电池模组冷却用池沸腾传热技术研究进展_刘炜.pdf

第 53 卷 第 3 期2023 年 6 月电池BATTERY BIMONTHLYVol.53,No.3Jun.,2023作者简介:刘 炜(1999-),男,江苏人,扬州大学机械工程学院硕士生,研究方向:池沸腾、电池热管理系统;陆存豪(1988-),男,江苏人,扬州大学机械工程学院讲师,研究方向:池沸腾、电池热管理系统,通信作者;徐 晶(1978-),男,江苏人,扬州大学机械工程学院副教授,研究方向:汽车结构设计与优化、新能源汽车技术;AMMARUL Hasan(1998-),男,孟加拉人,扬州大学机械工程学院硕士生,研究方向:汽车车身轻量化设计。DOI:10.19535/j.1001-1579.2023.03.023电池模组冷却用池沸腾传热技术研究进展刘 炜,陆存豪,徐 晶,AMMARUL Hasan(扬州大学机械工程学院,江苏 扬州 225000)摘要:池沸腾作为一种高效的冷却方式,在电动汽车电池热管理系统(TMS)的应用中受到关注。传热系数(HTC)是池沸腾重要的热力学限制参数之一,直接影响池沸腾的传热性能。对影响池沸腾 HTC 的主要因素,如表面结构、饱和压力和表面湿润度等进行介绍,归纳提高池沸腾 HTC 的方法。综述将池沸腾冷却技术应用于电池模组 TMS 的研究进展,与传统的风冷、液冷和热管散热方式相比,池沸腾冷却效率大幅提高。对未来电动汽车电池模组的 TMS 研究方向进行展望,为池沸腾研究中 HTC 相关实验、池沸腾冷却技术应用于电池模组的冷却提供技术参考。关键词:电池热管理;电池模组;池沸腾;传热系数(HTC)中图分类号:TM912.9 文献标志码:A 文章编号:1001-1579(2023)03-0338-04Research progress in pool boiling heat transfer technology for battery module coolingLIU Wei,LU Cun-hao,XU Jing,AMMARUL Hasan(School of Mechanical Engineering,Yangzhou University,Yangzhou,Jiangsu 225000,China)Abstract:As an efficient cooling method,pool boiling had attracted attention in the application of electric vehicle battery thermal management system(TMS).The heat transfer coefficient(HTC)was one of the important thermodynamic limiting parameters of pool boiling,which directly affected the heat transfer performance of pool boiling.The main factors affecting pool boiling HTC,such as surface structure,saturation pressure and surface wettability,etc.,were introduced,the methods for improving pool boiling HTC were summarized.The research progress of pool boiling cooling technology applied to battery module TMS was reviewed,the pool boiling cooling efficiency was greatly improved compared with the traditional air-cooled,liquid-cooled and heat pipe heat dissipation methods.The future TMS research direction of electric vehicle battery modules was prospected,a technical reference for HTC-related experiments in pool boiling research and the application of pool boiling cooling technology to battery module cooling was provided.Key words:battery thermal management;battery module;pool boiling;heat transfer coefficient(HTC)电动汽车电池模组正在向能量密度大、集成度高的方向发展,加上消费者对汽车安全性能的需要,传统的风冷、液冷和热管散热等冷却方式无法满足高性能电池模组工作的要求1。池沸腾冷却技术通过加热固体,使液体介质沸腾,产生气泡进行热量传递,具有换热效率高、均温性能好和工质用量少等优势2。有研究者通过实验得出3,在相同的条件下,电池模组以 0.52.5 C 的放电倍率工作时,池沸腾冷却效果最佳、均温性能最好,并且随着沸腾池内压力的降低,池沸腾的冷却效果有所提升,相比于 100 kPa,在 70 kPa、50 kPa 和 20 kPa的压力下,电池模组的最高温度分别下降 6.5%、10.5%和18.9%,最大温差分别下降 25.8%、35.5%和 38.7%。近年来,有关池沸腾冷却技术的研究层出不穷,并逐步应用于电池模组的热管理系统(TMS)中。传热系数(HTC)是池沸腾重要的热力学限制参数之一,直接影响池沸腾的传热性能。本文作者介绍影响池沸腾 HTC 的主要因素,分析第 3 期刘 炜,等:电池模组冷却用池沸腾传热技术研究进展并总结提高池沸腾 HTC 的方法,重点介绍池沸腾冷却技术在电池模组中的应用,并展望电动汽车电池模组 TMS 的研究方向。1 池沸腾传热系数(HTC)的影响因素国内外学者对池沸腾进行了大量研究,探究不同因素对于池沸腾 HTC 的影响,主要包括表面结构、饱和压力、表面湿润度和粗糙度等,以寻找理想化的模型来预测沸腾换热的过程,更好地将该技术应用于实际的冷却系统中。1.1 表面结构合理的表面结构,不但可增加换热面积,使加热表面的局部过热度增加,而且有助于气泡成核和脱离,相比光滑的换热面,具有一定表面结构的池沸腾 HTC 得到显著提升。表面微结构与宏观结构对池沸腾 HTC 的影响机理,目前仍无精确的理论模型,因此探究池沸腾原理是今后的重要研究课题。H.L.Liu 等4通过制造凹槽结构提高池沸腾的 HTC,当凹槽的长度为 2.2 mm 时,HTC 相比光滑表面增加了 2 倍,大大提高了换热效率。H.T.Jiang 等5制备了不同规格的 T形微翅结构,进行池沸腾研究,结果表明,当上翅片宽1.0 mm、间隙 0.4 mm 以及高 1.7 mm 时,在热通量超过 30.0 W/cm2的表面上,HTC 相比于光滑表面最大可以提高 184.7%。A.Chauhan 等6采用双锥形微间隙结构,通过改变几何参数,提高池沸腾的 HTC,发现当使用 25.0锥度角,入口间隙为 0.80 mm 和 1.27 mm 时,HTC 分别提高了 2.0 倍和 1.5 倍。1.2 饱和压力不同饱和压力条件下,池沸腾的 HTC 并不稳定,一般情况下,HTC 随着饱和压力的增加而增加。适当增加池沸腾时的饱和压力,对提高 HTC 具有积极作用;但是饱和压力过大,对池沸腾有抑制作用。这表明,寻找合适的饱和压力是提高池沸腾 HTC 的关键。X.G.Fan 等7研究在 4 种不同压力下,光滑铜基表面的池沸腾 HTC 变化情况,结果表明,相对于 0.07 MPa 的压力,0.10 MPa、0.15 MPa 和 0.20 MPa 压力下的 HTC 平均值分别提高了 24.0%、50.0%和 63.0%。G.H.Huang 等8在铜基表面制备镀锌纳米孔,并在 25 kPa和65 kPa 的压力下进行池沸腾实验,得出在热浸镀锌参数为3 min、500.0 时,HTC 较非涂层表面提高了 139.0%和71.6%。B.A.Shah 等9研究了在 100 175 kPa 压力下,微翅片圆柱形表面沸腾性能的变化,与普通表面相比,HTC 在实验中提高了 7.0%35.0%。1.3 表面湿润度表面湿润度对池沸腾 HTC 的影响难成定论。不同工质表面的亲疏性及同一表面对不同冷却液的亲疏性均不同,在沸腾过程中,HTC 的变化对亲疏性的依赖也不相同,因此,寻找最佳匹配情况是研究的重点。马强等10采用化学腐蚀、修饰法,制备 4 种不同湿润度的表面,探究表面湿润度对HTC 的影响。结果表明:表面过热度较高时,亲水表面和超亲水表面的 HTC 较高;反之,则疏水表面和超疏水表面的HTC 较高。Q.Li 等11制备 5 种不同湿润度的表面,进行实验,发现,亲水底疏水柱顶混合润湿性模式的沸腾性能受通道与柱宽比的影响显著,当通道与柱宽比为 2 时,表面的活性核位点数量显著增加,在高热通量下,气泡脱离的频率更快,对 HTC 具有增强作用。柴永志等12制备了 6.5 和148.6接触角的超亲水性和超疏水性结构,通过实验得出,制备的这两种结构的池沸腾 HTC 较光滑平面分别提高了3.0 倍和 1.5 倍。1.4 其他因素近年来,研究者将一些新材料、新方法应用到池沸腾领域13-17。S.Mukherjee 等18在水中分别加入质量分数为0.01%、0.05%、0.10%、0.50%和 1.00%的 Al2O3和 TiO2,制作成纳米流体,在不锈钢板上进行池沸腾实验。结果表明,加入介质的 HTC 较去离子水有所提高,同时 Al2O3纳米流体比 TiO2纳米流体的传热性能好。Y.F.Chen 等19研究超重力和地球引力对核态沸腾的影响,在 3 g 重力范围和低压条件下,HTC 与重力成反比关系。郭俊等20利用电场加强池沸腾的传热特性,发现热流密度大于 500.0 kW/m2的区域电场对池沸腾 HTC 有一定的促进作用,主要是因为电场的作用会降低气液交界的表面张力,使气泡更易产生与脱离。2 池沸腾冷却在电池模组中的应用目前,电动汽车电池模组的散热方式主要有风冷21、液冷22、热管23和相变材料冷却24等形式,但在实际应用中,往往将其中两种或更多冷却方式结合使用,以达到更好的换热效果。与传统电池模组冷却技术相比,池沸腾冷却系统具有效率高、均温性能好和结构紧凑等特点,可为高性能电动汽车电池模组提供良好的散热条件,并缩小电池模组冷却系统的体积。2.1 电池模组冷却实验与模拟由于池沸腾换热过程涉及传热、相变、沸腾、流体和固体等众多物理场,且难以精确控制,常采用实验与模拟的方法进行宏观研究。通过观察实验与模拟结果,进一步探究池沸腾在电池模组冷却中的工作原理,是切实可行的方法。R.W.Van Gils 等25通过池沸腾实验研究电池的冷却性能,结果表明,电池模组在池沸腾冷却中,能够更均匀地散热,且效率较高,同时,沸腾传热效率受到压强的影响较大。H.Hirano 等26以氢氟醚为液体介质,对电池模组进行沸腾传热实验,结果表明,即使电池模组以 20 C 的放电倍率高强度工作,温度仍可控制在 35.0 左右。Y.Li 等27将锂离子电池浸入氟化液冷却剂中,在 4 C 的放电倍率下,温度仅升高 5.0,同时,提高了池沸腾的 HTC,即使在 7 C 的放电倍率下,温度也能保持在 34.5 以下。M.Al-Zareer 等28采用 R134a 冷却液作为沸腾池内的介质,模拟出电池表面被 R134a 不同程度覆盖时,在 600 s 充放电周期内的温度变化情况。在覆盖率为 0 和 100%时,电池均温性能最好,温度分别为 40.0 和 30.7;在其他情况下,电池均温性能随着覆盖率的上升而提高,温度随着覆盖率的上升而下降。2.2 整车条件下的实验与模拟为进一步验证池沸腾技术在电动汽车电池模组冷却中933电池BATTERY BIMONTHLY第 53 卷的应用,进行整车条件下的实验研究是更直接有效的验证方式,但由于技术难度与实验条件的限制,相关研究较少。M.Al-Zareer 等29建立混动汽车池沸腾电池模组冷却系统模型,同时以丙烷作为混动汽车的能源与电池模组冷却液。当丙烷覆盖电池模组表面的 5%和 30%时,以 4 C 循环,在 600 s 的充放电周期内,电池模组的最高温度分别保持在35 和 34 以下,平均温度分别保持在 33 和 30,同时,增加丙烷饱和压力,可提高电池组的均温性能。考虑到不同冷却液对电池模组冷却效果的影响不同,M.Al-Zareer 等30以液态氨代替丙烷作进一步研究,以 4 C循环,在 600 s 的充放电周期内,电池覆盖 5%的情况下,可将电池模组的最高温度控制在 33 以下,最大温差和平均温度分别小于 12 和 28,具有较大的应用潜力。为了提高研究的真实性,M.Al-Zareer 等31将具有松弛期的高强度驱动循环和真实的 Artemis 循环考虑在内,将电池模组浸泡在 R134a 冷却液中,采用紧凑型电池模组排列方式。结果表明,电池模组 80%浸泡在冷却液的情况下,在高强度驱动循环工况下,最高温度可控制在 35.0 以下,温差在 4.0 以内;而在更为真实的 Artemis 循环工况下,最高温度为 31.5,温差控制在 2.0 以内。M.Al-Zareer32将增材制造技术应用于 TMS,在冷却通道中嵌入散热片,模拟电池模组在 23 C 放电倍率下的温度变化。在 2 C 和 3 C 的工况下,电池模组的最高温度分别为22.8 和 24.5,最大温差分别不超过 1.5 和 4.5;同时,表现出增材制造技术具备的结构复杂性和创新性,及在TMS 中应用的潜力。3 研究展望池沸腾在电动汽车电池模组冷却技术中的应用具有一定的优势,但相关研究较少,特别是将池沸腾应用于整车系统的测试研究更少,且有关池沸腾的换热机理研究有所缺失。本文作者总结国内外关于池沸腾的研究现状及方法,认为在将池沸腾冷却技术应用到电动汽车电池冷却方面,可从以下几点开展进一步的研究:针对影响池沸腾 HTC 的因素,进行进一步的实验研究。如增加表面涂层技术,不但改变表面结构,也改变表面粗糙度、湿润性等,同时,加大如纳米流体等材料对池沸腾换热影响的研究,寻找环保、高效、可循环的池沸腾冷却介质。加大对沸腾换热机理的研究。通过理论与实验相结合的方式,探究池沸腾换热的规律特性,总结相关实验经验,归纳出适用范围广、准确度高的池沸腾换热关联式,为沸腾换热提供强有力的理论支撑。将已有的池沸腾换热研究成果,应用到电池模组冷却中。如开发适合电池模组换热的池沸腾 TMS,通过选取安全可靠的冷却剂、制造适当的电池模组表面结构、设定合适的饱和压力等,增加池沸腾的换热效率,以开发高效、可靠的电池模组散热系统。针对池沸腾电池模组冷却系统进行进一步研究。将池沸腾电池模组冷却系统置于整车中,进行整体规划、设计和测试,以便与整车的动力性能、安全性能和热管理性能等匹配,同时,适应智能网联汽车的发展,满足电池模组温度可监、可测和可控的要求,并配备危险应急预测方案等。4 结论本文作者综述影响池沸腾 HTC 的影响因素并归纳提高池沸腾 HTC 的方法;重点介绍池沸腾冷却技术在电动汽车电池模组冷却中的应用;最后,针对池沸腾及在电池模组中的应用做出研究展望,为相关研究提供指导。随着智能网联汽车的发展与普及,以及高性能动力电池的发展与应用,基于池沸腾的电池模组 TMS 是未来研究的热点。同时,对于电池模组的回收利用、冷却剂的循环使用与环保问题,也将是讨论的重点课题。参考文献:1 刘小杰,张英,刘洋,等.锂离子电池热管理系统综述J.电池,2022,52(2):208-212.LIU X J,ZHANG Y,LIU Y,et al.A review on thermal management system for Li-ion batteryJ.Battery Bimonthly,2022,52(2):208-212.2MOE M,ZUPANCIC M,GOLOBIC I.Investigation of the scatter in reported pool boiling CHF measurements including analysis of heat flux and measurement uncertainty evaluation methodologyJ.Appl Therm Eng,2020,169:114938.3 王翔.真空池沸腾换热特性研究及电池模组应用D.扬州:扬州大学,2022.WANG X.Research on boiling heat transfer characteristics of va-cuum cell and application of battery moduleD.Yangzhou:Yang-zhou University,2022.4LIU H L,WANG J,GU Z H,et al.Enhancement of pool boiling heat transfer using 3D-printed groove structureJ.Int J Heat Mass Transf,2022,183:122155.5 JIANG H T,YU X Y,XU N,et al.Effect of T-shaped micro-fins on pool boiling heat transfer performance of surfacesJ.Exp Therm Fluid Sci,2022,136:110663.6 CHAUHAN A,KANDLIKAR S G.Geometrical effects on heat transfer mechanisms during pool boiling in dual tapered microgap with HFE7000J.Int J Heat Mass Transfer,2022,183:122165.7 FAN X G,GU S Y,LEI J S.Experimental and analytical study on the influence of saturation pressure and surface roughness on pool boiling CHF of HFE-7100J.Int J Chem Eng,2022,4875208.8HUANG G H,TANG K R,YU S D,et al.Enhanced pool boiling heat transfer by metallic nanoporous surfaces under low pressureJ.Int J Heat Mass Transf,2022,184:122382.9 SHAH B A,SHAH K,LAKHERA V J.Experimental study on nu-cleate pool-boiling heat transfer of R141B over plain and micro-finned cylindrical surfaces at different pressures J.Multi Sci Tech,2022,34:67-94.10 马强,吴晓敏,朱毅.表面润湿性对核态池沸腾影响的实验研究J.工程热物理学报,2019,40(3):635-638.043第 3 期刘 炜,等:电池模组冷却用池沸腾传热技术研究进展MA Q,WU X M,ZHU Y.Experimental investigation of the effect of surface wettability on nucleate pool boilingJ.Journal of Engi-neering Thermophysics,2019,40(3):635-638.11 LI Q,ZHAO J H,SUN X Z,et al.Experimental investigation of pool boiling heat transfer on pillar-structured surfaces with different wet-tability patternsJ.Appl Therm Eng,2022,215:118924.12 柴永志,张伟,赵亚东,等.润湿性对微纳复合结构表面池沸腾换热的影响J.高校化学工程学报,2017,31(4):984-990.CHAI Y Z,ZHANG W,ZHAO Y D,et al.Effects of wettability on pool boiling heat transfer of micro/nano-composite surfaceJ.Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities,2017,31(4):984-990.13 宋印东,徐静雅,马旭,等.二氧化硅与石墨烯混合纳米流体沸腾换热实验研究J.热能动力工程,2022,37(3):101-109.SONG Y D,XU J Y,MA X,et al.Experimental study on boiling heat transfer of SiO2 and graphene mixed nanofluidsJ.Journal of Engineering for Thermal Energy and Power,2022,37(3):101-109.14 DHRUV A,BALARAS E,RIAZ A,et al.A formulation for high-fi-delity simulations of pool boiling in low gravityJ.Int J Multiphas Flow,2019,120:103099.15 MOUSAVI F,ADIBI P,ABEDINI E,et al.Numerical investigation of surface roughness effect on pool boiling heat transfer of Al2O3/water nanofluidJ.J Mech Eng Sci,2022,236(3):1535-1549.16 DA CUNHA A P,MOGAJI T S,DE SOUZA R R,et al.A method for measuring contact angle and the influence of surface-fluid pa-rameters on the boiling heat transfer performance J.J Heat Transf,2020,142(9):091601.17 刘琦,陈瑜锐,吴玉新,等.盐水核态池沸腾传热及汽泡行为的实验研究J.工程热物理学报,2020,41(7):1694-1699.LIU Q,CHEN Y R,WU Y X,et al.Experimental study of nucleate pool boiling heat transfer and bubble dynamics in saline solutionJ.Journal of Engineering Thermophysics,2020,41(7):1694-1699.18 MUKHERJEE S,MISHRA P C,CHAUDHURI P.Pool boiling per-formance of aqueous Al2O3 and TiO2 nanofluids on a horizontally placed flat polished surface:an experimental investigation J.Therm Anal Calorim,2021,146:415-433.19 CHEN Y F,FANG X D,LI X H,et al.Investigation of nucleate pool boiling heat transfer of water on platinum wire under hyperg-ravity and earths gravityJ.Microgravity Sci Tec,2022,34(3):31.20 郭俊,李双菲,陈彦君,等.非均匀电场强化水的池沸腾传热特性实验研究与分析J.工程热物理学报,2022,43(3):788-796.GUO J,LI S F,CHEN Y J,et al.Experimental study and analysis of water pool boiling heat transfer enhanced by non-uniform electric fieldJ.Journal of Engineering Thermophysics,2022,43(3):788-796.21 LI X X,HE F Q,ZHANG G Q,et al.Experiment and simulation for pouch battery with silica cooling plates and copper mesh based air cooling thermal management systemJ.Appl Therm Eng,2019,146:866-880.22 TANG W,DING H,XU X M,et al.Research on battery liquid-cooled system based on the parallel connection of cold platesJ.J Renew Sustain Eng,2020,12:045701.23 YUAN W,YAN Z G,TAN Z H,et al.Heat-pipe-based thermal management and temperature characteristics of Li-ion batteriesJ.Can J Chem Eng,2016,94:1901-1908.24 WANG Y A,WANG Z K,MIN H T,et al.Performance investigation of a passive battery thermal management system applied with phase change materialJ.J Energy Stor,2021,35:102279.25 VAN GILS R W,DANILOV D,NOTTEN P H L,et al.Battery ther-mal management by boiling heat-transfer J.Energ Convers Manage,2014,79:9-17.26 HIRANO H,TAJIMA T,HASEGAWA T,et al.Boiling liquid bat-tery cooling for electric vehicleC/2014 IEEE Conference and Expo Transportation Electrification Asia-Pacific(ITEC Asia-Paci-fic).IEEE,2014:1-4.27 LI Y,ZHOU Z F,HU L M,et al.Experimental studies of liquid im-mersion cooling for 18650 lithium-ion battery under different dis-charging conditionsJ.Case Stud Therm Eng,2022,34:102034.28 AL-ZAREER M,DINCER I,ROSEN M A.Heat and mass transfer modeling and assessment of a new battery cooling systemJ.Int J Heat Mass Transf,2018,126:765-778.29 AL-ZAREER M,DINCER I,ROSEN M A.A novel phase change based cooling system for prismatic lithium ion batteriesJ.Int J Refrig,2018,86:203-217.30 AL-ZAREER M,DINCER I,ROSEN M A.Development and evalu-ation of a new ammonia boiling based battery thermal management systemJ.Electrochim Acta,2018,280:340-352.31 AL-ZAREER M,DINCER I,ROSEN M A.A thermal performance management system for lithium-ion battery packsJ.Appl Therm Eng,2020,165:114378.32 AL-ZAREER M.Numerical study of flow and heat transfer perfor-mance of 3D-printed polymer-based battery thermal managementJ.Int J Heat Mass Transfer,2020,158:119995.收稿日期:2022-11-24电池杂志投稿邮箱广大作者、读者敬请留意,电池目前只开通了邮箱投稿,投稿邮箱为:tougao ;batterie 143