周智程，魏愛博，屈健，關鳳渤，DMITRII Grachev，郭澤霖

（江蘇大學能源與動力工程學院，江蘇鎮(zhèn)江212000）

在傳統(tǒng)石化燃料短缺和環(huán)境污染日趨嚴峻的背景下，電動汽車以其低能耗、低排放的特點日益受到關注。電動汽車需要高比功率/能量密度電池來滿足其實際運行的需要，同時還要求電池循環(huán)使用壽命長、成本低且沒有記憶功能。在各種車用動力電池中，以高功率密度的鋰離子電池作為動力源，具有行駛里程長、加速度快等特點[1]。然而，鋰離子電池在高電流快速充放電循環(huán)時會產生大量的焦耳熱，其儲電能力和壽命受溫度及整體均溫性影響較大，熱量若無法及時散除則容易使電池面臨熱失控甚至出現(xiàn)燒毀事故[2-3]，因此實現(xiàn)電池部件的有效熱管理已成為電動汽車大規(guī)模推廣應用過程中需要面對和解決的關鍵問題之一。

過去十余年間，為了滿足電動汽車電池的散熱要求，提出了包括空氣冷卻[4-5]、液體冷卻[6-8]、相變材料冷卻（PCM）[9-11]和熱管冷卻[12-15]等在內的多種技術方案。其中，熱管技術具有成本低廉、重量輕、可靠性高等特點，作為實現(xiàn)電動汽車電池組高效熱管理的一種潛在方法，近年來受到了廣泛關注。熱管可以將電池模塊內部熱量轉移到周圍環(huán)境中，從而使電池在不同工作條件下能夠保持所需的正常溫度（通常不超過50℃[16]），并顯著降低電池模塊內部和模塊間的溫差。作為一種典型的無吸液芯熱管，近年來脈動熱管（OHP）在電動汽車熱管理方面也頗受關注，該熱管能夠較好地克服傳統(tǒng)吸液芯熱管易受攜帶和沸騰極限制約的不足，具有傳熱性能優(yōu)異和環(huán)境適用性強等優(yōu)點[17-18]，在電動汽車熱管理方面具有很好的應用前景。

Rao 課題組[19-20]對基于PCM/OHP 的電池熱管理系統(tǒng)組合性能進行了系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)基于PCM/OHP 的系統(tǒng)在冷卻動力電池方面表現(xiàn)出了很好的性能。在頂部加熱/底部冷卻模式下，Chi 和Rhi[21]針對3 個甲醇為工質的脈動熱管（內徑分別為0.8mm、1mm 和1.4mm）用于電池冷卻的性能開展了比較研究，發(fā)現(xiàn)在熱管冷凝段水冷情況下電池模擬熱源的平均溫度能夠維持在56.4℃。Qu等[22]對三個柔性脈動熱管進行了實驗研究，并評估了絕熱長度和結構形式對脈動熱管啟動和傳熱性能的影響，發(fā)現(xiàn)柔性脈動熱管在電動汽車熱管理方面具有應用潛力。以上研究初步論證了脈動熱管用于電動汽車電池冷卻的可行性，但傳統(tǒng)的脈動熱管-電池板接觸方式使得熱管與電池單元接觸面積較小，會增加電池單元內的接觸熱阻和均溫性，進而導致溫差增大，部分降低了模塊化電池組的性能。

脈動熱管的優(yōu)異傳熱性能建立于其熱驅動自激振蕩基礎之上，工質選擇對熱管傳熱性能的影響至關重要。與單組分工質相比，混合工質在氣泡成核及熱質傳遞方面存在明顯差異，并直接影響脈動熱管的啟動和整體傳熱能力。Zhu 等[23]通過實驗研究了不同充液率（35%～70%）下水-丙酮混合液對脈動熱管啟動和傳熱性能的影響，發(fā)現(xiàn)較之純水，使用水-丙酮混合液后脈動熱管具有更好的啟動性能。在50W輸入功率下，不同混合比的水-丙酮混合物與純工質相比可使脈動熱管的熱阻降低33.6%～68.9%。Shi 等[24]對脈動熱管使用乙醇-水、乙醇-甲醇和乙醇-丙酮三種混合工質的傳熱性能進行了實驗比較，發(fā)現(xiàn)由于乙醇-水混合溶液的相變抑制作用，當混合比為2∶1 且45%充液率時，以乙醇-水混合物為工質的脈動熱管的傳熱性能優(yōu)于其他工質。Han等[25]對脈動熱管使用多種水基二元非共沸混合工質情況下的傳熱性能比較研究同樣發(fā)現(xiàn)，與使用純工質相比，中低充液率下使用混合工質的脈動熱管具有更好的抗“燒干”能力，這主要是由相變抑制作用引起的。為此，本文提出了一種針對動力電池散熱的管板結構脈動熱管，并借鑒二元混合工質在強化脈動熱管傳熱性能方面所具有獨特優(yōu)勢[23-26]，對以不同濃度比的乙醇-水二元混合液作為工質情況下的熱管啟動和傳熱性能進行了研究，發(fā)現(xiàn)在風冷情況下具有很好的溫控效果，能夠有效降低電池溫度至安全允許范圍并提高均溫性。本文主要對乙醇-水混合溶液體積比介于(4∶1)～(1∶3)情況下管板結構脈動熱管的傳熱和溫控性能進行了對比研究，發(fā)現(xiàn)一定充液率和濃度比下，電池平均溫度和均溫性都能夠較好地滿足要求，為脈動熱管在電池熱管理方面的應用提供了有益參考。

1 實驗裝置及數(shù)據(jù)處理

1.1 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示，主要由管板結構脈動熱管、加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和測量裝置4 個部分組成。冷凝段采用軸流風扇強制對流空氣冷卻，同時為了提高散熱效果，在冷凝段銅管外布置有銅制徑向翅片（翅片厚度0.2mm，高度5mm）。8個T形熱電偶（T1～T8，直徑0.1mm，精度±0.2℃）布置在蒸發(fā)段和冷凝段的不同位置，4 個T 形熱電偶（T9～T12）布置在靠近平板蒸發(fā)器側的模擬電池上不同位置處。熱管蒸發(fā)器與模擬電池間放置有減小接觸熱阻的導熱硅膠片。環(huán)境溫度保持25℃±1℃，有一個溫度測點（T13）來進行監(jiān)測。所有溫度信號均由數(shù)據(jù)采集器（Agilent 34970A）采集并傳輸?shù)接嬎銠C。脈動熱管輸入熱量由模擬電池發(fā)熱的金屬加熱膜（包裹于聚酰亞胺材料中）提供，外部主要由交流穩(wěn)壓器（JONCHN SVC-Ⅱ）、調壓器（DELIXI TDGC2-3kVA） 和功率計（GWINSTEK GPM-8212）來施加電壓并調節(jié)監(jiān)測加熱功率。為了減少蒸發(fā)器區(qū)域到周圍環(huán)境的散熱損失，平板蒸發(fā)器和模擬電池外部包覆有隔熱保溫棉和鋁箔紙。

本研究提出并設計制作的管板結構脈動熱管如圖2所示。熱管裝置由銅制彎管和帶有通孔的矩形銅板通過焊接連接制作而成，銅管的內、外徑分別為2.5mm和3.5mm。脈動熱管在蒸發(fā)段和冷凝段末端分別設置有U形彎管連接到矩形板內部的圓形通道，使熱管整體形成一個封閉環(huán)路。脈動熱管蒸發(fā)段和冷凝段的長度分別為84mm和165mm，平板蒸發(fā)器尺寸與某種商用磷酸鐵鋰電池電芯尺寸相當（長、寬和厚度分別為118mm、63mm 和13mm）。實驗中，鋰電池模塊的發(fā)熱由矩形電加熱板模擬實現(xiàn)（電池標準電壓3.2V，最大充放電電流分別為4C和5C），而脈動熱管平板蒸發(fā)器則置于兩加熱板之間。同時，為了更好地匹配銅管的直徑尺寸并易于焊接，平板蒸發(fā)器的圓形通道制作有臺階孔。本研究中脈動熱管的充液率為30%～50%，而乙醇-水混合溶液的體積比則介于(4∶1)～(1∶3)之間。實驗過程中，脈動熱管被豎直放置進行實驗研究。

1.2 數(shù)據(jù)處理

總熱阻是用來衡量脈動熱管傳熱性能的重要參數(shù)之一，定義見式(1)。

式中，Te為蒸發(fā)段的壁面平均溫度；Tc為冷凝段的壁面平均溫度；Q為蒸發(fā)段部位的加熱功率。

由圖1，脈動熱管蒸發(fā)段和冷凝段的壁面平均溫度可以用式(2)、式(3)分別表示。

式中，Ti（i=1,2,???,8）為脈動熱管各個熱電偶測點獲得的壁溫。

蒸發(fā)段部位的加熱功率可用式(4)表示。

式中，U為輸入電壓；I為對應的輸入電流。

根據(jù)式(1)～式(4)并結合誤差傳遞原理，Q和R的相對誤差可用式(5)、式(6)分別表示。

圖1 實驗裝置系統(tǒng)示意圖與脈動熱管照片

圖2 管板結構脈動熱管和平板蒸發(fā)器

因為熱管蒸發(fā)段通過保溫棉包裹之后具有良好的隔熱性能，通過周圍環(huán)境的最大相對熱損失低于3.5%。另外考慮熱電偶、功率計和數(shù)據(jù)采集器的精度，如果冷凝段和蒸發(fā)段的最小溫差假定為5℃，根據(jù)參考文獻[22]中的方法，熱阻的最大不確定度是4.8%。

2 結果與討論

2.1 乙醇-水混合工質對脈動熱管傳熱性能的影響

圖3給出了水和乙醇工質以及兩者混合物（若干典型混合比）在30%充液率下脈動熱管冷、熱段壁溫隨加熱功率的變化情況。以純水為工質的脈動熱管在0～56W 輸入功率范圍內未能實現(xiàn)啟動［圖3(a)］，這主要由其沸點較高、加熱功率較低導致蒸發(fā)段難以發(fā)生氣泡核化引起，因而無法在熱管內激發(fā)工質振蕩運動。繼續(xù)提高加熱功率直至振蕩開始的過程中會引起蒸發(fā)段溫度的進一步升高，但加熱功率≥24W 后其溫度就超過了50℃，已高于電池使用的安全溫度。因此，本研究以水為工質的脈動熱管不適用于電池散熱冷卻。而充注純乙醇時，脈動熱管可以在較高輸入功率（≥24W）下正常啟動和運行，且蒸發(fā)段溫度較低［圖3(g)］。同時還可以看出，相同加熱功率下熱管的溫度振蕩集中在冷凝段部位，而蒸發(fā)段的溫度變化則比較平穩(wěn)，這主要由蒸發(fā)段平板熱容量顯著高于冷凝段銅管引起。同時可以看出，在乙醇-水混合比低于1∶1的情況下［圖3(a)～(c)］，蒸發(fā)段溫度隨著混合液中乙醇含量的增大而減?。欢敾旌媳雀哂?∶1時，蒸發(fā)段溫度則隨著混合液中乙醇含量的增加而增加［圖3(e)～(g)］。因此存在降低蒸發(fā)段溫度、提高熱管傳熱性能的最佳混合比，通過比較圖3中幾個混合比的溫度數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)30%充液率下該值應介于1∶1和2∶1之間。

表1為水和乙醇在標準大氣壓下各自的熱物性參數(shù)，通過對比可以發(fā)現(xiàn)水的比熱容和汽化潛熱分別約為乙醇的1.7倍和2.6倍，水攜帶能量的能力顯著高于乙醇，而且水的動力黏度更低，具有較小的流動阻力，因此表面上水較乙醇更合適用于脈動熱管。然而，乙醇的沸點比水低，(dp/dT)sat值也較水大，故乙醇為工質時熱管更易啟動，熱管振蕩更為劇烈。實際上，乙醇-水混合物的熱物性大都介于組成混合液的乙醇和水之間，如(dp/dT)sat、比熱容、潛熱、表面張力等，而黏度則是唯一的例外。由于這兩種組分分子間的氫鍵作用[27]，混合液黏度將大于任一單組分。實際上，氫鍵強度隨著乙醇濃度或混合比的增加而穩(wěn)步提高，對上述熱物性的變化起著至關重要的作用。因此，水和乙醇在熱物性方面具有一定的互補性，由此可以解釋兩者混合液能夠較純工質使脈動熱管更具好的傳熱性能的原因。然而，混合液中分子間的相互作用相當復雜，并決定了不同混合比下的性能差異，這已超出本文的探討范疇。

圖3 充液率為30%時脈動熱管在不同加熱功率下的溫度變化

圖4 給出了30%充液率下不同混合比的乙醇-水混合溶液對脈動熱管熱阻的影響。在Q=8W 和16W 的較低輸入功率下，脈動熱管內部并未形成穩(wěn)定的振蕩，氣液塞在整個系統(tǒng)中的初始隨機分布很大程度上影響了熱管的最初傳熱性能，因此出現(xiàn)了混合比4∶1工況時熱阻比3∶1時低的現(xiàn)象。隨著加熱功率的增大，工質振蕩運動增強，原來的氣液塞不均勻分布被打破，脈動熱管的運行更為穩(wěn)定，此時混合比對熱阻變化規(guī)律的影響增強。當輸入功率大于24W時，熱阻會隨著乙醇-水混合溶液混合比的減小而減小。在輸入功率為56W 時，充入混合比為1∶1的乙醇-水混合溶液的脈動熱管熱阻最低，為0.193℃/W。由此也可以看出在混合溶液中過度增加乙醇組分的量會降低脈動熱管的傳熱性能。

表1 標準大氣壓下工質的熱物性

圖4 充液率為30%時脈動熱管在不同加熱功率下的熱阻變化

圖5為30%充液率、40W加熱功率下使用不同混合比乙醇-水混合溶液的脈動熱管溫度隨時間的變化情況。當混合比分別為1∶3、1∶2、1∶1.5、1∶1、2∶1、3∶1 和4∶1 時，蒸發(fā)段平均溫度分別為54℃、52.5℃、48.7℃、42.5℃、40.6℃、47.3℃和49.9℃。由此可以發(fā)現(xiàn)，該加熱功率下乙醇-水混合液存在最佳混合比2∶1，此時蒸發(fā)段平均溫度最低（40.6℃），當混合比高于或低于該值時，蒸發(fā)段溫度均隨混合比偏離程度的增加而提高，且水相體積分數(shù)較大時增加更為明顯，蒸發(fā)段溫度顯著提高。當乙醇-水混合比為1∶2時蒸發(fā)段溫度已明顯超過50℃，這與前述階梯狀功率輸入的情況類似，即該充液率下混合液中水含量的增加將導致熱管性能的下降。對于其他加熱功率的比較研究發(fā)現(xiàn)，乙醇-水溶液最佳混合比一般介于1∶1和2∶1之間。當脈動熱管的充液率為40%和50%時，具有類似結果，40W 加熱功率下當混合比為1∶1時蒸發(fā)段的平均溫度最低，分別為43.3℃和46.8℃，這與文獻[25]中使用乙醇-水混合工質時的結果一致。對于乙醇-水混合溶液，當混合濃度比較大或較小（偏離1∶1）時，脈動熱管的啟動溫度/功率都相應增大，表明熱管啟動運行相對困難，在所給的加熱功率范圍內，熱管內工質運動存在反復“振蕩-停滯”的現(xiàn)象，從而使冷凝段產生較大幅度的溫度波動。但在混合比為1∶1 左右時，該種波動則相對較小。隨著加熱功率的進一步增大，熱管的運行將更加穩(wěn)定，溫度波動也會顯著減小。雖然冷凝段溫度波動較大，但蒸發(fā)段的溫度波動卻很小，這對于應用在電池溫控領域是非常有利的。

2.2 乙醇-水混合工質對脈動熱管啟動和電池表面溫度的影響

表2列出了乙醇體積分數(shù)較大時不同充液率和混合比下脈動熱管蒸發(fā)段的最小啟動功率和相應的啟動溫度。顯然，啟動溫度隨著充液率的增加而升高。例如，對于混合比2∶1的乙醇-水混合液，充液率為30%、40% 和50% 時啟動溫度分別為35.1℃、41.3℃和47.2℃。除充液率外，溶液混合比對啟動溫度也有明顯影響。例如，在30%充液率下，當混合比分別為1∶1、2∶1、3∶1 和4∶1時，啟動溫度分別為34.8℃、35.1℃、36.9℃和40.8℃。而當充液率為40%和50%時，最小啟動功率同樣出現(xiàn)在混合比為1∶1 之時，此時脈動熱管分別在16W 和24W 的加熱功率下即能實現(xiàn)啟動。因此，除充液率外，選用合適的乙醇-水混合比對有效降低電池的啟動溫度同樣至關重要。

圖6 為30%充液率下使用不同混合比乙醇-水混合溶液（乙醇體積分數(shù)較大）的模擬電池表面平均溫度隨時間的變化情況。圖中的溫度變化曲線表示模擬電池的加熱平板表面溫度的平均值（對應圖1中的T9～T12）。從中可以看出，針對較高輸入功率時的電池溫度，存在最佳的乙醇-水混合比，可使得電池溫度最低。通過比較可以發(fā)現(xiàn)，2∶1 即為此時的最佳混合比，48W 輸入功率時電池的平均溫度可以低至44℃。表3列出了輸入功率較高情況下電池最低平均溫度及相應的乙醇-水混合比。除了30%以外，從中可以看出40%和50%充液率下的最佳混合比均為1∶1，48W 輸入功率時對應的電池溫度分別為47.0℃和49.2℃。

除了電池的平均溫度，電池表面的溫度均溫性也非常重要。圖7比較了不同充液率下電池的均溫性特征，發(fā)現(xiàn)電池表面溫差均低于2.5℃。特別是，30%充液率下電池表面溫差的平均值甚至可低至接近1.5℃，能夠很好地滿足冷卻溫控要求。

2.3 乙醇-水混合工質強化脈動熱管傳熱分析

圖5 充液率為30%、加熱功率為40W時脈動熱管在不同混合比下的溫度變化

表2 不同充液率和混合比下脈動熱管啟動功率和相應的蒸發(fā)段啟動溫度

圖6 乙醇-水混合液在不同混合比下的蒸發(fā)段溫度變化（30%充液率）

表3 不同充液率和較高加熱功率下電池最低平均溫度及對應的乙醇-水體積混合比

圖7 模擬電池表面的溫度不均勻性（中間的小框代表平均值）

乙醇-水非共沸混合工質的主要特點之一是在某壓力下泡點溫度和露點溫度不同，存在汽液兩相區(qū)。當溫度升高到泡點溫度之上時發(fā)生相變，乙醇蒸氣摩爾分數(shù)通常大于相應的液相摩爾分數(shù)，這主要是因為其沸點較水低。由此解釋了混合工質和純工質的熱力性質差異，即乙醇-水非共沸混合物發(fā)生相變過程中，在較大的飽和溫度范圍內存在一定的汽相和液相之間的濃度變化區(qū)間。同時，所有混合物的飽和壓力都介于乙醇和水的飽和壓力之間，在相同溫度下遠高于純水，因此對其相變產生抑制作用[23]。由于乙醇和水的沸點不同，沸點較低的乙醇會率先從受熱的混合液中蒸發(fā)逸出，并大量進入汽相內。因此，脈動熱管中的汽塞所具有的乙醇氣體特征使其擁有相對較高的飽和壓力，由此可抑制混合液中水相的蒸發(fā)，使其大部分滯留于液相中。

此外，乙醇-水混合物的汽相和液相濃度差異以及產生的流動特征也是提高脈動熱管傳熱性能的重要原因之一。對于使用單組分工質的熱管，熱毛細作用（Marangoni 效應）通常會阻礙冷凝液從熱管冷凝段回流到蒸發(fā)段[28]，并制約其傳熱能力的提高，然而該現(xiàn)象卻會因非共沸混合物的濃度或溫度差異而被削弱。圖8比較了單組分與雙組分液塞汽液界面附近流體在親水通道內加熱過程的熱質傳遞行為，單組分流體（純工質）中絕大部分的液體表面張力隨溫度增加而逐漸減小，由此產生的溫度梯度及引起的熱毛細作用可驅使液體從高溫端（位置B）流向低溫端（位置A）［圖8(a)］。與單組分工質相比，具有非共沸特征的乙醇-水混合液的沸騰傳熱機理具有明顯差異。在汽液界面處［圖8(b)］，由于濃度梯度而產生的Marangoni 流在傳熱中具有重要作用，甚至可超過溫度梯度引起的Marangoni流[29-30]。對于乙醇-水混合液，溫度較高的位置B處乙醇較位置A處更易揮發(fā)逸出，使兩個不同位置之間形成乙醇組分的濃度梯度，并驅動溶液由位置A流向位置B，即溶液向更高溫處流動，從而增加三相線處蒸發(fā)薄液膜區(qū)域的面積，由此抑制“燒干”的發(fā)生并強化脈動熱管傳熱。這也是脈動熱管在較低充液率（30%）下未出現(xiàn)“燒干”且傳熱性能表現(xiàn)更為優(yōu)異的重要原因，同時也對脈動熱管電池冷卻選擇乙醇-水混合工質提供了重要參考。

圖8 脈動熱管蒸發(fā)段部位熱質傳遞過程

3 結論

本文提出并制作了一種面向電動汽車動力電池散熱的管板結構脈動熱管，采用乙醇和水及兩者不同體積比的混合溶液為工質，在30%～50%充液率下對脈動熱管的傳熱溫控性能進行了對比實驗研究，并對乙醇-水混合工質強化脈動熱管傳熱的機理進行了分析，主要得到以下結論。

（1）與乙醇和水相比，使用乙醇-水混合工質時脈動熱管表現(xiàn)出更好的啟動和傳熱溫控性能。充液率分別為30%、40%和50%且乙醇-水體積混合比為1∶1 時，脈動熱管的最小啟動功率分別為16W、16W和24W，對應的蒸發(fā)段啟動溫度分別為34.8℃、37.1℃和44.5℃，表明其在電池充放電溫升過程中能夠實現(xiàn)有效啟動并正常運行。

（2）乙醇-水混合液濃度比介于1∶1 和2∶1之間時脈動熱管一般具有最低的蒸發(fā)段平均溫度，當混合比高于或低于該范圍時，蒸發(fā)段溫度均隨著混合比偏離程度的增加而提高，且水相體積分數(shù)較大時增加更為明顯，蒸發(fā)段溫度顯著提高。脈動熱管在30%充液率下，當乙醇-水混合比為2∶1 和48W 輸入功率時電池的平均溫度可以低至約44℃。該充液率下電池表面均溫性較好，平均溫差可低至接近1.5℃，能夠很好地滿足電池的溫控要求。

（3）使用乙醇-水混合溶液情況下，兩者在在熱物性參數(shù)上的互補性以及熱管內部混合液濃度梯度引起的逆Marangoni 流是提升脈動熱管傳熱溫控性能的主要原因，使其在動力電池散熱領域具有很好的應用前景。