纯电动汽车动力电池脉动热管加热技术的试验_陈萌.pdf

2023 年 5 月May 2023第 44 卷第 3 期Vol 44No 3doi:10 3969/j issn 1671 7775 2023 03 005开放科学(资源服务)标识码(OSID):纯电动汽车动力电池脉动热管加热技术的试验陈萌，罗鑫浩(东北林业大学 交通学院，黑龙江 哈尔滨 150040)摘要:为保证动力电池在低温下的使用性能，制备了以蒸馏水、乙醇为基液的纳米二氧化钛(TiO2)流体作为动力电池加热元件脉动热管(pulsating heat pipe，PHP)的工质，并进行了低温环境下动力电池相关加热性能的试验研究 结果表明:乙醇相比于蒸馏水在低温条件下性能更佳，当添加体积分数为 2%的纳米 TiO2流体，热管充液率为 50%时，PHP 加热性能显著提高，可获得最佳低温性能的 PHP;最优工质配比的乙醇 二氧化钛纳米流体脉动热管(TiO2-PHP)在低温环境的充/放电工作模式下，其电池容量最高可达62.91 Ah;在 30 极寒环境下，将所设计热管作为加热元件加热电动汽车动力电池，可实现由原来的无法放电到放出 61.56 Ah 的提升，所设计的 TiO2-PHP 加热、导热有效关键词:动力电池;脉动热管;纳米流体;加热技术;二氧化钛中图分类号:U46972文献标志码:A文章编号:1671 7775(2023)03 0276 07引文格式:陈萌，罗鑫浩 纯电动汽车动力电池脉动热管加热技术的试验J 江苏大学学报(自然科学版)，2023，44(3):276 282收稿日期:2021 09 01基金项目:黑龙江省自然科学基金资助项目(LH2021F002)作者简介:陈萌(1979)，男，黑龙江齐齐哈尔人，副教授(chenmeng623 nefu edu cn)，主要从事新能源汽车动力源研究罗鑫浩(1999)，男，福建南平人，硕士研究生(18960663464126 com)，主要从事动力电池热管理研究Experiment on pulsating heat pipe heating technology forpure electric vehicle power batteriesCHEN Meng，LUO Xinhao(School of Traffic and Transportation，Northeast Forestry University，Harbin，Heilongjiang 150040，China)Abstract:As the working fluid of pulsating heat pipe(PHP)for the power battery heating element，TiO2nanofluid was prepared with distilled water and ethanol as base solution to ensure the operating propertiesof the power battery at low temperature The experimental study on the heating performance of powerbatteries in low temperature environment was carried out The experimental results show that the thermaltransport property with ethanol is better than that with distilled water at low temperature When thevolume fraction of nano TiO2fluid is 2%with heat pipe filling rate of 50%，the thermal property of PHPis significantly improved with the optimum performance of PHP at low temperature For the optimalworking medium ratio of ethanol-based liquid，the maximum cell capacities of titanium dioxide nanofluidpulsating heat pipe(TiO2-PHP)under the charge and discharge modes in low temperature environmentcan reach 62.91 Ah In the extremely cold environment of 30，using the designed heat pipe asheating element to heat the electric vehicle power battery，the improvement of 61.56 Ah from the第 3 期陈萌等:纯电动汽车动力电池脉动热管加热技术的试验277initial discharge failure can be achieved The designed TiO2-PHP has efficient heating performance andthermal conductivityKey words:power battery;pulsating heat pipe;nanofluid;heating technology;TiO2为了适应汽车产业低碳和节能的发展趋势，电动汽车将会成为未来一段时间内汽车行业发展的主流，而锂电池以其高比能量、高比功率、高安全性和循环寿命长等特性成为当前电动汽车动能系统的首选1 但在北方寒区的低温环境下，电动汽车长期面临着 20 以下的环境温度，导致锂电池性能衰退，进而出现电动汽车动力不足、续驶里程急剧下降等问题2 针对锂电池在寒区低温环境下出现的性能衰退问题，可通过电池热管理技术中的电池加热技术加以解决 为达到此目的，各国学者们提出了许多加热动力电池的方法，其中主要分为内部加热法和外部加热法2 大类 3 内部加热法 4 是通过低温形成的较大内阻来增大产热，从而达到对锂电池进行加热的方法，也常称为自加热 自加热方式没有传热的中间步骤，不需要额外的传热系统或电路元件，可保证电池均匀受热，且整体加热快、效率高、应用成本低 但是，自加热方式需要对电池自身进行充电和放电，这会出现电池性能衰减的现象，且存在一定的安全隐患 5 6 外部加热法是指在电池外部进行加热，根据所选产热方式的不同，主要有加热套加热、加热膜加热、珀尔贴效应原件加热、加热板加热、PTC(positive temperaturecoefficient)加热、相变材料加热等，由这些热源，以气体、液体或固体为介质，通过热对流或热传导的方式对电池进行外部加热 7 外部加热法比较安全，易于实现，但是能量损失较大，加热速度慢，同时外部加热法的加热功率易受到局部过热风险的限制，导致电池温度增加不均匀 8 9，如气体加热系统在电池箱内有到达不了的盲区，导致温度具有不确定性，与气体加热系统相比，利用液体热流的加热方式能够获得更高的传热效率，但将液体通入电池箱底部的传统方法，对电池箱密封性有更高的要求，其可靠性更加难以保证 因此，更加有效的动力电池加热技术是实现电动汽车在寒区推广应用的关键众所周知，热管具有较高的导热性，且形状可变灵活，是当今诸多蓄热和加热系统的首选导热器件 刘霏霏10 将微热管相变传热应用于电池热管理系统(battery thermal management system，BTMS)中，利用热管的双向导热性能，通过内部流体运动将热量传递给吸热端，进而加热电池 与普通热管不同，脉动热管(pulsating heat pipe，PHP)不需要使用多孔芯，无额外能量消耗 在两相流状态下工作，当蒸发端和冷凝端存在一定的温差时，PHP 中的汽塞和液塞会立即以很高的振幅来回振荡，工质来回通过蒸发端和冷凝端，使热量迅速地传递，传热能力明显优于其他类型热管，故 PHP 成为当前实现加热特定对象的首选原器件 D MANGINI 等11 对闭环脉动热管的两相流机制进行了红外分析，试验结果表明:对于特定的加热分布会促使液塞和汽塞沿脉动热管轴向优先运动，优先建立自激振荡的循环运动，实现热量在蒸发端和冷凝端的传递可视化，但是在目前热管的应用中，工质多以水、乙醇、丙酮等为主，其热导率均较低 有研究12 显示:采用纳米流体等具有高换热性能的新型工质代替传统工质，可提高热管的传热性能 QU J 等13 就曾分别以二氧化硅(SiO2)/水和三氧化二铝(Al2O3)/水作为工质，研究了 PHP 的热性能，结果表明:与纯水作为工质相比，SiO2/水纳米流体和 Al2O3/水纳米流体分别降低了 25.7%、23.7%的热阻上述研究表明，将 PHP 用于动力电池的加热，对提升动力电池的性能具有重要的研究意义，但当前针对使用纳米流体 PHP 作为核心元件加热电动汽车动力电池的相关技术研究相对较少 为此，笔者从工质选型制备、脉动热管设计、脉动热管热性能影响因素分析及实际应用等方面进行系列研究针对不同基液对 PHP 加热效能的影响、添加纳米流体对 PHP 加热效能的影响、不同工作模式对加热动力电池加热效能的影响、典型运行工况对加热动力电池加热效能的影响进行试验研究，并验证所设计的 TiO2-PHP 加热、导热的有效性及可行性1试验描述1.1TiO2纳米流体的制备采用 2 步法进行 TiO2纳米流体的制备，首先制备 TiO2固体纳米颗粒，然后制备 TiO2纳米流体传热工质1.1.1TiO2纳米颗粒制备选取钛酸丁酯、无水乙醇、氨水作为基础制备材料，采用溶胶 凝胶法制备 TiO2纳米颗粒 量取278第 44 卷一定量的钛酸丁酯缓慢逐滴加入无水乙醇与氨水的混合液中;放入85 的水浴锅内机械搅拌2 h;将凝胶放入 100 干燥箱内干燥 3 h，将研磨后的固体颗粒放入坩埚中，利用马弗炉对 TiO2进行高温煅烧，并进行研磨，从而制备出所需的 TiO2纳米颗粒，分批制备出试验所需的材料1.1.2TiO2纳米流体的合成首先称取不同质量的 TiO2纳米颗粒，将其分散到不同基液(蒸馏水、无水乙醇)中 同时，称取一定量十二烷基硫酸钠分散剂配制成分散液，再加入上述纳米 TiO2溶液中，进而配制出不同体积分数的纳米流体 获得的纳米流体固体体积分数为=mnpnpmnpnp+mbfbf100%，式中:mnp、mbf分别为 TiO2纳米颗粒和基液的质量;np、bf分别为 TiO2纳米颗粒和基液的密度所用基液(蒸馏水、乙醇)和自制 TiO2纳米颗粒的物理性质如表 1 所示表 1基液(蒸馏水、乙醇)和 TiO2纳米颗粒的物理性质名称密度/(kg/m3)导热系数/W/(mK)比热容/J/(kgK)黏度/(103Pas)熔点/沸点/蒸馏水997106044 179 000 0100001000乙醇789301802 420 000 01074114178 3TiO23 900084000 869 21 84002 900 01.2PHP 的制备为增加 PHP 的热容量，对热管的整体结构进行设计，设计的 PHP 管材为铜，横截面形状为圆形 结构参数如下:宽度为 115 mm;蒸发端长度为 45 mm;冷凝端长度为 183 mm;内径为 3 5 mm 根据设计尺寸完成热管机械加工，然后在工质(不同体积分数的 TiO2纳米流体)加入前，采用真空泵对热管进行抽真空处理，并进行密封处理，最终得到 TiO2纳米流体 PHP 样管1.3试验系统为有效评估 PHP 的热性能，搭建了 PHP 热性能试验台，如图 1a 所示 试验系统主要由加热系统、冷却系统和数据采集系统(SH-X 型多路温度测试仪及上位机)组成，数字万用表用于测量输入电压和电流为了验