鲁进利, 周帅杰, 韩亚芳, 等丨含GNs甲醇-水二元工质热虹吸管的动力电池散热特性研究

文摘 2024-05-24 18:16 北京

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含GNs甲醇-水二元工质热虹吸管的动力电池散热特性研究

鲁进利 ¹周帅杰 ¹韩亚芳 ¹孙彦红 ¹ 黄茹 ²

1. 安徽工业大学建筑工程学院，安徽马鞍山 243032
2. 奇瑞汽车股份有限公司，安徽芜湖 241000

DOI：10.12034/j.issn.1009-606X.223231

摘要动力电池工作温度过高和温差过大都会导致其性能快速衰退，有效的热管理系统应将电池最高温度和电池模块表面温差控制在允许范围内。基于石墨烯纳米颗粒的甲醇-水二元混合工质热虹吸管的传热特性研究结果，选用充液率50%、石墨烯含量0.02wt%的甲醇-水二元工质热虹吸管为换热器件，搭建电池热管理实验测试装置，研究了模拟电池在1, 1.5, 2 C三种放电倍率下的散热性能，与自然对流和强制风冷散热进行对比。结果表明，热管散热方式三种放电倍率对应的电池最高温度分别为28.89, 32.12及35.76℃；热管散热方式平均升温速率最低，在2 C放电倍率时仅为0.525℃/min；2 C放电倍率下热管散热系统相比风冷散热方式温度下降了22.48%，相比自然对流温度下降了49.13%；三种放电倍率下热管散热系统的散热效率最高，且均超过了70%。研究结果可为热管散热系统应用于电池热管理系统提供理论依据和数据支撑。

关键词热虹吸管；二元工质；石墨烯；电池热管理系统

1 前言

“双碳”目标背景下发展新能源汽车产业是推动绿色发展、保障能源安全的战略选择。随着动力电池规模化，安全高效的电池热管理系统(Battery Thermal Management System, BTMS)对新能源汽车的安全性和稳定性起着至关重要的作用^[1]。热管具有传热系数高、结构简单等优势，已成为新能源汽车领域的研究热点，为提高热管换热效率，研究人员对热管强化传热开展了相关研究^[2]。对于单工质的热管，Durag等^[3]发现随着热流密度提升，甲醇工质热管的蒸发段温度波动剧烈，而纯水和乙醇工质热管的蒸发段温度上升平缓，换热性能更佳。Chen等^[4]对纯水、乙醇和丙酮为工质的超长热管进行实验研究发现，以纯水为工质的热管更适合较高的热负荷。朱悦等^[5]研究发现利用混合工质的相变温度滑移和浓度滑移特性可以显著提升热管的传热性能。Sözen等^[6]实验发现热负荷为200 W时，杂醇基热虹吸管最大温差小于纯水工质热管，且整体热阻更小，平均热性能可提升17.64%。Cui等^[7]研究表明甲醇中加入一定比例的纯水可以有效改善热管在高热流密度时的干涸问题。Malla等^[8]通过在纯水中添加乙醇同样证实二元工质能够有效缓解蒸发段干涸问题。随着研究进一步深入，将具有高热导率纳米材料加入工作流体已成为热管强化传热研究的焦点^[9]，其中碳纳米管(Carbon Nanotubes, CNTs)、石墨烯(Graphene Nanoparticles, GNs)和多壁碳纳米管(Multi-walled Carbon Nanotubes, MWCNTs)等材料导热系数高于金属及其氧化物，并且比表面积大、抗腐蚀能力强^[10]，是热虹吸管工作流体添加物的首选材料。

Shanbedi等^[11]通过实验研究了不同浓度(0.2wt%, 0.5wt%, 1.0wt%)的MWCNTs-水纳米流体在热管内的传热特性，发现蒸发段温度随纳米颗粒浓度的增加而降低。Sadeghinezhad等^[12]通过研究不同浓度GNs纳米流体热管的热阻变化，发现GNs浓度为5vol%时热管热阻降低了48.4%。Nazari等^[13]实验研究了含氧化石墨烯(Graphene Oxide, GO)热管的传热性能，发现随着GO质量浓度增加，工作流体的黏度随之增大，热管的热性能下降。徐严严^[14]制备了含GNs的乙醇-水二元工质热管，发现纳米流体剪切应力随剪切速率增大而增大，且黏度基本不变。Nazari等^[15]发现含纳米颗粒的热虹吸管存在一个最佳浓度。

当电池在充放电过程中工作温度超过最佳温度范围(15~35℃)，电池的正常运行将受到影响^[16-18]。目前关于新能源汽车的BTMS的研究，主要围绕传热介质^[19][空气、液体、相变材料(Phase Change Materials, PCM)、热管]，功能^[20](冷却和加热)和能量消耗^[21](主动和被动)等几个方面。基于空气冷却的BTMS结构简单，易于维护，成本相对较低^[22,23]。但空气的比热容和热导率低，与空气冷却相比，液冷拥有更高的传热系数和空间紧凑性^[24,25]。然而，直接接触增加了冷却剂和电池的维护成本，妨碍了该冷却方法的实际应用。基于PCM的BTMS具有耗能低、储能密度大等优势^[26]，但PCM热导率较低，且当其全部融化后，冷却性能显著下降。基于热管换热器的BTMS近年来在新能源汽车领域颇受关注。Ye等^[27]发现基于风冷、液冷和PCM的BTMS在电池快速散热方面都存在一定困难，但基于热管散热的BTMS在较大充电倍率下电池温度仍可以维持在合理范围。Putra等^[28]实验研究了乙醇、丙酮以及水等工质对BTMS的影响，发现丙酮热管的热管理效果最佳，能够在1.61 W/cm²的高热流密度下将温度控制在50℃以内。Burban等^[29]研究了不同工质在不同热功率下对BTMS性能的影响，发现在较低热功率下丙酮及正戊烷热管的BTMS散热性能较好，在高热功率下水与甲醇热管的BTMS散热性能较好。

综上可知，利用二元工质的物性兼容特性可改善热管的换热性能，在此基础上引入纳米颗粒，可进一步强化传热，改善BTMS的性能，但相关实验研究还需要进一步深入。基于此，本工作在甲醇-水二元工质热管的研究基础上引入GNs，搭建实验测试系统，实验测试含GNs的甲醇-水二元工质热管应用于动力电池的散热特性，研究结果可为电池热管理发展提供数据支撑。

2 热管散热性能测试系统

图1(a)为集成了含GNs的甲醇-水二元工质热虹吸管传热特性实验测试系统和动力电池散热性能测试系统示意图，热管散热系统主要包括热虹吸管、加热/冷却系统、充液系统和数据采集系统等。

图1 热管散热系统实验原理图Fig.1 Experimental system of heat transfer characteristics of thermosiphon

热虹吸管由内径为8 mm，外径为10 mm，长度为350 mm (蒸发段175 mm、绝热段50 mm、冷凝段125 mm)的T2紫铜管制成。管内工质分别为纯水、甲醇(AR, 99.8%，上海默克有限公司)、甲醇-水二元工质及含GNs的甲醇-水二元工质，充液率(Filling Rate, FR) 20%~60%。蒸发段采用电阻丝加热，通过调节直流稳压电源改变热流密度。冷凝段采用循环水进行散热，通过恒温水浴(RW-3040G，韩国Jeiotech公司)控制进口温度维持在20℃，流量为5.5 L/min。真空充液系统由真空泵(SHZ-DIII，上海越众仪器设备有限公司)、真空表和充液器组成。数据采集系统由热电偶(T型，美国Omega公司)、数据采集仪(34972A，美国安捷伦科技公司)和计算机组成，测温点在热虹吸管壁面的布置如图1(b)所示，沿轴向共设置8个测温点，每个测点沿铜管周向均匀布置3支热电偶，冷却水进、出口各布置1支热电偶。

为研究工质类型对热虹吸管散热特性的影响，同时考虑到二元混合工质的温度滑移和浓度滑移特性，选择纯水和甲醇以5∶95的体积比混合制成甲醇-水二元工质，还研究了不同浓度GNs纳米颗粒的影响，为了确保纳米颗粒能够长时间均匀分散在混合工质内，添加了一定比例的PVP分散剂，同时为了降低纳米颗粒的团聚效应，将GNs-PVP悬浮液在超声波发生器(KH3200B, 昆山禾创超声仪器有限公司)中进行超声振动分散，频率设为30 kHz，超声时间为2 h，振荡结束后，得到分散较为均匀的GNs纳米流体分散液，且实验室数据表明静置2周后的GNs纳米流体仍能保持稳定，未出现明显分层现象。表1为甲醇和纯水在常压和20 kPa压力时的热物性参数，表2为GNs及分散剂规格参数。实验时，先将热管内压力抽至20 kPa，加热功率调节至30 W (5.457 kW/m²)，监测温度数据，当系统达到稳定后，即为完成一个实验工况。

表1 水/甲醇热物性参数Table 1 Thermophysical property parameters of water/methanol

表2 GNs及分散剂参数Table 2 Parameters of GNs and dispersant

3 电池散热系统设计

3.1　模拟电池设计

实验中以矩形磷酸铁锂动力电池单元(210 AH)为研究对象，其主要参数如表3所示。考虑到安全性和便捷性，实验中采用模拟电源替代实际电池。根据电池的几何尺寸，设计加工200 mm×175 mm×55 mm矩形铝壳，假定动力电池发热均匀恒定，在铝壳中均匀布置电热丝，并填充具有良好导热性的氧化镁粉。根据电池在1, 1.5, 2 C放电倍率下的发热量调节加热功率，对应热源发热量Q分别为18.59, 41.82, 74.34 W，放电时间t为3600, 2400, 1800 s。

表3 动力电池参数Table 3 Parameters of power battery

3.2　实验系统与方法

热管电池散热特性实验系统主要由热管散热系统、模拟电池及数据采集系统组成。其中热管散热系统由5根热虹吸管(FR=50%, 0.02wt% GNs甲醇-水二元工质)组成，其蒸发段紧密贴合于两组电池之间，缝隙处填充高导热氧化镁粉，使其能够将动力电池发热量快速传递给热管蒸发段，具体如图1(a)所示。

电池表面采用梅花形布置5支热电偶(Omega T, ±0.1℃)，用来监测电池表面温度。在实验过程中，以2 C放电倍率为例，通过调节加热功率模拟电池放热量74.34 W，采用数据采集仪监测输出的温度数据，确保无异常波动；分别记录自然对流散热(Natural Cooling, NC)、强制对流散热(Forced Cooling, FC)、热管散热(Thermosyphon Cooling, TC)三种模式下电池表面温度变化，持续时间为1800 s。

3.3　数据处理和误差分析

定义散热效率η用于分析各散热方式的效率，表达式如下：

(1)

式中，q和q_b分别为总发热量和模拟电池吸热量(kJ)。

(2)

(3)

式中，三种放电倍率下的总热量分别为66.92, 100.37, 133.81 kJ，模拟电池组质量m=3.16 kg，模拟电池热容C=700 J/(kg·℃)，T_t, T_s分别为模拟电池组最终温度和起始温度(℃)。

实验中直接测量参数为温度、电压及电流。其中，热电偶标定后的精度为±0.1℃，电压测量精度为±0.01 V，电流测量精度为±0.01 A。间接测量参数为温差、热量和散热效率。根据文献[30]的误差计算方法，各参数测量误差如表4所示。

表4 主要参数误差分析Table 4 Error analysis of main parameters

4 实验结果与分析

图2为不同热流密度时GNs含量(0~0.2wt%)对甲醇-水二元工质热虹吸管换热系数的影响。由图可知，含GNs甲醇-水二元工质热管的换热系数随着热流密度升高而增大，但增加幅度越来越小，说明热管的换热能力存在一定极限，再增大热流密度时其换热能力基本不再变化，实际应用中需要结合散热强度设计热管换热器。GNs纳米颗粒会增加比表面积及蒸发段汽化核心数，且纳米颗粒无规则的布朗运动会使壁面气泡加速脱离，增强了工质内部的流动特性，从而提高了热管蒸发段的传热能力；但当GNs含量超过0.02wt%后，热管管壁附着的纳米颗粒层不断增厚，使得表面热阻不断增大，导致传热能力下降；且较高浓度的GNs纳米流体因其团聚和动态黏度高而对蒸发段沸腾换热起到抑制作用^[13,15]，导致传热系数呈下降趋势。此外，GNs浓度为0~0.02wt%，热管换热系数随热流密度升高呈不同变化规律，本工作实验条件下以5.457 kW/m²为临界值，热流密度小于该数值时，换热系数呈持续增加趋势，在GNs浓度为0.02wt%时达到最大；热流密度大于该数值时，换热系数呈先降低后升高的趋势，依然在GNs浓度为0.02wt%时达到最大。主要原因是高热流密度工况下，一方面添加GNs使得热管蒸发段汽化核心急剧增加，管内生成大量气泡，使管内从核态沸腾传热转变为内壁面蒸汽膜导热；另一方面，低GNs浓度二元混合工质中的GNs纳米颗粒大部分被流体携带至热管上部的冷凝段，导致蒸发段内的纳米颗粒含量减少；两方面效果叠加，从而导致热虹吸管蒸发段传热恶化。随着GNs浓度增大，热管传热系数回升，在0.02wt%达到最大，然后逐渐降低^[31]。后续动力电池散热性能测试时，鉴于2 C放电倍率下的工作热流密度仅为2.706 kW/m²，低于5.457 kW/m²，因此后续实验选择GNs含量为0.02wt%的甲醇-水热虹吸管作为BTMS的散热元件。

图2 GNs浓度对热虹吸管传热特性影响Fig.2 Effect of GNs concentration on heat transfer characteristics of thermosiphon

图3(a)~3(c)为三种放电倍率下模拟电池表面平均温度随时间的变化情况，图中同时对比了自然对流和强制对流散热模式。可以发现，自然对流散热模式下因其冷却能力有限，1, 1.5, 2 C放电倍率下放电结束后电池表面温度从20℃分别升高至39.13, 56.14, 70.27℃，均超过了最佳工作温度35℃，尤其在高放电倍率(2 C)模式下，自然对流散热根本无法保证电池安全工作。强制对流散热模式下，空气与电池表面的对流传热系数增大，散热能力增强，能够将较多的热量通过空气带走，电池表面最高温度得到一定控制，1, 1.5, 2 C放电倍率下电池表面温度分别为30.82, 41.30, 46.13℃，相比自然对流散热分别降低了21.24%, 26.43%, 34.38%；由于热管散热器的高效传热能力，能够快速将热量转移，因此含GNs的甲醇-水二元工质热管散热模式下电池表面温度升高幅度最小，与文献[27]结论一致。放电结束后1, 1.5, 2 C放电倍率下电池表面平均温度分别为28.89, 32.12, 35.76℃，满足动力电池最佳工作温度35℃的要求，相比自然对流散热降低了26.17%, 42.79%, 49.13%；根据图3(c)中数据分析可知，在2 C放电倍率下热管散热方式电池表面平均温度较自然对流散热方式下降了49.13%，相较于风冷散热方式电池表面平均温度下降了22.48%。此外还可以发现，对于强制对流和热管散热，在2400 s (1 C), 600 s (1.5 C), 500 s (2 C)时间范围内电池表面平均温度基本相同，主要原因是该时间段为热管启动阶段，随着工作热流密度增加，热管启动时间逐渐缩短，热管开始进入正常工作阶段，从而使得升温曲线变得平缓。

图3 不同放电倍率下电池表面平均温度Fig.3 Average surface temperatures of battery with different discharge rates

图4为三种放电倍率时电池表面平均升温速率的变化情况。结合图3可知，在1 C放电倍率工况时，三种散热方式电池表面平均升温速率相差较小，尤其是热管散热和强制对流散热模式，主要原因是热管启动时间较长，在2400 s后热管散热电池表面升温速率低于强制对流散热模式，而自然对流散热能力有限，其升温速率略高于其他两种散热模式；在1.5和2 C放电倍率工况下，三种散热模式电池表面平均升温速率呈现明显差异，尤其在2 C放电倍率下，由于热管散热器的高效传热能力，电池表面平均升温速率为0.525℃/min，与强制对流散热和自然对流散热相比，分别降低了39.7%和68.7%。总体而言，采用含GNs的甲醇-水二元工质热管散热系统能够有效地控制电池表面的升温速率，在放电时间内可将温度控制在最佳使用温度范围内。但需要注意的是，随着放电倍率增大，升温速率呈增大趋势，即放电倍率继续增大时，热管散热能力有限可能导致电池表面温度升高，此时需要增大热管散热面积，或者选择更优工质，才能进一步提升其传热能力。

图4 不同放电倍率下的电池表面平均升温速率Fig.4 Average temperature rise rates of battery surface with different discharge rates

图5为动力电池在不同放电倍率时的温度均匀性。可以发现三种散热方式下电池表面温差均随放电倍率升高而增大，同一放电倍率下热管散热方式时电池温度均匀性最好，强制对流散热时温度均匀性最差。这主要是由散热不均匀性造成的，虽然电池组外壁面参与对流换热，但内壁无法参与对流换热，导致在2 C放电倍率下温差达11.9℃，远大于电池允许温差5℃的限制。对于本实验设计的含GNs的甲醇-水二元工质热管散热器，由于其内部工质沸腾相变吸收大量热量，同时纳米颗粒进一步强化传热，可快速将电池产热传递至冷凝段，并通过冷却水带走，因此在2 C放电倍率下电池组最大温差仅为6.06℃，接近动力电池最佳允许温差5℃，可满足动力电池正常工作需要。

图5 不同放电倍率下的电池均温性Fig.5 Temperature uniformities of battery surface with different discharge rates

图6为模拟电池在三种放电倍率下的散热效率。对比三种散热模式，可以发现自然对流时散热效率最低，1, 1.5, 2 C放电倍率下的散热效率分别为36.6%, 20.3%, 16.9%，表明自然对流散热能力非常有限，很难保证电池正常工作；对于强制对流散热系统，1, 1.5, 2 C放电倍率下的散热效率分别为64.27%, 53.25%, 56.93%，虽然散热效率可以达到50%以上，但在高放电倍率时其散热能力仍然有限，不能保证电池正常工作，且温度均匀性也较差；含GNs的甲醇-水二元工质热管散热系统，由于热管的高效传热性能，在1 C放电倍率时散热效率为71.4%，在2 C放电倍率时散热效率高达73.9%，均保持较高的散热效率，可以有效地将电池热量传递至冷凝段，并通过冷却水带走，保证电池能够长时间维持在最佳温度范围。

图6 不同放电倍率下的电池散热效率

Fig.6 Battery heat dissipation efficiencies with different discharge rates

5 结论

高效安全的BTMS对新能源汽车的稳定性、安全性以及电池寿命起着至关重要的作用。基于含GNs的甲醇-水二元工质热虹吸管换热性能的研究结果，搭建电池散热性能实验测试装置，讨论了三种放电倍率下热管散热模式对电池最高温度、温度均匀性、升温速率及散热效率的影响，同时还与强制对流散热和自然对流散热两种模式进行对比，得到如下结论：

(1) 充液率50%、含有0.02wt%的GNs的甲醇-水二元工质热管在中高热流密度工况时的传热系数最高，可以作为电池热管理的散热装置。

(2) 热管散热模式在1, 1.5, 2 C放电倍率下的最高温度分别为28.89, 32.12, 35.76℃，且最大温差为6.06℃，升温速率仅为0.525℃/min。

(3) 1, 1.5, 2 C放电倍率下热管散热模式的散热效率均超过了70%，尤其在2 C放电倍率时的散热效率达到73.9%，可有效地将电池热量传递至冷凝段，保证电池能够长时间维持在最佳温度范围。

略

Research on heat dissipation characteristics of power battery with methanol-water binary working medium thermosiphon containing GNs

Jinli LU ¹ Shuaijie ZHOU ¹Yafang HAN ¹Yanhong SUN ¹ Ru HUANG ²

1. School of Civil Engineering and Architecture, Anhui University of Technology, Ma'anshan, Anhui 243032, China
2. Chery Automobile Co., Ltd., Wuhu, Anhui 241000, China

Abstract: High operating temperature and large temperature difference of power battery will cause its performance to decline rapidly. For an effective battery thermal management system (BTMS), the maximum temperature and the surface temperature difference of power battery module should be controlled in the allowable range. With the scale and modularization of power batteries, the thermal safety problem is becoming more and more prominent, and it is urgent to develop more advanced and efficient BTMS. In this work, based on the research results of heat transfer characteristics of methanol-water binary working medium thermosiphon containing graphene nanoparticles (GNs), the experimental test system of battery thermal management was constructed with methanol-water binary working medium thermosiphon with filling rate of 50% and GNs concentration of 0.02wt%. The heat dissipation of power battery pack was researched under three discharge rate conditions of 1, 1.5, and 2 C, and were compared with natural cooling and forced air cooling results. The study results showed that, for methanol-water binary working medium thermosiphon containing GNs cooling system, the maximum battery temperature corresponding to discharge rates of 1, 1.5, and 2 C were 28.89, 32.12, and 35.76℃, respectively. Meanwhile, the average temperature rise rate of power battery pack was the lowest, which was only 0.525℃/min at 2 C discharge rate. In addition, at 2 C discharge rate, the power battery temperature of methanol-water binary working medium thermosiphon containing GNs cooling system decreased by 22.48% and 49.13% compared with forced air-cooling system and natural cooling, respectively. The heat dissipation efficiency of the methanol-water binary working medium thermosiphon containing GNs cooling system was the highest under three kinds of discharge rates, and all of them were more than 70%. The research results can provide theoretical basis and data support for the application of heat pipe cooling system in power battery thermal management system.

Keywords: thermosiphon；binary working medium；graphene；battery thermal management system

引用本文：鲁进利, 周帅杰, 韩亚芳, 等. 含GNs甲醇-水二元工质热虹吸管的动力电池散热特性研究. 过程工程学报, 2024, 24(4): 445-452. (Lu J L, Zhou S J, Han Y F, et al. Research on heat dissipation characteristics of power battery with methanol-water binary working medium thermosiphon containing GNs (in Chinese). Chin. J. Process Eng., 2024, 24(4): 445-452, DOI: 10.12034/j.issn.1009‑606X.223231.)

作者简介：鲁进利，副教授，主要从事相变储能、多相流理论及应用、微尺度流动与传热等方面的研究工作，E-mail: lujinli@ahut.edu.cn；

作者简介：孙彦红，博士，讲师，从事相变动力学数值模拟及应用研究，Email:sunyanhong0623@163.com

基金信息：安徽省自然科学基金资助项目(编号：2008085QE256; 1508085QE95)；国家自然科学基金资助项目(编号：51306002)

中图分类号： TM91

文章编号：1009-606X(2024)04-0445-08

文献标识码： A

收稿日期：2023-08-25

修回日期：2023-10-10

出版日期：2024-04-28

网刊发布日期：2024-05-08

END

http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI0MzM2MjgyOQ==&mid=2247529758&idx=1&sn=53d46050b2077e09e6fc30b19cb5f7b5

过程工程学报

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鲁进利, 周帅杰, 韩亚芳, 等丨含GNs甲醇-水二元工质热虹吸管的动力电池散热特性研究

1 前 言

2 热管散热性能测试系统

3 电池散热系统设计

3.1 模拟电池设计

3.2 实验系统与方法

3.3 数据处理和误差分析

4 实验结果与分析

5 结 论

Research on heat dissipation characteristics of power battery with methanol-water binary working medium thermosiphon containing GNs

1 前言

3.1　模拟电池设计

3.2　实验系统与方法

3.3　数据处理和误差分析

5 结论