基于工質(zhì)相變熱虹吸效應(yīng)的動力電池雙向熱管理系統(tǒng)優(yōu)化

基于工質(zhì)相變熱虹吸效應(yīng)的動力電池雙向熱管理系統(tǒng)優(yōu)化

電池管理系統(tǒng)電動汽車由于其高效、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，迅速發(fā)展。目前，已經(jīng)在電動汽車上使用的散熱方式有風(fēng)冷為滿足電動汽車電池組的熱管理需求，本文提出一種集電池組加熱和散熱于一體的熱管理系統(tǒng)，系統(tǒng)依靠工質(zhì)相變后的熱虹吸效應(yīng)作為循環(huán)的推動力，選用R141b作為循環(huán)工質(zhì)，常壓沸點(diǎn)為32.1℃，符合電池最佳工作溫度范圍，且非可燃，化學(xué)穩(wěn)定性好，其對臭氧層的破壞為R11的1/10，為全鹵代氟氯碳化合物的一種理想替代物1試驗部分1.1采集系統(tǒng)不確定度試驗所用的鋰電池參數(shù)見表1。試驗系統(tǒng)包括：(1)精度為±0.1℃的DC-3006高低溫恒溫槽（電池箱）；(2)采集溫度和電壓的Agilent34970A數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，不確定度為0.1%;(3)KANOMAX6004熱線風(fēng)速儀，量程為0.1～20.0m/s，精度為±（5%+0.1m/s);(4)TPR-6420D直流穩(wěn)壓電源；(5)TDGC2接觸調(diào)壓器；(6)不確定度為0.2%的T型熱電偶，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集器采集之后，綜合不確定度為0.4℃；(7)量程0～4MPa的壓力傳感器，不確定度0.2%，綜合不確定度為0.3%;(8)流量為6.5L/min的循環(huán)水泵；(9)風(fēng)機(jī)。1.2電池生產(chǎn)鋰電池放電過程會產(chǎn)生大量的熱1.3系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)流動圖1為熱管理系統(tǒng)試驗結(jié)構(gòu)圖。其中，所設(shè)計的熱管理系統(tǒng)由加熱棒1，氣泡泵2，冷凝器7，單向閥8、9、10和換熱板13、15組成，管路采用銅管，閥門處通過螺紋連接，其余部分均采用焊接連接。熱管理系統(tǒng)內(nèi)充注的制冷劑吸熱氣化，由于密度差作用形成熱虹吸效應(yīng)，導(dǎo)致制冷劑在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)流動。具體工作流程為：加熱工況，閥9打開，閥8和閥10關(guān)閉，散熱工況則反之，兩種工況系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)流向如圖所示。加熱工況，氣泡泵2中的液態(tài)工質(zhì)吸熱氣化，產(chǎn)生高溫氣液混合物，沿管路進(jìn)入前換熱板13與后換熱板15換熱，電池箱18的溫度升高。散熱工況下，電池產(chǎn)熱溫度升高，前換熱板13中的液態(tài)工質(zhì)吸熱，產(chǎn)生高溫氣液混合物經(jīng)提升管提升，進(jìn)入冷凝器7，冷凝后回流至氣泡泵2，完成循環(huán)。1.4工質(zhì)及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)電池箱換熱量由水的熱容量等量衡算，由電池箱的溫度變化計算出系統(tǒng)的換熱功率式中，P為系統(tǒng)換熱功率，W;Q為總換熱量，即電池產(chǎn)熱量，J；τ為試驗時間，s;C為水的比熱容，J/(kg·℃)；m為保證系統(tǒng)的換熱效果，工質(zhì)至少要充滿換熱板的下排管路，此時系統(tǒng)內(nèi)液態(tài)工質(zhì)起到一個液封作用，系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的氣液兩相混合物只能沿著加熱或散熱工況的固定路徑流動。最低充注量為：式中，v2試驗結(jié)果和分析2.1未達(dá)到最低充注量時的性能環(huán)境溫度為25～27℃。設(shè)定電池箱初始溫度分別為0℃和26℃，加熱棒功率為54W。熱管理系統(tǒng)開始加熱即開啟循環(huán)水泵，3600s結(jié)束試驗。系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)最小充注量96.4g。試驗時，以充注量100g為基礎(chǔ)，充注量每次增加20g進(jìn)行試驗。為探究該系統(tǒng)未達(dá)到最低充注量時的換熱效果，在充注量為60g時進(jìn)行一組對比試驗。系統(tǒng)充注量每增加20g，換熱板內(nèi)液態(tài)工質(zhì)高度增加13mm，如式（3）所示:式中，r2.1.1充注量對系統(tǒng)傳熱系統(tǒng)的穩(wěn)定效果圖2為電池箱在不同初始溫度下系統(tǒng)換熱功率隨工質(zhì)充注量變化曲線。由圖可知，充注量小于100g時，系統(tǒng)換熱功率隨充注量的增加而增大；充注量大于100g時，隨充注量增加，系統(tǒng)換熱功率較為穩(wěn)定。原因是該系統(tǒng)的換熱須依靠工質(zhì)相變產(chǎn)生的熱虹吸效應(yīng)，未達(dá)到最低充注量時，液態(tài)制冷劑未能充滿最下排管，無法起到液封作用，氣液兩相混合物中無法固定流動方向，難以形成有利于熱量轉(zhuǎn)移的熱虹吸效應(yīng)；反之，系統(tǒng)將具有穩(wěn)定的熱量轉(zhuǎn)移能力。圖3為充注量60g時前換熱板的溫度壓力變化，圖3(a)為四根豎管的溫度變化，圖3(b)為工質(zhì)進(jìn)口處的壓力變化。由圖3(a)可知，初始階段4根豎管的升溫趨勢基本一致，但由于充注量不足，快速升溫后，液態(tài)工質(zhì)對4根管的補(bǔ)充量不一致，各管產(chǎn)生的熱虹吸效應(yīng)也不穩(wěn)定，致使距離回液管越遠(yuǎn)，升溫效果越差，豎管4的溫度始終較低，豎管3在2110s之后溫度急劇下降。由于整個過程加熱棒功率一定，在固定空間內(nèi)持續(xù)加熱，必然導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)的溫度壓力仍將不斷升高，圖3(b)中壓力變化也表明了該趨勢。2.1.2充注量對系統(tǒng)換熱功率的影響加熱工況下，電池箱初始溫度設(shè)定26℃，隨著系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)充注量增加，前換熱板四根豎管溫度變化曲線見圖4。四根豎管溫度變化趨勢均是先迅速升高后緩慢上升。在圖4(a)中，前三根豎管的溫度較為一致,三根管的最大溫差約為3℃，第四根豎管的溫度偏低；圖4(b)中，四根豎管的溫度較為一致，最大溫差小于3℃。原因是固定加熱棒功率下，工質(zhì)吸熱產(chǎn)生的氣液兩相混合物的量是一定的。充注量每增加20g，換熱板兩相區(qū)面積相比100g充注量時縮減6.5%。在充注量為100～160g時，吸熱產(chǎn)生的工質(zhì)氣液兩相混合物在前三根管內(nèi)及時冷凝，少量進(jìn)入豎管4；當(dāng)系統(tǒng)充注量達(dá)到180g時，系統(tǒng)兩相區(qū)面積已減小26%，此時需更大的換熱面積才能使產(chǎn)生的氣液兩相混合物冷凝，故充注量為180～220g時，四根管的溫度一致性較好。加熱工況下，由圖2已知充注量相同，電池箱在0℃時系統(tǒng)的換熱功率更高。當(dāng)工質(zhì)充注量為220g時，不同電池箱初始溫度下電池箱溫度和工質(zhì)進(jìn)出口溫度隨時間的變化見圖5。電池箱初始溫度0℃和26℃時，對應(yīng)的工質(zhì)進(jìn)出口溫度差分別為7℃和12℃左右。原因是電池箱初始溫度越低，前后換熱板間的換熱溫差就越大，熱量轉(zhuǎn)移越容易，電池箱能及時吸收前換熱板的熱量，系統(tǒng)工質(zhì)的循環(huán)流動能及時得到補(bǔ)充，相應(yīng)的工質(zhì)進(jìn)出口的溫差較小。而電池箱溫度較高時，系統(tǒng)需要更高的溫度才能實(shí)現(xiàn)電池箱的加熱，工質(zhì)進(jìn)出口溫度較高。隨著加熱時間增加，工質(zhì)側(cè)溫度不斷升高，但是其溫升速度低于電池箱的溫升速度，前后換熱板溫差逐漸減小，加熱效果變差?？傊?，必須有一個最低充注量，以保證該系統(tǒng)的換熱效果。之后隨著充注量增加，換熱功率變化很小，但換熱板的溫度一致性會受影響?？紤]實(shí)際僅在低溫環(huán)境下加熱，換熱板的溫度一致性較差。2.2循環(huán)水泵加熱試驗散熱工況下，設(shè)定電池箱溫度分別為40、50、60、70℃，試驗開始即開啟循環(huán)水泵，電池箱加熱至設(shè)定溫度后停止加熱，再經(jīng)過1800s結(jié)束試驗。2.2.1充注量對系統(tǒng)運(yùn)行特性的影響圖6為兩種工況下，不同電池箱初始溫度時系統(tǒng)換熱功率隨工質(zhì)充注量變化曲線。圖6(a)為強(qiáng)制換熱，圖6(b)為自然換熱。對比可知，相同電池箱初始溫度和充注量，系統(tǒng)在強(qiáng)制散熱工況下的散熱功率更高。即強(qiáng)制散熱強(qiáng)化了冷凝器的換熱，冷凝后的液態(tài)工質(zhì)在重力作用下回流至系統(tǒng)最下部管路，在補(bǔ)充系統(tǒng)內(nèi)液態(tài)工質(zhì)的同時，會產(chǎn)生部分虹吸力，加快工質(zhì)循環(huán)，致使強(qiáng)制換熱功率更高。強(qiáng)制散熱工況，電池箱初始溫度越高，系統(tǒng)換熱功率隨充注量的增加越大。這是因為系統(tǒng)在建立散熱循環(huán)的過程中，需要足量的氣液兩相混合物以克服管程阻力，電池箱初始溫度為40℃時，系統(tǒng)產(chǎn)生的氣液兩相混合物量不足，提升力較小，而在電池箱初始溫度為50、60和70℃時，電池側(cè)產(chǎn)熱較多，促使系統(tǒng)產(chǎn)生的氣液兩相混合物增多，增大了系統(tǒng)的提升力。同時隨著充注量增加，換熱管內(nèi)的工質(zhì)液面升高，提升的高度降低，阻力減小，所以電池箱初始溫度越高，系統(tǒng)換熱功率隨充注量的增加越大。2.2.2熱工況下充注量的影響為保證電池使用安全，電池組單體間的最大溫差應(yīng)在10℃以內(nèi)電池的溫度受換熱板的溫度影響較大，強(qiáng)制散熱工況，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，取前換熱板四根管中最高溫度和最低溫度的差值，不同電池箱初始溫度、不同充注量，四根豎管的最大溫差見表3。分析可知，同一充注量，隨著電池箱初始溫度升高，四根豎管的最大溫差逐漸增大。相同電池箱初始溫度，隨著充注量增加，四根豎管的最大溫差也逐漸增大，最大值超過5℃，一致性較差。3原系統(tǒng)運(yùn)行分析研究表明，相同工質(zhì)充注量，換熱管高度越高，系統(tǒng)建立循環(huán)所需的提升力越大強(qiáng)制散熱工況下，兩種換熱板系統(tǒng)的換熱功率隨工質(zhì)充注量的變化如圖8所示。相比原來的熱管理系統(tǒng)，優(yōu)化后的系統(tǒng)在不同溫度、不同充注量下，對應(yīng)的功率變化率如表4所示，正值表示相比原系統(tǒng)功率增加的百分比，負(fù)值表示相比原系統(tǒng)功率降低的百分比。分析圖8和表4可知，相同充注量下，圓管換熱板系統(tǒng)的換熱功率在電池溫度較低時有明顯增長，最高可達(dá)50.9%，在電池溫度較高時稍微降低；而矩形管換熱板系統(tǒng)的換熱功率僅個別溫度點(diǎn)有增長，大部分溫度下均降低，即前換熱板采用矩形管時，對換熱不利。優(yōu)化后的圓管換熱板系統(tǒng)，不同工質(zhì)充注量、不同溫度下，前換熱板四根豎管的最大溫差見表5。對比表3可以發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的熱管理系統(tǒng)換熱板的溫度一致性明顯優(yōu)于原系統(tǒng)。圖9為加熱工況，電池箱初始溫度為25℃，工質(zhì)充注量為80～220g時，圓管換熱板系統(tǒng)前換熱板四根豎管溫度隨加熱時間的變化曲線。其中，豎管1、2、3溫度基本相同，豎管4溫度略低，四根豎管的最大溫差小于1.5℃，溫度一致性有較大提升。針對圓管換熱板系統(tǒng)，在工質(zhì)充注量220g，電池初始溫度為25℃時，按照恒定倍率放電，熱管理系統(tǒng)散熱循環(huán)同時啟動，結(jié)果如表6所示。相比原系統(tǒng)，優(yōu)化后的熱管理系統(tǒng)能夠更好地降低電池溫度。4電池箱初始溫度充注量對系統(tǒng)換熱板溫度一致性的影響(1）加熱工況下，熱管理系統(tǒng)未達(dá)到最低充注量時，系統(tǒng)換熱功率隨充注量的增加而增加。達(dá)到最低充注量后，隨著充注量的增加，功率變化很小。考慮實(shí)際使用的低溫環(huán)境條件，僅增加充注量無法保證換熱板的溫度一致性，不利于實(shí)現(xiàn)電池箱的溫度均勻性。(2）散熱工況下，強(qiáng)制換熱功率高于自然散熱，系統(tǒng)換熱功率隨電池箱初始溫度升高而逐漸增大，隨工質(zhì)充注量的增加而增大；相同充注量，隨著電池