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微乳液脉动热管应用于锂离子电池的散热性能_高婷婷.pdf
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1、化工进展Chemical Industry and Engineering Progress2023 年第 42 卷第 3 期微乳液脉动热管应用于锂离子电池的散热性能高婷婷,蒋振,吴晓毅,郝婷婷,马学虎,温荣福(大连理工大学化工学院,辽宁 大连 116024)摘要:利用11弯管的脉动热管作为汽车锂离子电池的散热系统进行传热实验。在脉动热管中引入不同比例的混合工质H2O、全氟丁基甲基醚(HFE-7100),在模拟单体锂离子电池不同发热功率下展开传热实验,实验结果表明,微乳液工质可以有效避免高发热功率下脉动热管出现局部烧干的现象,防止电池表面温度过高发生热失控。使用水包油(O/W)型微乳液工质(0
2、.048%SDBSHFE-7100=11)时传热性能最理想,并且可以保证锂离子单体电池正常工作(2030W)时,温度不超过40,表面温差低于1.8,在单体电池高发热功率(4050W)时,电池局部温度不超过56,电池表面的平均温度不超过55。关键词:脉动热管;表面活性剂;混合工质;乳液;传热性能中图分类号:TK172.4 文献标志码:A 文章编号:1000-6613(2023)03-1167-11Experimental investigation on lithium-ion battery heat dissipation performance of oscillating heat pi
3、pe with micro-nano emulsionGAO Tingting,JIANG Zhen,WU Xiaoyi,HAO Tingting,MA Xuehu,WEN Rongfu(Institute of Chemical Engineering,Dalian University of Technology,Dalian 116024,Liaoning,China)Abstract:The oscillating heat pipe(OHP)with 11 bends was employed to the heat dissipation system of the lithium
4、-ion battery.Different proportions of hybrid fluids(H2O and HFE-7100)were introduced into the oscillating heat pipe,and the heat transfer experiment was carried out at different heating loads to simulate a lithium-ion battery.The experimental results showed that micro-emulsion can effectively avoid
5、the occurrences of partial drying at high heating loads and prevent thermal control due to the high temperature of the battery surface.Best heat transfer performance was obtained at oil in water(O/W)type micro-emulsion(0.048%SDBSHFE-7100=11)and could ensure the normal operation of lithium-ion monome
6、r battery(2030W),and the temperature did not exceed 40 and the surface temperature difference was less than 1.8.With the high heating loads of the monomer battery(4050W),the local temperature of the battery was below 56 and the average temperature of the battery surface was below 55.Keywords:oscilla
7、ting heat pipe;surfactant solution;hybrid fluids;emulsion;heat transfer performance近年来化石燃料大量燃烧突显出的环境问题日益严重,针对新能源汽车相关的电池能源技术的研究呈现不断上升的趋势。新能源汽车发展过程中出现了发动机采暖难1、电池温控2以及空间利用率研究开发DOI:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-0809收稿日期:2022-05-05;修改稿日期:2022-06-12。基金项目:国家自然科学基金(51836002);中央高校基本科研业务费项目(DUT20LAB139)。第一作者
8、:高婷婷(1998),女,硕士研究生,研究方向为脉动热管性能。E-mail:。通信作者:郝婷婷,副教授,硕士生导师,研究方向为微系统强化传热。E-mail:。引用本文:高婷婷,蒋振,吴晓毅,等.微乳液脉动热管应用于锂离子电池的散热性能J.化工进展,2023,42(3):1167-1177.Citation:GAO Tingting,JIANG Zhen,WU Xiaoyi,et al.Experimental investigation on lithium-ion battery heat dissipation performance of oscillating heat pipe wi
9、th micro-nano emulsionJ.Chemical Industry and Engineering Progress,2023,42(3):1167-化工进展,2023,42(3)低等难题,本文重点讨论温控问题。锂离子电池作为电动汽车的动力源,必须要有较长的寿命3和使用耐久性。在电动汽车使用过程中出现的高温现象会加速电池的老化,导致寿命急剧缩短4-5,但是在低温下发动机会出现启动故障,电池效率大大降低6。当电池表面温度大于90,电池负极的保护固 体 电 解 质 相 界 面(SEI,solid electrolyte interphase)膜发生分解放热反应,产生大量高温且有毒的
10、浓烟,发生不可控的热安全事故7-8。因此,根据电动汽车锂离子单体电池发热特性,电池工作温度不得超过60。在单体电池正常工作时保持电池表面的温度均匀性(05)和正常工作性能的温度范围(2040)9至关重要。使用脉动热管作为电动汽车电池的热管理系统进行有效地散热,是电动汽车安全运行的保证。脉动热管作为一种新型高效散热设备,在电池冷却方面有良好的应用前景,脉动热管主要依靠液塞和气塞互相作用,以显热为主、潜热为辅进行传热10。脉动热管的传热性能主要受其自身的结构、倾斜角度、工质种类等因素影响。Swanepoel11通过良好的设计(合适的通道宽度、使用工质氨水)发现脉动热管应用于汽车电池热管理的效果较好
11、。Rao等12设计振荡热管(OHP)冷却式电池热管理(BTM)系统,使用丙酮作为工质进行实验研究,在满足OHP竖直放置、电池电极靠近冷凝段放置、OHP的启动温度必须低于电池达到最大表面温差之前的温度时,OHP 散热效果较为理想。Wang等13设计了相变材料/振荡热管(PCM/OHP)耦合式冷却系统,发现当电极靠近冷凝段时,OHP冷却系统的冷却效果优于基于PCM/OHP的冷却系统。Chi 等14将电动汽车锂离子电池放置于振荡热管(OHP)顶部,采用顶部加热/底部冷却的模式,使用乙醇作为工质,研究发现该模式下振荡热管的热性能主要取决于充液量,并且脉动不均匀的特性也会影响传热效果。在脉动热管的填充工
12、质种类中,寻找低流动阻力、低黏度、高(dp/dT)sat、高潜热15-17的工质是目前解决脉动热管难启动、低传热的方法之一。然而单一的工质无法同时满足这些条件,因此可以使用合适比例的混合工质来提高脉动热管的传热性能。混合工质可分为均相混合工质和非均相混合工质两类,其中均相混合工质主要包括水、丙酮、乙醇等组成的二元或三元混合物18-19,非均相混合工质主要包括纳米流体20-21、不互溶工质22-23、纳米乳液等24-25。在不互溶工质中加入低浓度的表面活性剂能够制得微纳乳液26,乳液具有强化传热的能力,不易烧干且稳定性较好,易于大量配置。Han等24研究了FC-72包水(油包水)型纳米乳液的传热
13、性能,发现该乳液比热容相对于纯 FC-72 提高了100%以上。屈健等25使用低浓度表面活性剂水溶液将水/FC-72形成油包水型纳米乳液,发现其可显著降低脉动热管冷热段温差。目前对于微乳液的研究较少,对其强化传热的机理尚不清晰,还需要进一步探究。综上,使用表面活性剂十二烷基苯磺酸钠(SDBS)水溶液促使水和HFE-7100的混合工质形成稳定的水包油型微乳液,将其应用于脉动热管中通过与SDBS水溶液和HFE-7100比较,研究并分析了不同混合比例和功率下脉动热管传热能力的变化情况及原因,为脉动热管应用于锂离子电池的散热提供了可能。1 实验系统1.1 脉动热管的设计与加工本文采用11弯管的板式脉动
14、热管,尺寸如图1所示。该脉动热管由紫铜精密加工制作而成,其尺寸为36mm46mm3.5mm。22个截面为1mm1mm的正方形槽道由U形弯管连接,形成11弯管闭环脉动热管。脉动热管的总长为 44mm,其中蒸发段、绝热段、冷凝段的长度分别为15mm、10mm和19mm。将尺寸为34mm44mm1mm紫铜盖板与刻有脉动热管通道的紫铜底板使用模具压紧后放置于真空炉 900烧结为一体,避免出现槽道窜流现象。盖板上方有直径为 2mm 的进液口,蒸发段、冷凝段的测温点分别有3个,绝热段的测温点有两个。T1、T2、T3测蒸发段温度,T4、T5测绝热段温度,T6、T7、T8测冷凝段温度。实验流程主要包括11弯管
15、板式脉动热管、加热系统、冷却系统以及温度采集系统。冷却系统使用尺寸 20mm20mm36mm的水冷铜块,使用尺寸15mm15mm36mm紫铜加热块模拟(16.5Ah,3.2V)锂离子矩形电池单体放电发热状态,其中当电池放电03C时,单体电池发热量为030W,最大持续放电4C时,电池单体发热量为4050W,电池异常功率发热时,单体电池发热量超过50W。电池的发热量随使用情况变化。实验考察不同比例的混合工质在不同发热功率 11682023年3月高婷婷等:微乳液脉动热管应用于锂离子电池的散热性能下对脉动热管传热性能的影响。分别取质量分数0.048%SDBS水溶液与HFE-7100两种工质的体积比分别
16、为10、21、11、12、01,其中 10指单纯的0.048%SDBS水溶液(0.048%为质量分数,下同),01指纯HFE-7100。脉动热管的操作方式是垂直底部加热模式,倾斜角选为90,选择充液率为50%,避免脉动热管中的工作流体太少而过早烧干。加热系统通过连接直流电源(WFDC-60V/60A)进行热量输入,使用恒温循环水浴制冷机(巩义市予华仪器有限责任公司,DFY-10/25)连接紫铜冷却块组成脉动热管冷却系统,制冷剂为水,设定温度为15,流量为5L/min,通过数据采集系统(NI SCXI-1000)采集温度,采集频率为10次/s,热电偶经过校正后测量温度温差为0.1。使用刻有加热块
17、和冷凝块尺寸槽道的聚四氟乙烯模具和保温四氟盖板将脉动热管与加热块和冷凝块压紧封装,对整个脉动热管进行保温,降低热量损失。封装完成后使用真空泵(Leybold,D8C)将脉动热管内部抽至真空状态,实际情况存在极限压强为200Pa,之后利用压差将工质以一定充液率压入脉动热管管路中,充液率的不确定性为1.5%。脉动热管蒸发段的输入功率由直流电源调节电流和电压输入,实验中输入功率自 20W 起始,按照10W/20min 的增量调节输入功率,最高为 110W。调节输入功率之后,蒸发段温度会在10min内呈现先上升趋势,1020min内趋于平稳保持恒定。因此脉动热管的热性能指标如下。(1)发热功率Qe(W
18、)计算见式(1)。Qe=UI(1)直 流 电 源 加 热 功 率 的 精 度 分 别 为 0.15V、0.015A。当 设 置 功 率 是 60W 时,输 出 电 压 为21.3V,输出电流为2.8A,则蒸发段输入功率的相对不确定性如式(2)所示。QeQe=()UU2+()II2=0.89%(2)(2)热通量q(kW/m2)计算见式(3)。q=QeAe,eff(3)本文脉动热管横截面积形状为1mm1mm的正方形,有效面积是底面和两个侧面面积之和。图1紫铜板式脉动热管系统 化工进展,2023,42(3)(3)有效热导率keffW/(mK)计算见式(4)。keff=QeLtotalAe,eff()
19、Te-Tc(4)(4)热阻R(/W)计算见式(5)。R=Te-TcQe(5)式中,Te为脉动热管蒸发段的平均温度;Tc为脉动热管冷凝段的平均温度。其计算分别见式(6)、式(7)。Te=i=13Ti(6)Tc=i=68Ti(7)在加热功率为60W时,蒸发段平均温度和冷凝段平均温度差值最小为19.82,热阻的相对不确定性见式(8)。RR=()TeTe-Tc2+()TcTe-Tc2+()QeQe2=1.1%(8)1.2 工质物性参数本文使用水、HFE-7100、0.048%SDBS 水溶液,其中,HFE-7100和0.048%SDBS水溶液的物性参数见表1。SDBS为常见的阴离子表面活性剂,在水中添
20、加 至 临 界 胶 束 浓 度(CMC,critical micelle concentration)0.048%,其水溶液的表面张力逐渐降低,再增加SDBS的浓度,发现其水溶液表面张力不再有明显变化,SDBS分子会逐步团簇形成胶束,黏度增大阻碍水溶液在脉动热管中的振荡运动,因此本文使用0.048%SDBS水溶液进行传热实验。分别取纯水、0.02%、0.03%、0.04%、0.05%、0.06%、0.07%(均为质量分数)的SDBS水溶液,使 用 接 触 角 测 量 仪(Dataphysics Co.,OCA25-PMC750)每组测定10次表面张力,取平均值作为相应浓度下的表面张力如图2所示
21、,发现质量分数0.048%符合文献中所说的临界胶束浓度0.001200.00215mol/L27,30。乳液是一种极不稳定的分散体系,一般情况下分为油包水(W/O)或者水包油(O/W)两种类型,水和HFE-7100混合工质在脉动热管中反复振荡运动时,水油充分混合形成乳液从而提升脉动热管的传热性能。但该乳液极不稳定,因此选择SDBS作为稳定乳液体系的乳化剂,降低乳液微滴表面吉布斯自由能。由于 HFE-7100 的表面张力(13.6mN/m)极低,表面能远低于 SDBS 水溶液,更易被分散成小液滴31,亲水亲油平衡值(HLB,hydrophile lipophilic balance)810 范围
22、内的表面活性剂一般作为O/W乳化剂32,SDBS的HLB大于10属于亲水型阴离子表面活性剂,因此在脉动热管工质中存在的是水包油型微乳液,几乎不存在油包水微滴。0.048%SDBSHFE-7100=11混合工质在混合前静置出现明显的分层现象,如图3(a)所示,这是由于水在油相(HFE-7100)中溶解度极小,为了更方便地观察水包油微滴形态,对SDBS水溶液进行染色处理(滴入一滴稀NaOH溶液,加入酚酞溶液整体变红,酚酞或NaOH不溶于HFE-7100),使用0.048%SDBS/水HFE-7100=11混合工质依次注入11弯管1mm1mm脉动热管中以保证实验条件相同的情况,使用透明聚碳酸酯盖板代
23、替紫铜盖板进行可视化实验,如图3(b)、(c)所示,在直流电源加热功率50W时使用高速摄像(Photron Ultima APX-RS)能够清晰观察到含有SDBS的混合工质稳定的乳液形态,而不含SDBS的混合工质还是处于分层状态。将含有SDBS的混合工质取出,使用显微镜(尼康Nikon,DS-Ri2)观察其中分子形态表1HFE-7100和0.048%SDBS水溶液的物性参数27-30物性沸点/熔点/蒸汽压力/mmHg密度/kgm3比热容/Jkg1K1表面张力/mNm1潜热/kJkg1黏度/PasHFE-710061135202(25)1520117213.61266.383104(20)0.0
24、48%SDBS水溶液1000760(100)1000412533.32256.71.05103(20)注:1mmHg=133.322Pa。图2SDBS水溶液表面张力 11702023年3月高婷婷等:微乳液脉动热管应用于锂离子电池的散热性能如图4所示,液滴轮廓隐现粉红色,说明其为水包油微滴。其中,水包油微滴粒径分布如图5所示,统计了600个水包油微滴发现大部分直径集中在0100m之间,说明粒径分布较为均匀,微乳液较稳定。表面活性剂的存在不仅降低了水的表面张力,使流动阻力减小,同时也成为维持乳液稳定的乳化剂,如图6所示。混合工质在脉动热管中往复振荡运动易形成水包油(O/W)型微乳液,而水油不相溶原
25、理导致乳液中水分子与油分子聚合力不均匀,乳液极不稳定。表面活性剂既有亲水头又有疏水尾,亲水的同时也具有亲油的特性,增强了水/油分子之间的黏附力,水油界面张力减小,另外使用离子型表面活性剂给予充足的电荷,使水包油液滴图3非共沸不互溶混合工质的混合实物图40.048%SDBSHFE-7100=11水包油微滴显微镜照片图50.048%SDBSHFE-7100=11水包油微滴粒径分布 化工进展,2023,42(3)表面同性液滴之间存在静电斥力,各同性水/油分子聚集交换运动减慢,达到了乳液稳定平衡的状态。另外,乳液的稳定性不仅与水油分子的数量和性质有关,还取决于乳化剂分子的数量和性质,一般来说乳液中表面
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