例。針對(duì)電動(dòng)汽車散熱，相變材料可以安放在電池組內(nèi)，直接與電池模塊接觸換熱，還可以包覆在電池模塊外表面，采用間接接觸的方式。相變冷卻方式能夠較好地緩解動(dòng)力電池內(nèi)部的溫升，是較為有效的冷卻方式，但同時(shí)也增加了電池組系統(tǒng)的重量和成本，使結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，維護(hù)也不方便。

圖1.14 相變冷卻基本原理圖

圖1.15 相變冷卻散熱應(yīng)用

寶馬i3的熱管理采用直冷方案（也有液冷方案），制冷劑為R134a，制冷劑的進(jìn)出走向如圖1.16所示。

圖1.16 寶馬i3相變冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

相變冷卻技術(shù)中還有一種熱管技術(shù)，熱管由管殼、吸液芯和端蓋組成，將管內(nèi)抽成1.3×（10^-1～10^-4）Pa的負(fù)壓后充以適量的工作液體，使緊貼管內(nèi)壁的吸液芯毛細(xì)多孔材料中充滿液體后加以密封。管的一端為蒸發(fā)段（加熱段），另一端為冷凝段（冷卻段），根據(jù)應(yīng)用需要在兩段中間可布置絕熱段。它充分利用了熱傳導(dǎo)原理與制冷介質(zhì)的快速熱傳遞性質(zhì)，透過(guò)熱管將發(fā)熱物體的熱量迅速傳遞到熱源外，其導(dǎo)熱能力超過(guò)任何已知金屬的導(dǎo)熱能力。熱管工作原理如圖1.17所示。

圖1.17 熱管工作原理

熱管具有導(dǎo)熱性高、等溫性高、熱流方向可逆等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在電子、航天等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。在電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中，熱管式冷卻系統(tǒng)與強(qiáng)制對(duì)流散熱系統(tǒng)相比，可以使動(dòng)力電池在正常溫度范圍工作，并能夠很好地保持電池單體之間的溫度均勻性。

著名科學(xué)家Cotter為熱管學(xué)奠定了理論基礎(chǔ)，一般稱之為Cotter理論，其中提到了熱管正常工作的必要條件：

Δp_c≥Δp_l+Δp_v+Δp_g （1-1）

熱管內(nèi)的流體流動(dòng)屬于氣-液兩相逆流流動(dòng)，其中蒸氣從蒸發(fā)段流向冷凝段會(huì)產(chǎn)生壓力降Δp_v，冷凝液體從冷凝段流回蒸發(fā)段會(huì)產(chǎn)生壓力降Δp_l，而重力場(chǎng)對(duì)液體流動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生壓力降Δp_g（可以是正值、負(fù)值或?yàn)榱悖暉峁茉谥亓?chǎng)中的位置而定）。Δp_l+Δp_v+Δp_g形成了工質(zhì)回流的阻力，而熱管中工質(zhì)的循環(huán)動(dòng)力依靠毛細(xì)吸液芯結(jié)構(gòu)與工作液體產(chǎn)生的毛細(xì)壓頭，也就是Δp_c。

Δp_v和Δp_l一般隨熱負(fù)荷的增加而增加，主要受工質(zhì)的黏度、密度、質(zhì)量流量、熱管長(zhǎng)度、多孔物質(zhì)滲透系數(shù)等影響，而Δp_c則由吸液芯結(jié)構(gòu)決定，毛細(xì)孔半徑越小，Δp_c越大。毛細(xì)結(jié)構(gòu)為循環(huán)提供的毛細(xì)壓頭是有限的，如果由毛細(xì)力作用抽回的液體不能滿足蒸發(fā)所需的量，便會(huì)出現(xiàn)蒸發(fā)段的吸液芯干涸，造成蒸發(fā)段管壁溫度劇烈上升，甚至出現(xiàn)燒壞管壁和熱源的現(xiàn)象，這就是常見的毛細(xì)極限。熱管傳熱中存在的各種極限如圖1.18所示。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，熱管種類也在不停地進(jìn)化。熱管優(yōu)良的可設(shè)計(jì)性使得人們可以根據(jù)不同的需求把熱管設(shè)計(jì)成不同的長(zhǎng)度、直徑、形狀以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)。根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同，熱管大致可以分為以下三類。

（1）熱熔渣結(jié)構(gòu)

熱熔渣結(jié)構(gòu)的制作過(guò)程是將銅粉加熱到一定溫度，在其未完全熔化之前，銅粉顆粒邊沿會(huì)首先熔化，粘連四周的銅粉，冷卻后就是我們見到的這種煤渣式的內(nèi)壁結(jié)構(gòu)，如圖1.19所示。但是不同的是，這種內(nèi)壁結(jié)構(gòu)非常堅(jiān)硬，有如金屬，此外，這種熱管的制作成本較高。

圖1.18 熱管傳熱的各種極限

圖1.19 熱熔渣結(jié)構(gòu)

（2）溝槽結(jié)構(gòu)

溝槽結(jié)構(gòu)加工方式是將熱管的內(nèi)壁加工出很多小槽，具體如圖1.20所示。熱管內(nèi)部溝槽形狀類似毛細(xì)血管，同樣會(huì)產(chǎn)生一定的吸力，加速管內(nèi)液體的回流。

圖1.20 溝槽結(jié)構(gòu)

根據(jù)開槽的精密細(xì)膩情況，以及制程的工藝水平和溝槽的方向等，會(huì)對(duì)熱管的散熱造成很大的影響。溝槽越細(xì)越精密，液體的回流速度就越快。總體來(lái)說(shuō)，這種熱管的加工方式較為簡(jiǎn)單，難度小，價(jià)格相對(duì)便宜。同樣，其效果不如熱熔渣式熱管好。

（3）多重金屬網(wǎng)孔

多重金屬網(wǎng)孔設(shè)計(jì)是將類似于編織袋一樣的金屬編制網(wǎng)附在銅管的內(nèi)壁（圖1.21），一般來(lái)說(shuō)金屬網(wǎng)由銅絲制成。編制的金屬絲之間會(huì)有空隙，產(chǎn)生一定的吸力，可在一定程度上加速管內(nèi)液體的回流。

圖1.21 多重金屬網(wǎng)孔

這種熱管的制作工藝最為簡(jiǎn)單，只需要一根能耐負(fù)壓的銅管，加上一些金屬網(wǎng)即可。它的成本較為低廉，已為多數(shù)熱管散熱器所使用，但其散熱效果較前面兩種有所減弱。

由于熱管超高的導(dǎo)熱性能，電池單體之間的溫差很快會(huì)被熱管抹平，從而起到均溫的作用，此外，散熱效果及平均溫度均得到改善。使用熱管前后對(duì)比如圖1.22（見彩插）所示。

圖1.22 散熱仿真結(jié)果

1.3.2 相變冷卻式散熱系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

Agyenim等針對(duì)PCM熱管理研究了幾種不同形狀的容器，如圖1.23所示，包括球形殼體、矩形殼體和圓管形殼體，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和模擬對(duì)比，驗(yàn)證模擬方法的可行性。

圖1.23 Agyenim所研究的PCM熱管理不同形狀容器

Duan等對(duì)PCM應(yīng)用到電池?zé)峁芾磉M(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，以圓柱形加熱器作為熱源，模擬電池在不同加熱功率和環(huán)境溫度下的發(fā)熱情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，使用PCM能夠有效地將加熱器的溫度控制在一個(gè)合理的范圍內(nèi)。

張國(guó)慶等使用復(fù)合PCM設(shè)計(jì)電池單體和電池組的散熱系統(tǒng)（圖1.24），通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在1C的放電倍率下，與空氣自然冷卻和強(qiáng)制對(duì)流兩種方式相比較，采用PCM進(jìn)行冷卻能夠使電池的溫度分別下降14～18K和9～14K。最后得到結(jié)論：當(dāng)石蠟/石墨混合比例接近4∶1時(shí)，采用該相變材料冷卻的電池組散熱效果達(dá)到最佳。

Kadasamy等將PCM應(yīng)用到電子器件的實(shí)驗(yàn)和仿真研究結(jié)果表明，電子器件的功率輸入對(duì)整個(gè)散熱系統(tǒng)至關(guān)重要，功率增加會(huì)加快PCM的熔化速率，如圖1.25（見彩插）所示。

圖1.24 具有相變冷卻功能的電池單體以及 電池模塊排列與連接方式

熱管作為一種高效相變傳熱元件，被廣泛應(yīng)用于宇航、軍工、冶金、建材、化工、太陽(yáng)能、微電子散熱等領(lǐng)域，因其具有熱阻相當(dāng)?shù)停瑹醾鲗?dǎo)率極高（大于50kW）等特點(diǎn)而受到歡迎。

2013年，張維研究了不同充液率對(duì)微小型環(huán)路熱管的起動(dòng)特性和傳熱特性的影響（圖1.26），同時(shí)將該環(huán)路熱管與相變材料耦合應(yīng)用于電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)。研究結(jié)果表明：處于同一熱負(fù)荷時(shí)，以58.3%、63.6%、68.0%這三種充液率的環(huán)路熱管的運(yùn)行溫度相對(duì)較低，較為平穩(wěn)。復(fù)合散熱系統(tǒng)的電池最高溫度低于最佳工作溫度上限50℃，且工作時(shí)間最長(zhǎng)，其次是微小型環(huán)路熱管，自然風(fēng)冷系統(tǒng)最短。

2014年，陳維以一個(gè)方形鋰離子電池為研究對(duì)象，通過(guò)實(shí)驗(yàn)與模擬研究了鋰離子電池在工作過(guò)程中的熱特性，發(fā)現(xiàn)放電倍率越高，電池表面溫差越大；還研究了熱管的形狀、布置高度和數(shù)量對(duì)電池散熱的影響（圖1.27，見彩插）。

2015年，Q.Wang等以30個(gè)電池單體組成的電池組為研究對(duì)象，利用熱管對(duì)電動(dòng)汽車電池進(jìn)行了低溫加熱和常規(guī)冷卻實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果指出，若電池單體產(chǎn)熱量不超過(guò)10W/cell，則可有效控制電池表面溫度在40℃以下，散熱效果明顯。此外還通過(guò)將該裝置放于-15℃或-20℃下超過(guò)14h來(lái)檢測(cè)零下燒結(jié)銅-水熱管的可能性。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，零下的溫度條件對(duì)該熱管幾乎沒(méi)有影響，并能立即工作。

2016年，Nandy Putra等通過(guò)內(nèi)置圓柱形筒套加熱器的鋁合金來(lái)模擬鋰離子電池生熱，實(shí)驗(yàn)研究了平板環(huán)路熱管在鋰離子電池?zé)峁芾碇械男阅埽C明了平板環(huán)路熱管在電池組散熱中的可行性和巨大潛力。

圖1.25 48W發(fā)熱功率下不同時(shí)間的液體狀態(tài)的分布

圖1.26 微小平板型環(huán)路熱管內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖1.27 單獨(dú)使用電池和使用熱管的電池?zé)岢上駥?duì)比圖