陈萌，李静静

（东北林业大学交通学院，黑龙江哈尔滨150040）

目前，新能源汽车已成为当今大气环境污染及石化资源短缺问题的解决方案之一，其中纯电动汽车以其无污染、低噪声、结构简单等优势成为新能源汽车发展的主要方向[1-2]。在纯电动车的发展过程中，锂电池以自身具有的高比能量、长寿命、无记忆效应等优势[3]被公认为是目前电动汽车的最佳动力源。然而在实际应用过程中，车辆需要在不同工况下运行，这一过程导致了大量的热量产生，形

成了热量的积累，进而造成锂电池温升增加和表面温度均匀性变差的现状，这种情况显著地影响了锂电池作为电动汽车动力源的使用性能和循环寿命，严重时还会导致出现热失控，甚至燃烧、爆炸等安全问题[4]。因此，有效的锂电池散热技术是解决电动汽车车用锂电池散热问题的关键。当前常见的电池散热技术包括风冷[5-7]、液冷[8-10]、相变材料冷却[11-13]、热管散热等[14-16]。其中风冷简便可行、安装方便而被广泛使用，但是空气作为冷却介质，传热效率低，冷却速度慢，受环境温度影响较大[17]；液冷与风冷相比，通常具有更高的传热系数和冷却能力，但是液冷容易造成液体的泄露，并且管路的布置较为复杂，成本较高，系统维护和维修比较困难[18]。相变材料冷却相比较以上两种冷却方式，由于其热导率低、没有足够的长期热稳定性、使用成本高和熔化膨胀可能导致泄漏等问题，极大地限制了其在电动汽车上的广泛应用[19-20]。而热管作为高效的热传导装置，是较为理想的电动汽车车用动力电池的散热器件。但在目前的应用中，热管工质多以热导率较低的水、乙醇、丙酮等为主，限制了热管的高效散热性能的应用，而且动力电池在非稳态运行条件下，常规热管已无法满足大功率下对动力电池快速散热的要求。因此，采用纳米流体为工质[21]的脉动热管，引起了人们的广泛关注。纳米流体是纳米颗粒与传统工质混合形成的悬浮液。由于纳米颗粒的加入，强化了热管工质的传热换热能力[22-24]。同时，当脉动热管蒸发端与冷凝端的温度存在一定差值时，脉动热管的固有结构会使管内的汽塞和液塞迅速以较高的振幅在管内来回振荡，从而迫使汽塞和液塞来回通过蒸发端和冷凝端，进而达到高效传热换热的目的。为此，本文利用纳米流体高传热性能，设计了一款以TiO2纳米流体为工质的闭环脉动热管（TiO2-CLPHP）来提升热管的高效散热性能，并以该TiO2-CLPHP为核心元件来构建电动汽车车用锂电池散热管理器件，并在实用环境下进行了相关散热性能试验研究。

1 材料和方法

1.1 材料制备

1.1.1 纳米流体

本文采用两步法制备TiO2纳米流体样品。首先在室温（25℃）条件下，以钛酸丁酯、无水乙醇等为基础原材料，采用溶胶-凝胶法自制粒径为10～20nm的锐钛型TiO2（如图1所示）；其次，将制备的TiO2颗粒分散到蒸馏水中，并使用磁力搅拌器（T09-1S、600W、100～1600r/min）与超声波振荡设备（UP100H、100W、30kHz），分别进行30min分散搅拌，完成纳米流体样品（如图2所示）的制备。

图1 纳米TiO2的透射电镜（TEM）图

图2 TiO2纳米流体样品实物图

1.1.2 热管

脉动热管采用铜质材料制成，内径6mm，壁厚1mm，转弯数为5（以便满足对锂电池的散热需求），总长度290mm，其中蒸发端和冷凝端长度分别为172mm、118mm。同时为了加强散热，在冷凝端安装矩形翅片以增加散热面积。矩形翅片的长、宽分别为44mm、23mm，厚度0.5mm，间距1.5mm，根据冷凝端长度，每列安装30片翅片，3列共90片。在工质（TiO2纳米流体）加入前，先用真空泵对热管进行抽真空操作，而后注入TiO2纳米流体，并进行相关的密封操作。

1.2 试验系统

为了验证所设计的TiO2-CLPHP作为纯电动汽车锂电池散热器件的可行性和有效性，以某电池生产商提供的68A·h方形磷酸铁锂电池为试验对象，配以Arbin电池测试系统、可控恒温箱、温度传感器等元件搭建了完整的锂电池散热测试试验台（如图3所示）。该试验台包括锂电池测试系统及锂电池温度控制系统两大部分。

图3 锂电池散热测试试验台和电池散热模块示意图

（1）锂电池测试系统

锂电池测试系统主要由硬件Arbin电池测试系统和软件MITSPro控制系统两个子部分组成。试验过程中，利用MITSPro控制系统设置电池在不同的恒压、恒流及循环工况下的充、放电的设置与状态监测。同时，利用T型热电偶传感器（量程-200～350℃，测量精度±0.5℃）分别对单体电池的4个区域（负极附近、正极附近、电池表面中心、电池表面下端边缘，分别用T1、T2、T3、T4表示）及TiO2-CLPHP的蒸发端和冷凝端区域（TiO2-CLPHP蒸发端和冷凝端测温点，分别用T5、T6、T7和T8、T9、T10表示）进行温度监测。

（2）锂电池温度控制系统

锂电池温度控制系统主要包括可控恒温箱和锂电池散热组件（主要包含铝制集热板、夹具、脉动热管、锂电池）。可控恒温箱的工作温度为5～65℃，测量精度为±0.5℃。试验过程中，可控高低温恒温箱用于模拟锂电池的实际工作（环境）温度，而锂电池散热组件负责进行电池的散热、冷却。

1.3 试验项目

基于纳米流体热管高效相变传热机理，通过试验对不同条件下锂电池的放电测试，以获得锂电池在模拟实际工作中的温度变化规律，进而验证TiO2-CLPHP在纯电动汽车电池散热管理应用中的可行性和有效性，为此进行以下的试验测试。

（1）不同工质配比

工质是热管的核心部分，其浓度配比和对热管的填充率决定着热管的传热能力。故在1C放电倍率下，依据相关研究文献[25-28]，筛选不同的纳米流体工质浓度（0、0.5%、1%、2%，质量分数，下同）和不同热管充液率（50%、60%、70%、80%），进行脉动热管热性能试验测试，以确定理想的TiO2-CLPHP工质配比，以期获得TiO2-CLPHP的最佳热性能。

（2）不同运行工况

电动汽车在不同工况（怠速——锂电池以0.5C倍率放电、匀速——锂电池以1C倍率放电、加速——锂电池以1.5C倍率放电）下的运行，直接影响着锂电池的产热量。故在环境温度25℃、不同运行工况（0.5C、1C、1.5C）条件下，采用最佳工质配比的TiO2-CLPHP对锂电池进行散热试验研究，以验证不同运行条件下TiO2-CLPHP用于锂电池散热管理的热性能。

（3）不同路面条件

与水平路面相比，电动汽车在上坡和下坡驾驶条件下的应用是不可避免的，这会造成热管相对于水平路面发生相对的位置倾斜，造成纳米流体工质在热管中的分配发生变化，影响热管的导热与散热能力。普通道路坡度的等级通常低于10%（5.71°），公共道路已知的最大坡度为37%（20.31°）。故在环境温度25℃、1C放电条件下，闭环脉动热管电池散热模块以竖直方向为界线，分别向左、向右倾斜10°、20°，进行不同路面条件下，最佳工质配比的TiO2-CLPHP对锂电池散热性能影响的试验，以验证TiO2-CLPHP在不同路面条件（水平路面、上坡、下坡）下对锂电池散热管理的热性能。

1.4 误差分析

TiO2-CLPHP热性能通常用热阻（R）[29]来表征，其被定义为式(1)。其中，Te和Tc分别通过式(2)和式(3)计算得到。蒸发端加热功率表示为式(4)。根据误差传递理论，脉动热管热阻值（R）相对误差可表示为式(5)。其中，蒸发端加热功率Q的相对误差（ΔQ）表示为式(6)。

在进行热管蒸发端加热测试时，利用隔热性能良好的保温棉来包裹热管。另外考虑测试仪器的精度，采用Qu等[30]的计算方法，当冷凝段和蒸发段的最小温差假定为5℃，热阻的最大不确定度是5.6%。

2 结果与讨论

2.1 不同工质配比对TiO2-CLPHP散热效能的影响

图4为不同浓度配比、不同充液率条件下TiO2-CLPHP的热阻值的变化曲线。由图可见，当工质浓度配比保持一定时，热管充液率越高，TiO2-CLPHP的热阻值越高，证明了较高的充液率带来了较高的热阻值，进而限制了TiO2-CLPHP的传热能力。而当热管充液率保持一定时，随着工质浓度配比的增加，各充液率下的TiO2-CLPHP热阻值都出现不同程度地衰减降低，这一现象表明较高工质浓度配比加强了TiO2-CLPHP的传热能力。

图4 不同工质浓度配比下TiO2-CLPHP的热阻变化情况

通过以上的规律分析可以得出，为了实现TiO2-CLPHP传热效率的最大化，需选择较高浓度的工质和较低的热管充液率，以得到较小的TiO2-CLPHP热阻值（即选用2%的浓度配比与50%的热管充液率），出现以上结果的原因可从以下两大方面加以解释。

（1）纳米材料浓度配比

随着浓度配比的增加，TiO2-CLPHP传热能力逐步加强的原因可归因于以下3个方面。首先，在蒸馏水中加入纳米尺寸的TiO2颗粒时，由于范德华力作用，纳米粒子的微运动使纳米颗粒与液体之间的相互作用更为剧烈，导致TiO2纳米流体传递的能量更多，提升了整体溶液的导热性能；其次，在制备TiO2纳米流体时通过适当的磁力与超声分散，增强了纳米粒子间的布朗运动和微对流，从而增强了整体溶液的导热性能[31]。最后，随着纳米流体浓度的增加，TiO2纳米颗粒数量增多，从而增加了其表面积和体积比率，进而增强了颗粒之间的碰撞，使其具备了更多的动能，促进了粒子运动，增强了整体导热性能[32]。

（2）热管充液率

随着热管充液率的加大，传热能力逐步减弱，主要原因为随着充液率的增加，TiO2-CLPHP管道中的蒸汽量减少，使纳米流体内部的剪切应力逐渐增大，造成纳米流体黏度增大，这导致热管内的压力波动和驱动力减小，使脉动热管内的TiO2纳米流体流动从循环流动变为局部振荡流动，导致传热性能减弱。

2.2 不同运行工况对TiO2-CLPHP散热效能的影响测试

图5给出环境温度25℃、不同运行工况（0.5C、1C、1.5C）下锂电池表面温度及最大温差随放电时间的变化曲线。结果显示，不同运行工况下，电池表面各区域温度随放电时间的增加逐渐增加。其中，0.5C放电倍率从放电开始到放电结束，锂电池表面温度始终保持在30℃之内，放电结束时电池表面最高温度达到28.51℃；而1C、1.5C放电倍率在放电开始不久后，锂电池表面温度超过30℃，并且放电结束时电池表面最高温度分别达到34.12℃、34.84℃。整个放电期间，电池表面最大温差也会随着放电倍率的增加而逐渐增大，但是最大温差均未超过2.25℃，这表明在不同运行工况下，TiO2-CLPHP可保证锂电池工作在合适温度区间，且能保证良好的温度均匀性。锂电池在不同运行工况下表现出的温度变化分布主要归因于在小倍率（0.5C）放电时，电池产生的热量相对较少，可以通过TiO2-CLPHP及时将热量带走，电池表面温度相对较低，温度分布均匀，能维持最大温差小于0.7℃；随着放电倍率的增加，电池产生的热量主要以不可逆热（欧姆热和极化热）为主，电池正负极区域温度迅速升高，电池表面热量通过TiO2-CLPHP蒸发段传递到冷凝端翅片，由于翅片面积有限，与空气热交换速度慢，散热速度慢，热量在电池表面累积，导致温度相对较高，温差相对较大达到2.25℃。概括而言，不同运行工况下，锂电池用脉动热管散热时，电池表面温度变化规律是由于锂电池自身产热和TiO2-CLPHP的散热两者递进累加所致。

图5 不同运行工况下电池表面温度及最大温差随时间变化曲线

（1）锂电池自身产热

锂电池的总产热由可逆热（反应热）和不可逆热（欧姆热和极化热）组成[33]。当电池在不同工况下放电时，可逆热（反应热）与电流成正比例关系[34]，不可逆热（欧姆热和极化热）与电流的二次方成正比例关系[35]。因此在小负荷（0.5C）放电时，电池的总产热主要以可逆热（反应热）为主，不可逆热（欧姆热和极化热）为辅，故总热量增加幅度较小，电池温度升高较慢；但随着电流升高，克服电池内阻而产生的不可逆热会远远大于可逆热，而在放电过程中占据主导地位，从而产生了大量的不可逆热，使总热量大幅度地增加，温度升高较快。因此，随着车辆工况（放电倍率）的逐渐增加，这一过程表现为单体电池表面呈整体升温态势。

（2）TiO2-CLPHP的散热

随着放电倍率的增加，锂电池的产热量逐渐增多，进而传递给TiO2-CLPHP的热量也会逐渐增多。在较小产热条件下，TiO2-CLPHP针对锂电池表面热量的传递仍以管材——铜为主；但当产热逐渐增大后，TiO2-CLPHP针对锂电池表面热量的传递以管内工质为主[36]。在开始阶段，较小的外部热量吸收使工质中的纳米粒子在基液水中的运动微弱，使TiO2纳米流体导热系数偏低[37]，TiO2-CLPHP整体传热、散热效果一般，锂电池表面温升较快；但当进入稳定运行阶段，较大的产热量被工质吸收后，促进了TiO2及基液水的导热系数的增加，但TiO2导热系数的增幅会明显大于水[38]。这使TiO2颗粒在基液中的布朗运动加强，增强了粒子之间的相互作用力[39]，使管内形成的汽-液塞震荡幅度有较大变化，并加速从平衡位置向冷凝端移动，当移到冷凝端的横向管道时，形成与竖向管道内的工质在冷凝端方向的相互连通。此种情况会使冷凝端液塞长度缩小，而蒸发端的汽塞长度增加，即出现环状流的范围不断增加，从而优化热管散热性能，进而将更多的锂电池表面热量散掉，减弱了电池表面的温升幅度，增大了蒸发端与冷凝端的温差。

2.3 不同路面条件对TiO2-CLPHP散热效能影响测试

图6给出了环境温度25℃、1C放电倍率条件下不同倾斜角度的锂电池表面温度随时间的变化曲线。结果显示，TiO2-CLPHP电池散热模块向左、向右不同角度（10°、20°）倾斜，电池表面各区域温度变化趋势与竖直角度（90°）相一致；不同倾斜角度下放电，TiO2-CLPHP电池散热模块保证锂电池表面最高温度不超过35℃，最大温差不超过1℃；同时，不同倾斜角度下的锂电池表面最高温度均低于竖直角度下的锂电池表面最高温度，且其随着倾斜角度的增加而降低。这表明电动汽车在不同路面条件下行驶时，TiO2-CLPHP均可以正常有效地运行，而且路面倾斜角度越大，电池散热效果越高效。在不同路面条件下，TiO2-CLPHP展现了稳定高效的传热性能，保证对锂电池的散热性能不变，这归因于在放电初期，锂电池表面热量累积催生TiO2-CLPHP启动工作，TiO2-CLPHP传热散热过程中随着倾斜角度的增加（相对于竖直方向90°），重力在沿TiO2-CLPHP方向的分力变小，TiO2纳米流体受重力分力影响变小，加速TiO2纳米流体从蒸发端向冷凝端的流动，将热量从蒸发端传递到冷凝端；此外，TiO2-CLPHP启动后，在TiO2-CLPHP蒸发段管内形成汽-液塞，其中汽塞被液体薄膜包围，随着倾斜角度的变大，薄膜厚度可能会发生改变，影响着温度变化；还有可能随着倾斜角度的变化，TiO2-CLPHP内部汽塞-液塞重新分布，影响温度变化。

图6 不同倾斜角度下电池表面温度随时间变化曲线

3 结论

基于TiO2-CLPHP的高导热性能，以某电池生产商提供的68A·h方形磷酸铁锂电池为试验对象，设计了电动汽车用锂电池散热管理模块，搭建了完整的锂电池散热测试试验台，并进行了不同工质配比、不同运行工况、不同道路条件下的电动汽车车用锂电池散热性能试验，得到如下结论。

（1）在不同工质配比条件下，热管配以较高的充液率，带来了较高的热阻值，进而限制了TiO2-CLPHP的传热性能，而较高工质浓度配比加强了TiO2-CLPHP的传热性能，故恰当的工质配比决定了脉动热管传热的可靠性和有效性。试验结果表明，2%的工质浓度和50%充液率，可实现该设计TiO2-CLPHP传热性能的最优化。

（2）在不同运行工况（0.5C、1C、1.5C）、环境温度为25℃时，以TiO2-CLPHP作为散热元件对锂电池进行散热管理，锂电池表面温度和最大温差随着放电倍率的增加而增加，在放电结束时刻，锂电池表面最高温度分别为28.51℃、34.12℃、34.84℃，且在放电期间，锂电池表面最大温差不超过2.25℃，表明TiO2-CLPHP可用于锂电池散热管理，并能保证锂电池拥有合适的工作温度和良好的温度均匀性。

（3）在不同路面条件下，利用TiO2-CLPHP为锂电池进行散热管理，TiO2-CLPHP保证锂电池表面各区域温度变化趋势与竖直角度相一致，有效地控制锂电池表面最高温度不超过35℃，最大温差不超过1℃，表明在不同路面条件下，TiO2-CLPHP用于锂电池散热管理运行稳定可靠，传热散热理想，而且路面倾斜角度越大，电池散热效果越高效。

符号说明

I—— 脉动热管蒸发端加热输入电流，A

Q——脉动热管蒸发端加热功率，W

R——脉动热管热阻，℃/W

T5、T6、T7——脉动热管蒸发端各测点处温度，℃

T8、T9、T10——脉动热管冷凝端各测点处温度，℃

Tc——脉动热管冷凝端平均温度，℃

Te——脉动热管蒸发端平均温度，℃

U——脉动热管蒸发端加热输入电压，V