有轨电车储能部件新型热控制方案研究*

李 明， 刘 楠

(中车唐山机车车辆有限公司 产品技术研究中心, 河北唐山 063035)



有轨电车储能部件新型热控制方案研究*

李 明， 刘 楠

(中车唐山机车车辆有限公司 产品技术研究中心, 河北唐山 063035)

储能部件热控制技术是混合动力有轨电车稳定运行的保证之一。为了保证新型储能部件的温度均匀性，并使其工作在最佳的温度范围内，设计了两种新型储能部件相变材料——空气耦合热控制方案。通过制备石蜡/泡沫铜复合材料，搭建试验台，将内嵌式方案和外贴式方案进行不同放电倍率和不同工况的试验测试，为新型储能部件热管理系统的实际开发提供一定的借鉴。

混合动力有轨电车； 储能部件； 相变冷却； 空气冷却； 泡沫铜/石蜡

交通工业的快速发展加剧了环境污染和能源短缺等问题，从可持续发展的战略出发，开发新型混合动力有轨电车刻不容缓。动力电池作为新型储能部件的关键组成部分之一，其工作状态的好坏直接影响整车的安全性、经济性等。动力电池在充放电过程中会放出热量，同时在有限的空间中电池组一般采用紧凑的布置形式，如果散热不及时则会引起电池内部的热积累，导致热失控，严重影响电池的性能及安全。电池间温度的不一致会引起电池性能的不一致，使电池组的性能整体下降。因此对新型储能部件热控制方案进行研究具有重要的意义[1-3]。

石蜡主要由直链烷烃混合而成，其优势在于物理和化学性能长期稳定，能反复融解、结晶而不发生过冷或晶液分离现象，无毒、无腐蚀性等[4]。Hallaj 等人在商用纯电动车(EV)采用了相变装置，相对于风冷式或液冷式主动热控制系统，系统复杂度和成本大幅降低[5]。Kizilelar等人针对结构过于紧凑的动力电池组，开发了热控制效果相对于传统风冷式系统更佳的相变材料装置[6]。Siddique等人为电动车动力电池系统设计了一种新型相变装置热管理系统，无需风机、泵等传统的强迫冷却部件。试验结果表明，采用泡沫铝+相变材料的热控制方式，可将温升降低50%以上[7]。张国庆等人使用石蜡/石墨相变复合材料设计了单体电池和电池组，研究和比较了分别采用相变冷却技术与空气换热冷却技术的电池散热效果。试验结果表明，在1C放电倍率下，采用相变材料冷却相对于空气自然和强制对流冷却，电池温升分别降低14℃～18℃以及9℃～14℃，且电池性能无显著劣化[8]。杨硕等人针对石蜡作为固—液相变储能材料存在导热系数小、传热性能差的缺点，采用两步法制备了分散性较好的纳米铝粉/石蜡复合相变材料，有效地提高了石蜡相变储能材料的导热系数[9]。

根据动力电池组的正常使用要求，模组内部最高温度和最大温差分别不应超过55℃和5℃。根据有轨电车实际运用情况，一般夏季高温时段一般在4～5 h左右，因此要求热控制方案可坚持5 h以上。而相变材料具有相变周期长、相变潜热大、相变期间内无温升等优势，较为适合用于布置于有轨电车车顶的混合动力系统热控制。

本文结合空气冷却与相变材料冷却的特点，设计了两种新型储能部件相变材料—空气耦合热控制方案，基于同一动力电池模组试制了耦合散热试验样件，并分别对“内嵌式方案”和“外贴式方案”进行了不同工况、不同放电倍率下热控制效果的试验测试。

1 相变材料热控制装置

相变材料热控制装置为结构简单的方块状结构，主要由石蜡和泡沫铜组成，外壳一般为铜或铝材质。

1.1 石 蜡

石蜡作为相变材料具有相变潜热较高、几乎没有过冷现象、熔化时蒸汽压低、不易发生化学反应且化学稳定性较好、自成核、没有相分离和腐蚀性等优点，但也存在热导率低等不利因素, 但通过在石蜡中嵌入泡沫铜芯体可有效克服这个缺点。

本试验中选择相变材料主要考量的因素有：工作温度、潜热值、安全性。根据本文的热控制需求，最终选择工质为正二十烷(化学式：C20H42，分子量：282.547 5)，工作温度为36 ℃～38 ℃，针对动力电池组最高温度要求留有一定安全裕量。其他参数包括：沸点343.4 ℃，潜热246 kJ/kg，密度788.6 kg/m3，闪点186.5 ℃，蒸汽压0.000 14 mmHg，折射率1.442 5；不溶于水，溶于乙醚、苯。

1.2 泡沫铜

选用孔隙率95%的泡沫铜，以增强相变材料的吸热效果。泡沫铜由于具有密度低、比表面积大、通孔均匀细致等特点，将相变材料与泡沫铜材料相结合，可以使得热量沿金属纤维快速传递，并通过较大的比表面积将热量扩散到整个储能装置内部。

2 新型储能部件热控制集成方案

2.1 内嵌式方案

内嵌式方案是通过将相变材料放入单体电池片与单体电池片之间，利用相变材料的相变潜热将电池片散发的热量吸收，然后通过导热片与空气以强迫对流方式散出。导热片的结构为铜、铝等导热系数高的片状金属。图1所示为内嵌式方案示意图。

图1 内嵌式方案示意图

图2 外贴式方案示意图

2.2 外贴式方案

外贴式方案是将相变材料模块布置在动力电池模组表面，利用导热片将动力电池散发的热量传递给相变材料，利用相变材料的相变潜热吸收一部分热量；同时通过导热片与强迫空气以对流方式散出另一部分热量。导热片的结构以片状为宜，须与单体动力电池紧密贴合，材料可以为铜、铝等导热系数高的金属。图2所示为外贴式方案示意图。

3 新型储能部件热控制方案试验

3.1 试验台

本文搭建了动力电池充放电—热性能耦合测量试验台，针对新型储能部件热控制方案的性能与设计效果进行了试验测试。试验台原理图如图3所示。试验台分两个部分：充放电测量系统及流动与传热性能测量系统。充放电系统用于进行不同倍率的充放电以模拟电池实际工作过程，确保电池发热量与实际工作过程相符合。流动与传热性能测量系统为独立设计的低速风洞系统，试验件放置在该系统的样品池中，试验台如图4所示。

图3 试验台原理图

图4 试验台

试验测试仪器汇总见表1。

3.2 试验对象

试验对象为湖州微宏动力提供的软包装钛酸锂电池单体以及使用该单体电池组装的钛酸锂模组，具体参数如表2所示。钛酸锂电池循环性能好，放电电压平稳，电解液不易分解，可高倍率充放电，安全性相对较高。其片状结构更易于本文方块状相变装置的安装和集成。

实际电堆模组由3并、3串9片电池单体组成，电芯之间存在缝隙，采用空气进行对流散热，如图5所示。

表1 试验设备表

表2 单体软包装钛酸锂可充电电池参数

图5 试验电堆组装方式

3.3 方案步骤

通过已经搭建的模拟通风试验台，分别对“内嵌式方案”和“外贴式方案”进行了强迫风冷/相变材料综合冷却试验，试验步骤如下：

(1)打开加热器，查看温度计，当调温调流段内温度达到设定温度(±0.2℃)时，开始试验；

(2)打开并变频风机，使风管进风口风速达到设定数值(±0.1 m/s)；

(3)接通充放电设备，使电池充放电按设定电流进行充放电操作；

(4)打开电脑和数据采集仪，使其自动记录模块电池表面温度，记录间隔为30 s；

(5)当电芯表面温度超过55 ℃或温度稳定时结束试验，关闭所有设备。

3.4 测试结果

基于上述钛酸锂电池模块的“内嵌式方案”样件如图6所示，热电偶布置位置如图7所示。

图6 “内嵌式方案”样件

图7 热电偶布置

基于上述某电池模块的“外贴式方案”样件如图8所示，热电偶布置位置如图9所示。

图8 “外贴式方案”样件

冷却风温28 ℃，充放电倍率2C，冷却风速3 m/s的试验结果如图10所示。试验共进行3次充放电循环。

试验结果表明，

(1) 温升方面：动力电池温升随着放电时间增加而增大，两种方案均可将动力电池模组温升控制在55 ℃以内。采用“内嵌式方案”，模块内温度基本维持在40 ℃以内；采用“外贴式方案”，模块内温度基本维持在52 ℃以内。

图9 热电偶布置

(2) 温度均匀性方面：“内嵌式方案”可保证模块内温度均匀性基本维持在3℃以内，“外贴式方案”只能保证模块内温度基本维持在5℃左右。

(3) 相较而言，“内嵌式方案”与电池组结合更紧密，效果更佳，热控制时间可达5 h以上。

4 结 论

本文结合相变冷却和空气冷却的优缺点，提出了内嵌式和外贴式两种新型储能部件热控制散热方案。通过试验测试结果可得出如下结论：

图10 测试结果

(1) 动力电池温升随着放电时间增加而增大。

(2)“内嵌式方案”和“外贴式方案”均能够将最高温度和最大温差分别控制在55 ℃和5 ℃以内，能够满足电池的散热需求。

(3)“内嵌式方案”与电池组结合更紧密，热控制效果更佳，可维持模块内温度在40 ℃以内，温度均匀性在3 ℃以内，有效热控制时间达5 h以上。

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[9] 杨 硕，汪 南，吴淑英．纳米铝粉石蜡复合相变储能材料的性能研究[J]材料．材料导报，2009，23(12)：20-22．Study on New Thermal Control Scheme of Energy Storage Unit of Tram

LIMing,LIUNan

(Product Technical Research Center, CRRC Tangshan Co., Ltd., Tangshan 063035 Hebei, China)

Thermal control technology of energy storage unit guarantees the steady operation of hybrid tram. In order to ensure temperature uniformity of the new energy storage unit and the work in the optimal temperature range, two kinds of new energy storage unit phase change materials-air coupled thermal control schemes are designed in this paper. By preparing paraffin/copper foam composite materials and building the experimental platform, the experiment of different discharge rate and different working conditions are carried out by the embedded scheme and the external scheme, for providing some reference for the practical development of the new energy storage unit thermal management system.

hybrid tram; energy storage unit; phase change cooling; air cooling; copper foam/paraffin

*国家科技支撑项目(2014BAG08B02)

男，高级工程师(

2016-03-25)

1008-7842 (2016) 05-0012-04

U268.6

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2016.05.03