沸腾是指液体内部产生气泡进行汽化的过程。这是一种非常有效的散热方法。它传热速率高,要求传热温差小。沸腾冷却用于大功率电子元件的热管理,也用于内燃机冷却。沸腾传热电池热管理方法有望解决锂离子电池热失控问题波音 787 飞机辅助动力舱中的模块。池沸腾是沸腾换热装置使用的主要物理机制,将沸腾控制在设定的沸程范围内非常重要。由于波动和不确定的传热负载,控制沸腾间隔非常具有挑战性,因此在电池热管理中,必须实时调节沸腾过程。沸腾受流体与发热体结合方式、表面粗糙度、系统压力等因素的影响。沸腾传热分为池内沸腾和管内沸腾。随着传热功率和温差的增加,池沸腾进一步分为四个区:自然对流区、核态沸腾区、过渡沸腾区和薄膜沸腾区。
图 1 - 水池沸腾时表面热流与表面过热度之间的关系
沸腾冷却在单体电池热管理中的应用还处于初步实验阶段,研究者寥寥无几。荷兰van Gils等人。使用实验方法研究池沸腾控制电动汽车电池热性能的能力。选用不导电的Novec7000作为沸腾工质(化学成分为C 3 F 7 OCH 3 ,纯度99.5%,1-甲基7-氟丙烷,标准条件下沸点34℃)。
他们的实验分为以下四个部分:沸腾介质的选择、冷却能力的测试、温度均匀性的测试、沸腾过程的控制。第一步,将电池完全浸没在1个大气压的工作介质中(1个大气压=1.01325×10 5霸)。工质装在双壁容器内,两壁之间通有恒温水,对沸腾的工质进行预热。同时使用温度传感器测试电池顶部、底部和中部温度,以及环境温度和工作液温度,并进行5C恒流放电实验,测试Novec7000液冷散热能力,并与风冷对比。结果如图 2(a) 所示。放电末期,电池温升小于5℃,液体不开始沸腾,传热方式为自然对流。第二步,利用装置上的容积/压力控制活塞来控制容器内的压力,温度传感器用于测量电池顶部和底部的温度以及液体的温度。首先进行了电流大小为5A的长时间脉动充放电实验,周期为180s。此时电池的发热率达到最大值,用于测试沸腾冷却的均热能力。当容器壁温为33℃并进行沸腾冷却时,电池顶部和底部的温度几乎相等,如图2(b)所示,表明沸腾冷却具有很强的均热能力. 沸腾过程受容器内压力的影响,降低压力可以增加沸腾的强度,这表明,原则上,调节压力可以有效及时地控制沸腾。在电池不同产热负荷的情况下,需要调整合适的压力进行冷却控制。
图 2 - 沸腾冷却结果
对于电池组的液体沸腾冷却,目前国外还没有人进行过相关研究。温度一致性问题在大电池包中更为突出。中间某个部位过热,不仅会逐渐增大整个电池组的温差,大大降低循环寿命,还会进一步增加电池的产热,引起热失控。沸腾冷却在可控温度和均匀受热方面具有很大优势,且控制方便灵活,沸腾冷却在大型电池包热管理中的成功应用前景广阔。