曹 松 畢海權(quán) 秦 萍 王宏林 王方宇

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塊狀動力電池相變材料-風冷耦合散熱實驗研究

曹 松 畢海權(quán) 秦 萍 王宏林 王方宇

（西南交通大學機械工程學院 成都 610031）

針對型號為MV06203127NTP的塊狀動力電池的散熱問題進行了實驗研究，以模塊內(nèi)溫度不大于50℃為標準，分別研究了電池在1C和2C工作條件下，冷卻風溫度和速度對模塊散熱的影響；實驗結(jié)果表明：在相變材料厚度為3mm，風冷導熱片高30mm的條件下，當電池充放電倍率為1C、冷卻風速等于1m/s，冷卻風溫度為24℃時能滿足控制溫度要求；當冷卻風溫度為28℃時，最佳冷卻風速等于2m/s；當電池充放電倍率為2C、冷卻風溫度為28℃時，冷卻風速度為3m/s不能滿足控制模塊內(nèi)溫度分布的要求。

相變冷卻；耦合散熱；實驗研究；塊狀動力電池

0 引言

動力電池作為替代傳統(tǒng)化石燃料為動力的新能源交通工具的重要組成部分，近幾年受到大量國內(nèi)外學者的重視，尤其在新能源汽車領(lǐng)域。電動交通工具采用電能取代石油等化石燃料作為動力，是解決未來交通問題的長遠發(fā)展方向[2,3]，同時動力系統(tǒng)被認為是電動交通工具中最重要也是最難解決的問題[1]。當前散熱問題是動力電池系統(tǒng)被研究的熱點之一[4-6]，張國慶、饒中浩等對鎳氫電池組散熱問題進行了實驗研究，研究結(jié)果顯示在1C的充放電倍率下，石蠟和石墨的質(zhì)量比為4:1時，電池組冷卻效果最佳[7]；趙明偉、王子晨等制備了泡沫鋁-石蠟復(fù)合相變材料，對不同孔隙率的泡沫鋁石蠟混合相變材料的蓄放熱特性進行了詳細的實驗和理論研究[8,9]；Goli等研究了石墨烯和石蠟的復(fù)合相變材料用于電池散熱系統(tǒng)，實驗結(jié)果顯示添加石墨烯可以極大提高復(fù)合相變材料的導熱系數(shù)，通過模擬和實驗發(fā)現(xiàn)該復(fù)合相變材料能夠很好控制電池內(nèi)部溫度的上升[10]。

本文基于某公司自主研制的100%低地板有軌電車動力電池散熱問題為研究背景，在課題組前期工作的基礎(chǔ)上，本文對型號為MV06203127NTP的塊狀動力電池散熱問題進行了實驗研究，采用孔隙率為95%的泡沫銅和石蠟制成混合相變材料，以電池模塊內(nèi)最高溫度不大于50℃為實驗標準，分析總結(jié)了電池模塊在1C和2C充放電倍率下的散熱特性。

圖1 相變材料-導熱介質(zhì)-強迫空氣對流耦合散熱

1 實驗系統(tǒng)與設(shè)備

1.1 實驗系統(tǒng)

1矩形風管、2溫度計、3風速儀、4電池模塊、5帆布軟接頭、6軸流風機、7圓形風管（PVC水管）、8數(shù)據(jù)采集器、9電腦、10充電設(shè)備、11放電設(shè)備

1.2 實驗儀器

圖3所示為試驗臺和部分實驗儀器。試驗臺分成三個主要部分測試段、控制段、數(shù)據(jù)記錄段。其中測試段包括含有六塊單體電池的電池模塊、風機、熱電偶、風管；控制段包括電池的充電裝置和負載；數(shù)據(jù)記錄段包括安捷倫讀數(shù)儀、電腦。圖3右側(cè)為電池模塊內(nèi)部的單體電池和復(fù)合相變材料，電池模塊內(nèi)含有6塊單體電池，每塊單體電池左右各放一塊混合相變材料，相變材料和相變材料之間用導熱片隔開。在單體電池的一側(cè)布置5個銅-康銅（T型）熱電偶，布置4塊共20個測點；復(fù)合相變材料由相變溫度為40℃的石蠟和孔隙率為95%的泡沫銅組成。

圖3 試驗臺和部分實驗儀器

圖4 電池模塊

2 實驗結(jié)果與分析

電池充放電倍率為1C的條件下，共做了4組實驗，充放電倍率為2C的條件下共進行了3組實驗。整個實驗過程中單塊混合相變材料厚度為3mm，導熱片高度30mm為不變參數(shù)，而冷卻風速度和冷卻風溫度為可變參數(shù)，具體實驗工況見下表。

表1 實驗工況及結(jié)果

2.1 1C充放電實驗結(jié)果

圖5為1C四種工況實驗結(jié)果溫度分布折線圖，圖中紅色曲線為模塊內(nèi)最低溫度曲線，黑色曲線為模塊內(nèi)最高溫度曲線。圖中曲線表明在實驗開始階段電池組模塊內(nèi)最高溫度和最低溫度迅速升高，到后期溫升減小直到穩(wěn)定不在發(fā)生變化。在實驗開始階段相變材料吸熱溫度升高，溫度升高后相變材料開始相變，模塊內(nèi)溫升減小，相變材料蓄熱增加，直到模塊內(nèi)溫度穩(wěn)定不變，此時電池散熱等于冷卻風帶走的熱量。

（a）最高溫度對比曲線圖

（b）最低溫度對比曲線圖

圖6 工況一和工況二溫度對比曲線圖

Fig.6 Experimental conditions one and two temperature contrast curve

通過對比各工況溫度變化規(guī)律，分析研究電池在1C充放電倍率下，模塊內(nèi)溫度變化特點與冷卻風溫度和冷卻風速度之間的關(guān)系。實驗工況一和工況二冷卻風速度相同，冷卻風溫度不同，工況一冷卻風溫度為24℃，工況二冷卻風溫度為28℃，其他實驗條件相同。從圖6中溫度對比曲線可以得出，當實驗進行到6小時后，工況一最高溫度基本穩(wěn)定在42℃，最低溫度穩(wěn)定在40℃，工況二最高和最低溫度都已經(jīng)超過50℃，隨著實驗的繼續(xù)進行工況二模塊內(nèi)溫度將繼續(xù)升高。以上實驗結(jié)果表明，當相變材料厚度為3mm、導熱片高度等于30mm、冷卻風速度等于1m/s，冷卻風溫度為24℃時能滿足控制模塊內(nèi)最高溫度不大于50℃的要求。

圖7為1C充放電條件下冷卻風溫度相同，冷卻風速度不同的三種實驗工況電池模塊內(nèi)溫度變化曲線。圖中工況三和工況四能較好的控制電池模塊內(nèi)溫度分布，工況二模塊內(nèi)溫度變化不斷升高，實驗結(jié)束時模塊內(nèi)最高溫度和最低溫度大于或者接近50℃。以上實驗結(jié)果表明，在其他實驗參數(shù)不變的條件下，改變冷卻風速度對模塊內(nèi)溫度影響較大，當風速達到某一值后繼續(xù)增加冷卻風速度對模塊內(nèi)溫度變化影響將逐漸減弱。同時當相變材料厚度為3mm、導熱片高度等于30mm、冷卻風溫度28℃時，最佳冷卻風速度為2m/s。

（a）最高溫度對比曲線圖

（b）最低溫度對比曲線圖

圖7 1C充放電溫度對比曲線

Fig.7 1C charge and discharge temperature contrast curve

2.2 2C充放電實驗結(jié)果

圖8為2C充放電條件下三種實驗工況電池模塊溫度變化曲線，當充放電倍率增加到2C之后電池散熱量增加，模塊內(nèi)溫度升高速度增加。工況五當風速只有1m/s時，模塊內(nèi)溫度呈直線上升趨勢，在實驗進行到1.75小時模塊內(nèi)最高溫度就已經(jīng)達到50℃。工況六和工況七由于增大風速，溫度上升曲線變緩，當相變材料相變結(jié)束后，模塊內(nèi)溫度繼續(xù)升高，在相變材料厚度為3mm、導熱片高度等于30mm、冷卻風溫度28℃時，冷卻風速度為2m/s和3m/s的條件下都不能使模塊內(nèi)溫度滿足不大于50℃的要求。

（a）最高溫度對比曲線圖

（b）最低溫度對比曲線圖

圖8 2C充放電溫度對比曲線

Fig.8 2C charge and discharge temperature contrast curve

3 結(jié)論

為解決型號為MV06203127NTP的塊狀動力電池散熱問題，通過制備混合相變材料并搭建相變材料與風冷耦合散熱的模擬通風試驗臺，進行了該動力電池在1C和2C工作條件下的通風冷卻實驗，得到以下結(jié)論：

首先，圍繞烹飪行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，主動對接技術(shù)人才和餐飲企業(yè)間的現(xiàn)實需求。其次，深化產(chǎn)教融合協(xié)同育人機制、對接專業(yè)標準、行業(yè)標準和崗位標準，構(gòu)建與崗位實際工作過程密切相關(guān)的課程體系。最后，創(chuàng)新烹飪實訓基地建設(shè)，加強餐飲文化建設(shè)，打造校企互惠共建，烹飪產(chǎn)業(yè)特色鮮明的人才培養(yǎng)模式。

（1）該型號電池在1C充放電倍率下工作時，當相變材料厚度為3mm、導熱片高度等于30mm、冷卻風速度等于1m/s的條件下，冷卻風溫度等于24℃時，能滿足控制電池模塊內(nèi)溫度不大于50℃的要求；

（2）該型號電池在1C充放電倍率下工作時，當相變材料厚度為3mm、導熱片高度等于30mm、冷卻風溫度等于28℃時，最佳冷卻風速度為2m/s；

（3）該型號電池在2C充放電倍率下工作時，當相變材料厚度為3mm、導熱片高度等于30mm、冷卻風溫度等于28℃時，冷卻風溫度為3m/s的條件下，不能滿足控制電池模塊內(nèi)溫度不大于50℃的要求。

[1] Tollefson J. Car industry：charging up the future[J]. Nature, 2008,456(7221):436-440.

[2] Smith M. Batteries versus biomass as a transport solution[J]. Nature, 2009,457(7231):785.

[3] 宋永華,陽岳希,胡澤春.電動汽車電池的現(xiàn)在及發(fā)展趨勢[J].電網(wǎng)技術(shù),2011,35(4):1-7.

[4] 王松蕊,付亞娟,盧立麗,等.鋰離子電池溫度變化熱模擬研究[J].電源技術(shù), 2009,34(1):41-44.

[5] 張國慶,張海燕.相變儲能材料在電池熱管理中的研究進展[J].材料導報,2006,20(8):9-12.

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[7] 張國慶,饒中浩,吳忠杰,等.采用相變材料冷卻的動力電池組的散熱性能[J].化工進展,2009,28(1):23-26.

[8] 趙明偉,左孝青,楊牧南,等.泡沫鋁-石蠟復(fù)合相變材料的蓄放熱性能研究[J].功能材料與器件學報,2012, 18(5):391-396.

[9] 王子晨.泡沫鋁/石蠟復(fù)合相變材料蓄熱實驗研究[D].北京:北京交通大學,2015.

[10] Goli P, Legedza S, Dhar A, et al. Graphene-enhanced hybrid phase change materials for thermal management of Li-ion batteries[J]. Journal of Power Sources, 2014,248:37-43.

Experimental Study of Phase Change Materials and Air Coupled Cooling System with Massive Power Battery

Cao Song Bi Haiquan Qin Ping Wang Honglin Wang Fangyu

( School of mechanical engineering, southwest jiaotong university, Chengdu, 610031 )

In this paper the cooling problem of MV06203127NTP power battery has been experimental study. Based on battery module temperature is not more than 50℃, to study the cooling air temperature and velocity effect the heat dissipation when battery is working under the condition of 1C and 2C. The experimental results show that: in the phase change material thickness is 3mm, air-cooled heat conduction under the condition of high 30mm,when the battery charge and discharge ratio is 1C, cooling wind speed is 1m/s, cooling air temperature is 24℃ can meet the battery module temperature requirements; When the cooling air temperature is 28℃, the best cooling wind speed is 2m/s; When the battery charge and discharge rate is 2C, cooling air temperature is 28℃, the cooling speed is 3m/s the battery module temperature requirements can not be implementation.

Phase change cooling; Coupled heat dissipation; Experimental study; Massive power battery

1671-6612（2017）05-522-05

TU831/TK124

A

曹 松（1991.02-），男，在讀碩士研究生，E-mail：caosongjiayou@163.com

畢海權(quán)（1974.12-），男，教授，E-mail：bhquan@163.com

2017-03-30