块状动力电池相变材料-风冷耦合散热实验研究

曹 松 毕海权 秦 萍 王宏林 王方宇



块状动力电池相变材料-风冷耦合散热实验研究

曹 松 毕海权 秦 萍 王宏林 王方宇

（西南交通大学机械工程学院 成都 610031）

针对型号为MV06203127NTP的块状动力电池的散热问题进行了实验研究，以模块内温度不大于50℃为标准，分别研究了电池在1C和2C工作条件下，冷却风温度和速度对模块散热的影响；实验结果表明：在相变材料厚度为3mm，风冷导热片高30mm的条件下，当电池充放电倍率为1C、冷却风速等于1m/s，冷却风温度为24℃时能满足控制温度要求；当冷却风温度为28℃时，最佳冷却风速等于2m/s；当电池充放电倍率为2C、冷却风温度为28℃时，冷却风速度为3m/s不能满足控制模块内温度分布的要求。

相变冷却；耦合散热；实验研究；块状动力电池

0 引言

动力电池作为替代传统化石燃料为动力的新能源交通工具的重要组成部分，近几年受到大量国内外学者的重视，尤其在新能源汽车领域。电动交通工具采用电能取代石油等化石燃料作为动力，是解决未来交通问题的长远发展方向[2,3]，同时动力系统被认为是电动交通工具中最重要也是最难解决的问题[1]。当前散热问题是动力电池系统被研究的热点之一[4-6]，张国庆、饶中浩等对镍氢电池组散热问题进行了实验研究，研究结果显示在1C的充放电倍率下，石蜡和石墨的质量比为4:1时，电池组冷却效果最佳[7]；赵明伟、王子晨等制备了泡沫铝-石蜡复合相变材料，对不同孔隙率的泡沫铝石蜡混合相变材料的蓄放热特性进行了详细的实验和理论研究[8,9]；Goli等研究了石墨烯和石蜡的复合相变材料用于电池散热系统，实验结果显示添加石墨烯可以极大提高复合相变材料的导热系数，通过模拟和实验发现该复合相变材料能够很好控制电池内部温度的上升[10]。

本文基于某公司自主研制的100%低地板有轨电车动力电池散热问题为研究背景，在课题组前期工作的基础上，本文对型号为MV06203127NTP的块状动力电池散热问题进行了实验研究，采用孔隙率为95%的泡沫铜和石蜡制成混合相变材料，以电池模块内最高温度不大于50℃为实验标准，分析总结了电池模块在1C和2C充放电倍率下的散热特性。

图1 相变材料-导热介质-强迫空气对流耦合散热

1 实验系统与设备

1.1 实验系统

1矩形风管、2温度计、3风速仪、4电池模块、5帆布软接头、6轴流风机、7圆形风管（PVC水管）、8数据采集器、9电脑、10充电设备、11放电设备

1.2 实验仪器

图3所示为试验台和部分实验仪器。试验台分成三个主要部分测试段、控制段、数据记录段。其中测试段包括含有六块单体电池的电池模块、风机、热电偶、风管；控制段包括电池的充电装置和负载；数据记录段包括安捷伦读数仪、电脑。图3右侧为电池模块内部的单体电池和复合相变材料，电池模块内含有6块单体电池，每块单体电池左右各放一块混合相变材料，相变材料和相变材料之间用导热片隔开。在单体电池的一侧布置5个铜-康铜（T型）热电偶，布置4块共20个测点；复合相变材料由相变温度为40℃的石蜡和孔隙率为95%的泡沫铜组成。

图3 试验台和部分实验仪器

图4 电池模块

2 实验结果与分析

电池充放电倍率为1C的条件下，共做了4组实验，充放电倍率为2C的条件下共进行了3组实验。整个实验过程中单块混合相变材料厚度为3mm，导热片高度30mm为不变参数，而冷却风速度和冷却风温度为可变参数，具体实验工况见下表。

表1 实验工况及结果

2.1 1C充放电实验结果

图5为1C四种工况实验结果温度分布折线图，图中红色曲线为模块内最低温度曲线，黑色曲线为模块内最高温度曲线。图中曲线表明在实验开始阶段电池组模块内最高温度和最低温度迅速升高，到后期温升减小直到稳定不在发生变化。在实验开始阶段相变材料吸热温度升高，温度升高后相变材料开始相变，模块内温升减小，相变材料蓄热增加，直到模块内温度稳定不变，此时电池散热等于冷却风带走的热量。

（a）最高温度对比曲线图

（b）最低温度对比曲线图

图6 工况一和工况二温度对比曲线图

Fig.6 Experimental conditions one and two temperature contrast curve

通过对比各工况温度变化规律，分析研究电池在1C充放电倍率下，模块内温度变化特点与冷却风温度和冷却风速度之间的关系。实验工况一和工况二冷却风速度相同，冷却风温度不同，工况一冷却风温度为24℃，工况二冷却风温度为28℃，其他实验条件相同。从图6中温度对比曲线可以得出，当实验进行到6小时后，工况一最高温度基本稳定在42℃，最低温度稳定在40℃，工况二最高和最低温度都已经超过50℃，随着实验的继续进行工况二模块内温度将继续升高。以上实验结果表明，当相变材料厚度为3mm、导热片高度等于30mm、冷却风速度等于1m/s，冷却风温度为24℃时能满足控制模块内最高温度不大于50℃的要求。

图7为1C充放电条件下冷却风温度相同，冷却风速度不同的三种实验工况电池模块内温度变化曲线。图中工况三和工况四能较好的控制电池模块内温度分布，工况二模块内温度变化不断升高，实验结束时模块内最高温度和最低温度大于或者接近50℃。以上实验结果表明，在其他实验参数不变的条件下，改变冷却风速度对模块内温度影响较大，当风速达到某一值后继续增加冷却风速度对模块内温度变化影响将逐渐减弱。同时当相变材料厚度为3mm、导热片高度等于30mm、冷却风温度28℃时，最佳冷却风速度为2m/s。

（a）最高温度对比曲线图

（b）最低温度对比曲线图

图7 1C充放电温度对比曲线

Fig.7 1C charge and discharge temperature contrast curve

2.2 2C充放电实验结果

图8为2C充放电条件下三种实验工况电池模块温度变化曲线，当充放电倍率增加到2C之后电池散热量增加，模块内温度升高速度增加。工况五当风速只有1m/s时，模块内温度呈直线上升趋势，在实验进行到1.75小时模块内最高温度就已经达到50℃。工况六和工况七由于增大风速，温度上升曲线变缓，当相变材料相变结束后，模块内温度继续升高，在相变材料厚度为3mm、导热片高度等于30mm、冷却风温度28℃时，冷却风速度为2m/s和3m/s的条件下都不能使模块内温度满足不大于50℃的要求。

（a）最高温度对比曲线图

（b）最低温度对比曲线图

图8 2C充放电温度对比曲线

Fig.8 2C charge and discharge temperature contrast curve

3 结论

为解决型号为MV06203127NTP的块状动力电池散热问题，通过制备混合相变材料并搭建相变材料与风冷耦合散热的模拟通风试验台，进行了该动力电池在1C和2C工作条件下的通风冷却实验，得到以下结论：

首先，围绕烹饪行业的转型升级，主动对接技术人才和餐饮企业间的现实需求。其次，深化产教融合协同育人机制、对接专业标准、行业标准和岗位标准，构建与岗位实际工作过程密切相关的课程体系。最后，创新烹饪实训基地建设，加强餐饮文化建设，打造校企互惠共建，烹饪产业特色鲜明的人才培养模式。

（1）该型号电池在1C充放电倍率下工作时，当相变材料厚度为3mm、导热片高度等于30mm、冷却风速度等于1m/s的条件下，冷却风温度等于24℃时，能满足控制电池模块内温度不大于50℃的要求；

（2）该型号电池在1C充放电倍率下工作时，当相变材料厚度为3mm、导热片高度等于30mm、冷却风温度等于28℃时，最佳冷却风速度为2m/s；

（3）该型号电池在2C充放电倍率下工作时，当相变材料厚度为3mm、导热片高度等于30mm、冷却风温度等于28℃时，冷却风温度为3m/s的条件下，不能满足控制电池模块内温度不大于50℃的要求。

[1] Tollefson J. Car industry：charging up the future[J]. Nature, 2008,456(7221):436-440.

[2] Smith M. Batteries versus biomass as a transport solution[J]. Nature, 2009,457(7231):785.

[3] 宋永华,阳岳希,胡泽春.电动汽车电池的现在及发展趋势[J].电网技术,2011,35(4):1-7.

[4] 王松蕊,付亚娟,卢立丽,等.锂离子电池温度变化热模拟研究[J].电源技术, 2009,34(1):41-44.

[5] 张国庆,张海燕.相变储能材料在电池热管理中的研究进展[J].材料导报,2006,20(8):9-12.

[6] Otmar B, Gueenyter G. Systems for hybrid cars[J]. Journal of Power Sources, 2004,127:8-15.

[7] 张国庆,饶中浩,吴忠杰,等.采用相变材料冷却的动力电池组的散热性能[J].化工进展,2009,28(1):23-26.

[8] 赵明伟,左孝青,杨牧南,等.泡沫铝-石蜡复合相变材料的蓄放热性能研究[J].功能材料与器件学报,2012, 18(5):391-396.

[9] 王子晨.泡沫铝/石蜡复合相变材料蓄热实验研究[D].北京:北京交通大学,2015.

[10] Goli P, Legedza S, Dhar A, et al. Graphene-enhanced hybrid phase change materials for thermal management of Li-ion batteries[J]. Journal of Power Sources, 2014,248:37-43.

Experimental Study of Phase Change Materials and Air Coupled Cooling System with Massive Power Battery

Cao Song Bi Haiquan Qin Ping Wang Honglin Wang Fangyu

( School of mechanical engineering, southwest jiaotong university, Chengdu, 610031 )

In this paper the cooling problem of MV06203127NTP power battery has been experimental study. Based on battery module temperature is not more than 50℃, to study the cooling air temperature and velocity effect the heat dissipation when battery is working under the condition of 1C and 2C. The experimental results show that: in the phase change material thickness is 3mm, air-cooled heat conduction under the condition of high 30mm,when the battery charge and discharge ratio is 1C, cooling wind speed is 1m/s, cooling air temperature is 24℃ can meet the battery module temperature requirements; When the cooling air temperature is 28℃, the best cooling wind speed is 2m/s; When the battery charge and discharge rate is 2C, cooling air temperature is 28℃, the cooling speed is 3m/s the battery module temperature requirements can not be implementation.

Phase change cooling; Coupled heat dissipation; Experimental study; Massive power battery

1671-6612（2017）05-522-05

TU831/TK124

A

曹 松（1991.02-），男，在读硕士研究生，E-mail：caosongjiayou@163.com

毕海权（1974.12-），男，教授，E-mail：bhquan@163.com

2017-03-30