基于Z型微热管阵列的顶部液冷热管理系统实验研究
背景介绍
随着经济和技术的进步，全球变暖、环境污染、能源短缺等问题日益严重。世界各国都在大力发展新能源产业来解决上述问题。因此，汽车制造商逐渐将研发重点从燃油汽车转向电动汽车（EV）。近年来，锂离子电池发展迅速，被广泛用作电动汽车的电源。与其他类型电池相比，锂离子电池具有无污染、能量密度高、循环寿命长等优点，但其性能受温度影响严重。温度每升高1℃，锂离子电池的循环寿命就会缩短2个月。大量研究表明，LIB的最佳工作温度为25-40℃。此外，锂离子电池的性能还受到温度均匀性的影响，单个电池的最大温差不能超过5℃。而且，当多个锂离子电池串联或并联组成电池模块时，模块的最大温差不应超过5℃。因此，有效的TMS对于电动汽车来说至关重要，确保电池的温度和温差在合理的范围内，以保证锂离子电池的性能。
目前，风冷式TMS和液冷式TMS在电动汽车中得到广泛应用。风冷式TMS根据是否有风扇分为强制风冷式TMS和自然对流风冷式TMS，风冷式TMS因其结构简单、成本低、重量轻而得到广泛应用。然而，近年来随着锂离子电池核心技术的突破，锂离子电池的容量和所需的充放电倍率不断提高。因此，锂离子电池的发热率和热失控风险也在增加。因此，由于空气的比热容和导热系数较低，风冷TMS已无法满足当前的热管理要求。液冷TMS因其强大的冷却能力，近年来发展迅速。但传统的底部液冷热管理系统（TMS）散热性能较差，容易导致锂离子电池（LIB）模块出现明显温差。
02
近期，北京工业大学赵耀华老师团队以Z型微热管阵列（MHPA）为核心传热元件，建立了基于Z型MHPA的顶部液冷（TLC）TMS。通过与传统底部液冷TMS的比较，分析了基于Z形MHPA的TLC TMS的热管理性能。结果表明，在环境温度40℃、冷水入口温度25℃的条件下，底部液冷TMS已无法满足模块2C充放电倍率下的热管理要求。相比之下，基于Z型MHPA的TLC TMS可保证模组最高温度低于55℃，3C充放电倍率下电池与模组液面温差可控制在4℃以下。基于Z型MHPA的TLC TMS不仅能有效延缓高充放电倍率下电池的温升，还能显着降低温差；其热管理性能明显优于底部液冷TMS。研究成果以“Experimental study on top liquid-cooling thermal management system based on Z-shaped micro heat pipe array”为题发表于《Energy》。
图1 基于z型MHPA的薄层色谱TMS轮廓图
图5 基于z形MHPA的TLC TMS的工作原理
图6 实验设备图：(a)实验系统图和(b)实验设备的实际照片
图7 Z型MHPA实验试验及监测点布置图
图8 不同充放电速率下电池模块的瞬时最高温度变化
END
