采用相變熱開(kāi)關(guān)的軟包電池?zé)峁芾硌芯?/h1>
2022-11-09 10:13:56王澤旭賀可寒孫晨李凱璇巨星
發(fā)電技術(shù) 2022年5期
王澤旭，賀可寒，孫晨，李凱璇，巨星
（電站能量傳遞轉(zhuǎn)化與系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué))，北京市 昌平區(qū) 102206）
0 引言
鋰離子電池的最佳工作溫度區(qū)間為25～40℃[1-6]，超過(guò)該范圍，會(huì)造成放電效率降低、使用壽命縮短、電池容量下降等不良反應(yīng)。當(dāng)電池自身溫度過(guò)高時(shí)，電池內(nèi)部的壓力和溫度急劇上升，最終導(dǎo)致熱失控情況的發(fā)生，引發(fā)起火爆炸等事故[7-9]。因此，如何對(duì)電池設(shè)計(jì)有效可行的熱管理系統(tǒng)成為目前研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)。
電池?zé)峁芾碇荚谑闺姵亟M工作溫度穩(wěn)定在合理區(qū)間并具有一致性，既包括在低溫環(huán)境下工作的保溫供熱，也包括在高溫環(huán)境中的散熱冷卻[10]。針對(duì)低溫加熱保溫問(wèn)題，目前主要分為內(nèi)部加熱與外部加熱兩大類，內(nèi)部加熱主要有電池自身系統(tǒng)加熱等，外部加熱主要有正溫度系數(shù)(positive temperature coefficient，PTC)加熱，以及氣體液體加熱等。如，針對(duì)鋰離子電池組設(shè)計(jì)的二氧化硅氣凝膠板保溫外殼[11]，通過(guò)降低保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)可以顯著提高保溫效果，滿足短暫停車的保溫需求。針對(duì)電池組高溫散熱問(wèn)題，目前采取的熱管理方式主要有空冷式、液冷式、相變材料(phase change materia，PCM)冷卻和熱管冷卻等方式[12]?？绽涫嚼鋮s系統(tǒng)以空氣作為冷卻介質(zhì)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能耗低等特點(diǎn)，但由于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)較低，在電池高倍率放電時(shí)冷卻效果往往較差，電池組存在溫度分布不均、溫差較大的問(wèn)題[13]，常需要通過(guò)增加導(dǎo)流板來(lái)增強(qiáng)對(duì)空氣的引導(dǎo)作用，以改善散熱效果[14]。液冷式系統(tǒng)具有良好的散熱效果，但由于流體的流動(dòng)阻力較大，相較于空冷，在同樣的流速下液冷會(huì)消耗更多的泵功，造成能耗增加。液體的密封與保存同時(shí)也增加了換熱結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，熱管理系統(tǒng)的成本也會(huì)隨之增加[15]，目前液冷研究多集中于對(duì)不同形態(tài)冷板的優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面[16-22]?；谙嘧儾牧系碾姵?zé)峁芾矸椒ㄒ蚓哂辛己玫目販匦Ч饛V泛關(guān)注。在電池溫度升高時(shí)，相變材料通過(guò)相變的方式利用自身潛熱吸收電池產(chǎn)生的多余熱量來(lái)調(diào)控電池溫度，當(dāng)環(huán)境溫度過(guò)低時(shí)，相變材料也可釋放存儲(chǔ)的熱量，使電池工作在合適的溫度區(qū)間。相變材料與液冷[23]、熱管[24]等方式相結(jié)合，能夠取得良好的控溫效果，將電池溫度控制在合理的工作區(qū)間的同時(shí)起到保溫蓄熱的效果。
近年來(lái)，新型熱管理元件例如熱開(kāi)關(guān)、熱調(diào)節(jié)器和熱二極管等得到了傳熱領(lǐng)域?qū)W者的廣泛關(guān)注[25]。熱開(kāi)關(guān)是利用與溫度有關(guān)的機(jī)械接觸或依靠改變氣體、液體對(duì)流換熱方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度調(diào)控的一種裝置，通過(guò)開(kāi)關(guān)的“閉合/斷開(kāi)”來(lái)實(shí)現(xiàn)裝置在不同導(dǎo)熱系數(shù)間的切換，調(diào)節(jié)傳熱過(guò)程中熱流的大小，進(jìn)而根據(jù)不同的溫度條件實(shí)現(xiàn)裝置的散熱或保溫效果。當(dāng)溫度高于工作區(qū)間的溫度上限時(shí)，熱開(kāi)關(guān)閉合，裝置導(dǎo)熱系數(shù)提高，熱量在冷端與熱端間高效傳遞，熱開(kāi)關(guān)裝置作為散熱裝置運(yùn)行；當(dāng)溫度低于工作區(qū)間的溫度下限時(shí)，熱開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，裝置導(dǎo)熱系數(shù)降低，熱端與冷端有效隔離，進(jìn)一步防止裝置的熱量散失，起到絕熱保溫的作用。熱開(kāi)關(guān)在閉合和斷開(kāi)狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)之比稱為“開(kāi)關(guān)比”，以此來(lái)衡量熱開(kāi)關(guān)的溫度調(diào)節(jié)效果。如Wang等[26]基于石蠟等相變材料發(fā)生相變時(shí)體積膨脹的特性，設(shè)計(jì)了一種機(jī)械接觸式熱開(kāi)關(guān)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，熱開(kāi)關(guān)閉合/斷開(kāi)時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)分別為188.7 W/(m·K)和6.2 W/(m·K)，開(kāi)關(guān)比大約為30∶1，能夠滿足不同溫度調(diào)節(jié)場(chǎng)景的需求。熱開(kāi)關(guān)?；诮饘偌昂辖鸬臒釕?yīng)變、材料的熱脹冷縮特性、材料相變所引起的體積變化等原理進(jìn)行開(kāi)發(fā)，目前在航空航天、電子設(shè)備、建筑等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[27]。采用熱開(kāi)關(guān)可以提高測(cè)量系統(tǒng)的溫度穩(wěn)定性，如李畏[28]將熱開(kāi)關(guān)技術(shù)應(yīng)用到低溫溫度計(jì)中提高溫度穩(wěn)定性進(jìn)而提高標(biāo)定精度。歐強(qiáng)[29]在溫差發(fā)電裝置與熱源間加入熱開(kāi)關(guān)，保證了較為穩(wěn)定的蓄熱端溫度，提高了溫差發(fā)電系統(tǒng)的有效性和穩(wěn)定性。此外，采用熱開(kāi)關(guān)可以顯著提高系統(tǒng)的工作效率，黨舒俊[30]將熱開(kāi)關(guān)應(yīng)用到光伏/溫差聯(lián)合發(fā)電中，通過(guò)熱開(kāi)關(guān)來(lái)控制光伏電池板與溫差電池組的貼合與分離，實(shí)現(xiàn)裝置在環(huán)境溫度發(fā)生波動(dòng)時(shí)的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，也解決了溫差較小時(shí)溫差電池?zé)犭娹D(zhuǎn)化效率低下的問(wèn)題。
熱開(kāi)關(guān)技術(shù)發(fā)展迅速，國(guó)內(nèi)外學(xué)者將其優(yōu)良的調(diào)節(jié)溫度特性應(yīng)用到電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)其極大程度地改善了電池組熱管理的控溫能力。Hao等[31]利用形狀記憶合金在溫度變化時(shí)產(chǎn)生固固相變的特性，開(kāi)發(fā)了一種用于鋰離子電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的熱開(kāi)關(guān)。當(dāng)電池溫度升高時(shí)，形狀記憶合金發(fā)生相變，推動(dòng)電池向空冷或液冷的壁面貼合，進(jìn)而加快電池散熱的速率。當(dāng)電池溫度降低后，形狀記憶合金恢復(fù)到原有的形狀，帶動(dòng)電池與冷板分離，起到了保溫蓄熱的作用。該裝置的開(kāi)關(guān)比可達(dá)2020∶1，極大程度地滿足了電池在不同外界溫度下的不同熱管理需求。該研究證實(shí)了熱開(kāi)關(guān)應(yīng)用于電池?zé)峁芾淼臐摿?，但目前電池?zé)衢_(kāi)關(guān)的有關(guān)研究仍非常少，對(duì)不同類型熱開(kāi)關(guān)的研究亟待進(jìn)一步開(kāi)展。
在電池的熱管理中，相變材料和熱開(kāi)關(guān)等技術(shù)的應(yīng)用為電池?zé)峁芾砑夹g(shù)的發(fā)展提供了新的潛在路徑。通常研究中所用相變材料多單純作為電池?zé)峁芾淼木彌_，用于在高低溫變化時(shí)延緩溫度下降或升高。這種方式在實(shí)際應(yīng)用中還需充分考慮相變材料溫度變化時(shí)膨脹收縮所導(dǎo)致的滲漏等問(wèn)題，有時(shí)采用復(fù)合材料或定形材料提升其運(yùn)行性能[32]。但若充分利用相變材料本身的物性特征，將相變材料溫度變化時(shí)膨脹收縮充分利用，構(gòu)成具有調(diào)控能力的熱開(kāi)關(guān)，可能會(huì)大幅提升電池的高低溫?zé)峁芾砟芰Α?/p>
因此，本文提出一種將熱開(kāi)關(guān)與相變材料耦合的新型鋰離子電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)并進(jìn)行分析研究。采用導(dǎo)熱系數(shù)較高，并且相變過(guò)程中體積變化較大的硬脂酸作為相變材料，利用相變過(guò)程中硬脂酸體積顯著變化這一特性，實(shí)現(xiàn)熱開(kāi)關(guān)閉合/斷開(kāi)，遲滯電池溫度上升/下降的速率。
1 相變熱開(kāi)關(guān)溫控的概念
相變材料是指物質(zhì)在轉(zhuǎn)變自身狀態(tài)的過(guò)程中，保持溫度不變并能吸收或釋放大量相變潛熱的特殊材料。相比于傳統(tǒng)的顯熱儲(chǔ)能與化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)能，采用相變材料的潛熱儲(chǔ)能具有安全性較高、工作溫度區(qū)間易于控制、儲(chǔ)熱密度大等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是儲(chǔ)存熱能最有效的形式[33]。因其優(yōu)越的儲(chǔ)能控溫性質(zhì)，相變材料已被廣泛應(yīng)用到電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)[34-39]。需要注意的是，雖然電池溫度升高的過(guò)程中相變材料可以有效地將電池溫度控制在相變材料的熔點(diǎn)附近，但受限于相變材料的質(zhì)量，當(dāng)相變潛熱被耗盡后電池溫度會(huì)急劇升高，此時(shí)則需要額外的熱管理方法來(lái)保證電池處于合理的溫度工作區(qū)間。
熱開(kāi)關(guān)作為熱量傳遞過(guò)程中調(diào)節(jié)熱流密度大小的裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)熱管理裝置在高導(dǎo)熱系數(shù)模式和低導(dǎo)熱系數(shù)模式間的被動(dòng)切換。當(dāng)系統(tǒng)溫度升高時(shí)，熱開(kāi)關(guān)閉合，使裝置與外界換熱過(guò)程中的等效導(dǎo)熱系數(shù)提高，整個(gè)裝置的熱量被有效地傳遞到外界；當(dāng)系統(tǒng)溫度降低時(shí)，熱開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，使裝置與外界換熱過(guò)程中的等效導(dǎo)熱系數(shù)降低，達(dá)到近似絕熱的目的，減少裝置的熱量損失。
相變材料可以分為無(wú)機(jī)相變材料和有機(jī)相變材料。無(wú)機(jī)相變材料有良好的導(dǎo)熱性能和較高的相變潛熱，但大多數(shù)的無(wú)機(jī)水合鹽相變材料都存在相分離和過(guò)冷的現(xiàn)象，影響了無(wú)機(jī)鹽的使用壽命和儲(chǔ)熱性能[35]。有機(jī)相變材料主要包括石蠟、脂肪酸及其低共熔物、醇類(乙二醇、多元醇)等，具有無(wú)過(guò)冷及析出現(xiàn)象、性能穩(wěn)定、無(wú)毒、無(wú)腐蝕的優(yōu)點(diǎn)，但導(dǎo)熱系數(shù)小、密度小、單位體積儲(chǔ)熱能力差等缺點(diǎn)也阻礙了其更廣泛的應(yīng)用[36]。并且，有機(jī)相變材料在相變的過(guò)程中密度會(huì)發(fā)生顯著的變化，在溫度升高時(shí)體積增大，在溫度降低時(shí)體積減小，因此可以為熱開(kāi)關(guān)的閉合與斷開(kāi)提供驅(qū)動(dòng)力。
本文提出一種將相變材料與熱開(kāi)關(guān)耦合的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)。當(dāng)電池溫度高于相變材料熔點(diǎn)時(shí)，相變材料熔化吸熱，將電池散發(fā)的熱量?jī)?chǔ)存到相變材料中。同時(shí)，相變材料由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，體積膨脹，熱開(kāi)關(guān)啟用，移動(dòng)銅板向冷板貼合，借助冷板來(lái)進(jìn)行輔助換熱。當(dāng)電池停止工作、溫度降至相變材料凝固點(diǎn)時(shí)，相變材料凝固放熱，體積縮小，熱開(kāi)關(guān)關(guān)閉，移動(dòng)銅板在彈簧的作用下與冷板脫離，使相變材料儲(chǔ)存的熱量最大程度地傳導(dǎo)給鋰離子電池，延長(zhǎng)電池處于正常溫度區(qū)間的時(shí)間，達(dá)到有效熱管理的目的。
整個(gè)電池組熱開(kāi)關(guān)的尺寸和結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。為了更清晰地展示電池組的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，頂部與底部封蓋以及為整個(gè)電池組提供機(jī)械支撐的外殼未在圖中展現(xiàn)。電池組由8個(gè)單體軟包鋰離子電池構(gòu)成，鋰離子電池周圍填充有機(jī)相變材料并與電池緊密貼合，以此更好地吸收和儲(chǔ)存鋰離子電池釋放的熱量。相變材料與移動(dòng)銅板直接接觸，移動(dòng)銅板與外殼接觸區(qū)域采用合理的密封圈密封方式，使移動(dòng)銅板與外殼緊密貼合，確保相變材料處于液態(tài)時(shí)不會(huì)產(chǎn)生漏液現(xiàn)象，也確保外界空氣不會(huì)漏入相變儲(chǔ)能材料區(qū)域。移動(dòng)銅板通過(guò)彈簧與冷板相聯(lián)結(jié)，銅板和冷板之間為空氣層，通過(guò)調(diào)節(jié)空氣層的厚度進(jìn)而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)等效導(dǎo)熱系數(shù)的目的。當(dāng)相變材料完全融化后，銅板與冷板完全貼合，當(dāng)相變材料凝固后，銅板又在彈簧的作用下逐漸脫離冷板，因此起到熱開(kāi)關(guān)的作用。
圖1 電池?zé)衢_(kāi)關(guān)裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of battery thermal switch device
研究采用硬脂酸作為有機(jī)相變材料，主要基于以下8點(diǎn)：1）相比于石蠟，硬脂酸具有更加優(yōu)越的儲(chǔ)熱與控溫性能；2）硬脂酸的引燃溫度高于石蠟，因此具有優(yōu)越的熱穩(wěn)定性及安全性；3）與石蠟相比，硬脂酸的導(dǎo)熱系數(shù)更高，具有良好的導(dǎo)熱性能，有利于熱量在相變儲(chǔ)能區(qū)域的快速傳遞；4）硬脂酸的潛熱和比熱較大，因此在同樣的質(zhì)量下可以儲(chǔ)存、吸收和釋放更多的熱量；5）硬脂酸在工業(yè)應(yīng)用中常作為潤(rùn)滑劑，并為移動(dòng)銅板開(kāi)關(guān)裝置提供潤(rùn)滑，減小熱開(kāi)關(guān)的開(kāi)啟/閉合過(guò)程受到的摩擦阻力；6）硬脂酸在相變的過(guò)程中體積會(huì)發(fā)生顯著變化，能夠增大熱開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)比；7）硬脂酸等有機(jī)相變材料具有不導(dǎo)電的特性，因此更適合作為熱管理的儲(chǔ)能材料；8）硬脂酸對(duì)人體無(wú)毒，并且成本相較于石蠟更加低廉，更適合大規(guī)模生產(chǎn)使用。
由于設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)具有周期性，在數(shù)值計(jì)算中選取基本結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行模擬和分析，簡(jiǎn)化后的模型如圖2所示。在模型中做如下假定：1）鋰離子電池為剛體，忽略鋰離子電池發(fā)生的體積變化；2）相變材料與電池間接觸良好，散熱過(guò)程不受接觸熱阻影響；3）彈簧的體積較小，忽略彈簧對(duì)導(dǎo)熱的影響。
圖2 包含電池的基本結(jié)構(gòu)單元模型Fig.2 Basic unit cell model including a battery
2 鋰離子電池及相變熱開(kāi)關(guān)數(shù)值模型
由于直接采用三維鋰離子電池模型包含多個(gè)物理場(chǎng)，數(shù)值計(jì)算工作量較大，因此有學(xué)者提出一種采用一維鋰離子電池電化學(xué)反應(yīng)模型與三維電池傳熱模型相耦合的方式進(jìn)行鋰離子電池產(chǎn)熱的數(shù)值計(jì)算[40-41]。本文采用這種方式來(lái)進(jìn)行電池生熱的模擬，在保證計(jì)算精度的同時(shí)提高計(jì)算效率。
2.1 鋰離子電池一維電化學(xué)模型
電池通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能，鋰離子電池的電化學(xué)反應(yīng)采用Doyle[42]開(kāi)發(fā)的一維鋰離子電池模型來(lái)模擬。圖3顯示了一維鋰離子電池模型。鋰離子電池由正極、負(fù)極和隔膜組成，正極材料為L(zhǎng)iMn2O4，負(fù)極材料為石墨，隔膜材料為L(zhǎng)iPF6(VEC∶VEMC=3∶7)。各個(gè)材料的參數(shù)見(jiàn)表1。正極SOC的工作區(qū)間在17.5%～99.5%。
圖3 一維鋰離子電池模型Fig.3 1D Lithium-Ion battery model
表1 鋰離子電池正負(fù)極材料主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of positive and negative electrode materials for lithium-ion battery
Doyle提出的一維鋰離子電池模型描述復(fù)合電極溶液相中的鹽濃度隨時(shí)間變化關(guān)系為
式中：ε是電解質(zhì)體積分?jǐn)?shù)；bs是電解質(zhì)鹽濃度；D是電解質(zhì)鹽擴(kuò)散系數(shù)；t是時(shí)間；a是比界面面積；下標(biāo)“+”代表正極；jn是鋰離子的孔壁通量，i2是電流密度；F=96 487 C/mol，為法拉第常數(shù)。它們的關(guān)系為
式中：k為電解質(zhì)導(dǎo)電率；R為通用氣體常數(shù)；T為溫度；為材料的活性相關(guān)性；φ2為電極液相的電勢(shì)。
復(fù)合電極的固相可以通過(guò)固相中的鋰濃度和固相中的電流密度的變化來(lái)描述：
式中：σ是電極的電導(dǎo)率；DLi是鋰離子在電極固相的擴(kuò)散系數(shù)；bLi是電極固相的鋰離子濃度；r是顆粒中心到表面的平均距離；φ1是電極固相的電勢(shì)。
電極的固相和液相通過(guò)在電極外半徑處定義的邊界條件和Butler-Volmer動(dòng)力學(xué)表達(dá)式進(jìn)行關(guān)聯(lián)，其可表示為：
式中：bLi是固體中的鋰濃度；bi是第i層電解質(zhì)鹽的濃度；U是開(kāi)路電壓；η是電極電位，可表示為
式(7)中的參數(shù)K表示正向反應(yīng)速率常數(shù)和反向反應(yīng)速率常數(shù)的乘積，K與插入過(guò)程交換電流密度有關(guān)，可表示為
式中bt為最大固相濃度。
2.2 鋰離子電池的生熱速率模型
表2和表3為鋰離子電池的相關(guān)物性。在整個(gè)放電和充電循環(huán)中，鋰離子電池中的溫度分布隨時(shí)間而變化。在任何時(shí)刻，電池的溫度都可以通過(guò)能量守恒方程得到，該方程為
表2 電池材料熱物性參數(shù)Tab.2 Thermophysical parameters of battery materials
表3 鋰離子電池參數(shù)Tab.3 Lithium-ion battery parameters
式中：Qgen表示電池因放電或充電而產(chǎn)生的熱量；ρb為電池的密度；cp，b為電池的比熱；Tb為電池的溫度；kb為電池的導(dǎo)熱系數(shù)。由于電池正極、負(fù)極和隔膜的組成材料不同，因此采用求取平均值的方法來(lái)計(jì)算電池的各項(xiàng)物性[43]，即
式中Li、ρi、cp，i分別表示組成電池的各種材料的厚度、密度及比熱。
對(duì)于鋰離子電池的導(dǎo)熱系數(shù)，通常采用串并聯(lián)熱阻法表示。在電池厚度方向上采用串聯(lián)熱阻法，即
式中ki為鋰離子電池各個(gè)組成部分的導(dǎo)熱系數(shù)。
在電池高度和長(zhǎng)度方向上，使用并聯(lián)等效熱阻法，即
式中kb，z、kb，x分別為鋰離子電池高度和長(zhǎng)度方向的導(dǎo)熱系數(shù)。
鋰離子電池在進(jìn)行充電或放電的電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生熱量。充電或放電電池的總發(fā)熱量等于電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量和電池內(nèi)阻產(chǎn)生的焦耳熱的總和，可以寫(xiě)成如下形式：
式中：I是充電或放電電流；E是開(kāi)路電壓；T是電池的溫度；V是電池的工作電壓；m是電子數(shù)；ΔS是與電化學(xué)反應(yīng)相關(guān)的熵變化。
2.3 相變材料的相變傳熱流動(dòng)模型
表4為硬脂酸等材料的熱物性。對(duì)于相變材料，采用焓法求解傳熱和相變過(guò)程。假設(shè)相變材料熔化的過(guò)程中熱量傳遞的方式為熱傳導(dǎo)，即忽略對(duì)流換熱和熱輻射造成的熱量傳遞。假設(shè)液態(tài)PCM的流動(dòng)方式為層流，相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱以及密度隨材料液相率的變化而變化。則連續(xù)性方程可表示為
表4 相變材料及其他材料熱物性Tab.4 Thermophysical properties of phase change material and other materials
式中：ρ為相變材料密度；u為流速。
能量守恒方程表示為
式中：S是熵變；H為相變材料的總焓，可由式(18)—(21)計(jì)算。
式中：href為溫度為參考溫度Tref時(shí)的參考焓；CP為比熱；ΔH為潛熱，取值為0～L；L是比相變焓；β是液相率；Ts、Tl分別為相變材料固態(tài)和液體時(shí)的溫度。
相變過(guò)程中，相變材料導(dǎo)熱系數(shù)、比熱、密度的變化分別為：
式中：λs、CPs、ρs分別為相變材料固態(tài)時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱、密度；λl、CPl、ρl分別為相變材料液態(tài)時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱、密度。
2.4 熱開(kāi)關(guān)物理模型
假設(shè)銅板與相變材料接觸的表面受力均勻，銅板只能在指定移動(dòng)方向進(jìn)行定向移動(dòng)；當(dāng)相變材料完全熔化時(shí)銅板完全與冷板貼合，且銅板的位移與相變材料發(fā)生相變的程度有關(guān)，則銅板的位移X的表達(dá)式為
式中δair是空氣層厚度。
2.5 邊界條件
由于在電動(dòng)汽車實(shí)際運(yùn)行的過(guò)程中鋰離子電池組被封存在車輛的內(nèi)部，因此在計(jì)算過(guò)程中忽略電池組熱管理系統(tǒng)與外界環(huán)境的對(duì)流換熱，即假設(shè)整個(gè)電池組熱管理系統(tǒng)的外表面為絕熱條件。電池所產(chǎn)生的熱量一部分被相變材料吸收儲(chǔ)存，另一部分在熱開(kāi)關(guān)閉合后，通過(guò)冷板中冷卻劑的流動(dòng)所耗散。由于空氣層較薄，因此忽略空氣層內(nèi)的對(duì)流換熱，認(rèn)為熱量在移動(dòng)銅板和空氣層以及冷板之間以熱傳導(dǎo)的方式傳遞熱量。
相變冷卻鋰電池模塊邊界條件如下：
相變材料與冷板之間的換熱表示如下：
式中：T0為初始溫度；Tb為電池溫度；Tpcm為相變材料溫度；Tcopper為移動(dòng)銅板溫度；Tair為空氣層溫度；Tplate為冷板溫度；n代表法線方向；λb、λpcm、λcopper、λair分別為電池、相變材料、銅板、空氣的換熱系數(shù)。
2.6 網(wǎng)格和時(shí)間步長(zhǎng)無(wú)關(guān)性
為了在減輕計(jì)算工作量的同時(shí)保證數(shù)值模擬的精度，通過(guò)設(shè)置不同數(shù)量的網(wǎng)格和不同的時(shí)間步長(zhǎng)，并利用基礎(chǔ)模擬工況來(lái)進(jìn)行網(wǎng)格和時(shí)間步長(zhǎng)無(wú)關(guān)性測(cè)試，結(jié)果如表5和表6所示。通過(guò)比較電池的溫度差異來(lái)確定最佳網(wǎng)格數(shù)和時(shí)間步長(zhǎng)，當(dāng)模擬偏差小于0.01%時(shí)，認(rèn)為模擬具有網(wǎng)格無(wú)關(guān)性和時(shí)間步長(zhǎng)無(wú)關(guān)性。模型在網(wǎng)格2中包含47 840個(gè)單元，當(dāng)模型網(wǎng)格數(shù)增加到86 260時(shí)，單體電池的平均溫度偏差為0.000 2%，最高溫度偏差為0.003 9%。當(dāng)單元的網(wǎng)格數(shù)減少到29 000時(shí)，單體電池的平均溫度偏差為0.000 2%，最高溫度偏差為0.012 7%。因此，所有數(shù)值模擬都選擇網(wǎng)格2的模型，以保持精度和計(jì)算需求之間的平衡。當(dāng)時(shí)間步長(zhǎng)由0.5 s縮短為0.25 s后，單體電池的平均溫度偏差為0.001 3%，最高溫度偏差為0.001 3%。當(dāng)時(shí)間步長(zhǎng)由0.5 s增加為1 s后，單體電池的平均溫度偏差為0.014 9%，最高溫度偏差為0.014 9%。結(jié)果表明，當(dāng)時(shí)間步長(zhǎng)為0.5 s時(shí)滿足所需要的計(jì)算精度，因此選擇0.5 s為最佳時(shí)間步長(zhǎng)。
表5 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性測(cè)試Tab.5 Grid independence test
表6 時(shí)間步長(zhǎng)無(wú)關(guān)性測(cè)試Tab.6 Time step independence test
3 結(jié)果與討論
3.1 相變材料填充量對(duì)熱管理系統(tǒng)的影響
由于鋰離子電池組的容積受電動(dòng)汽車空間的限制，并且為電池組提供熱管理的裝置也有輕量化的需求，因此設(shè)計(jì)的熱開(kāi)關(guān)系統(tǒng)中的相變材料的用量應(yīng)當(dāng)滿足一定的條件，使得其在滿足熱管理需求的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)熱管理裝置的輕量化。以環(huán)境溫度為25℃、電池放電倍率為4 C的工況設(shè)計(jì)對(duì)照分析，并以相變材料包裹電池厚度1 mm時(shí)為100%填充，分別設(shè)計(jì)了50%填充、75%填充和100%填充3組對(duì)照分析來(lái)確定相變材料在熱管理系統(tǒng)中的填充量。圖4為在不同相變材料填充量的情況下電池經(jīng)歷一次放電/充電循環(huán)的溫度變化情況?？梢钥闯?，與傳統(tǒng)的相變溫控相比，帶有熱開(kāi)關(guān)的相變熱管理系統(tǒng)在相變材料完全融化后熱開(kāi)關(guān)閉合，提高了裝置的有效導(dǎo)熱系數(shù)，增強(qiáng)了電池與冷板間的換熱。因此在相變材料的潛熱被充分利用后，具有熱開(kāi)關(guān)的熱管理系統(tǒng)能夠繼續(xù)抑制溫度上升的速率，從而提供有效的溫度保護(hù)。除此之外，增大相變材料填充量能有效延長(zhǎng)電池處于正常溫度工作區(qū)間的時(shí)間，并且能夠起到更好的溫度控制效果，但過(guò)多的相變材料在融化后會(huì)增大電池與冷板間的等效熱阻，因此在熱開(kāi)關(guān)閉合后會(huì)明顯減小冷板與電池間的有效導(dǎo)熱系數(shù)，極大程度削弱了熱開(kāi)關(guān)在熱管理系統(tǒng)中的作用。出于對(duì)溫控效果和熱管理系統(tǒng)輕量化的考量，填充量為75%的熱管理系統(tǒng)能夠更好地平衡實(shí)際的熱管理需求，因此選擇75%的填充情況作為新型熱開(kāi)關(guān)熱管理系統(tǒng)中相變材料的填充量。
圖4 不同相變材料填充量對(duì)電池溫度的影響Fig.4 Influence of different phase change material dosage on battery temperature
圖5為填充量為75%的情況下不同時(shí)刻采用相變溫控和采用熱開(kāi)關(guān)溫控的電池溫度分布云圖。在電池放電初始時(shí)刻，電池產(chǎn)熱量較少，處于正常的工作溫度區(qū)間，溫控系統(tǒng)并未啟用，因此電池具有相似的溫度分布。隨著電池溫度的升高，相變材料逐漸融化，整個(gè)電池的溫度被控制在相變材料熔點(diǎn)附近，具有較好的溫度分布均勻性。當(dāng)相變材料潛熱用盡后，采用相變材料溫控的電池溫度會(huì)繼續(xù)升高，而采用熱開(kāi)關(guān)溫控的電池在熱開(kāi)關(guān)閉合后會(huì)增強(qiáng)與冷板的對(duì)流換熱效應(yīng)，從而降低電池溫度。在放電/充電循環(huán)結(jié)束后，采用相變溫控的電池最高溫度為329.54 K，平均溫度為329.21 K，而采用熱開(kāi)關(guān)溫控的電池最高溫度為328.97 K，平均溫度為326.82 K，因此熱開(kāi)關(guān)溫控系統(tǒng)具有更好的熱管理能力。
圖5 不同時(shí)刻電池溫度分布Fig.5 Battery temperature distribution at different times
3.2 電池放電倍率對(duì)熱管理系統(tǒng)的影響
圖6為電池在不同放電倍率下溫度的變化。取電池正常工作的溫度上限為60℃。從圖中電池在無(wú)熱管理系統(tǒng)保護(hù)的溫度變化情況可以看出，當(dāng)電池在低倍率的工作情況下充放電時(shí)，電池的溫度并不會(huì)超過(guò)合理的溫度工作區(qū)間。但當(dāng)電池處于高倍率充放電的情況下，電池在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行劇烈的化學(xué)反應(yīng)并快速產(chǎn)生熱量，導(dǎo)致電池溫度在短時(shí)間內(nèi)迅速升高，在充放電結(jié)束后電池溫度超過(guò)正常的溫度上限，如果不采用合理的散熱方法，將會(huì)存在熱失控的風(fēng)險(xiǎn)，由此也可以看出為電池組設(shè)計(jì)有效可行的熱管理裝置的必要性。采用相變熱開(kāi)關(guān)溫控?zé)峁芾硐到y(tǒng)后，在電池1C低倍率充放電時(shí)，由于電池的產(chǎn)熱量較少，因此相變材料的潛熱未被利用，熱量通過(guò)顯熱的方式儲(chǔ)存到相變材料中。當(dāng)電池以2 C倍率充放電時(shí)，在電池溫度升高到相變材料的熔點(diǎn)時(shí)，相變材料產(chǎn)生相變，通過(guò)融化來(lái)吸收電池產(chǎn)生的多余熱量，同時(shí)利用相變潛熱將電池的溫度較長(zhǎng)時(shí)間地控制在相變材料的熔點(diǎn)附近，極大程度延長(zhǎng)了電池處于最佳工作溫度區(qū)間的時(shí)間。除此之外，相變材料融化的同時(shí)體積膨脹，推動(dòng)移動(dòng)銅板向冷板貼合，熱開(kāi)關(guān)啟用，調(diào)節(jié)電池與冷板間的等效導(dǎo)熱系數(shù)，增強(qiáng)換熱強(qiáng)度。當(dāng)電池以3 C、4 C的高倍率充放電時(shí)，電池產(chǎn)熱量顯著增大，溫度急劇上升，相變材料利用自身相變吸收一部分的電池?zé)崃?，為電池提供?層溫度保護(hù)。當(dāng)相變材料由固態(tài)轉(zhuǎn)為液態(tài)，潛熱被充分利用后，熱開(kāi)關(guān)在液態(tài)相變材料的推動(dòng)下與冷板完全貼合，減小冷板與鋰離子電池間的導(dǎo)熱熱阻，熱量能有效地通過(guò)熱開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)向外界耗散。除此之外，相變材料的儲(chǔ)熱方式由潛熱蓄熱變?yōu)轱@熱蓄熱，在溫度升高的同時(shí)利用自身比熱也能積蓄部分熱量。熱開(kāi)關(guān)與顯式儲(chǔ)熱二者相結(jié)合，為鋰離子電池提供第2層雙重溫度保護(hù)。通過(guò)多重溫度保護(hù)機(jī)制，熱開(kāi)關(guān)溫控系統(tǒng)能夠有效地將電池的工作溫度控制在合理的工作溫度范圍，提高了電池工作性能的同時(shí)降低了熱失控的風(fēng)險(xiǎn)，具有良好的熱管理性能。
圖6 不同放電倍率電池溫度變化Fig.6 Temperature variation of batteries with different discharge rates
圖7為電池在充放電過(guò)程中產(chǎn)生的總熱量的變化，以及相變儲(chǔ)能和熱開(kāi)關(guān)耗散的熱量變化。在電池產(chǎn)熱的初始階段，相變材料溫度沒(méi)有上升到熔點(diǎn)，因此電池產(chǎn)生的熱量主要通過(guò)電池自身和相變材料的顯式蓄熱進(jìn)行儲(chǔ)存。由于熱開(kāi)關(guān)處于斷開(kāi)狀態(tài)，因此只有極少部分的熱量通過(guò)熱開(kāi)關(guān)向冷板耗散。當(dāng)相變材料的溫度升至熔點(diǎn)后，相變材料的儲(chǔ)能方式從顯式儲(chǔ)熱變?yōu)橄嘧儍?chǔ)熱，因此電池產(chǎn)生的熱量大部分被相變材料的潛熱所吸收，相變儲(chǔ)熱的能量變化曲線與電池生熱曲線高度相似。除此之外，相變材料融化的同時(shí)推動(dòng)冷板運(yùn)動(dòng)，熱開(kāi)關(guān)逐漸啟動(dòng)，隨著相變材料的融化過(guò)程逐漸向冷板貼合，在相變過(guò)程中通過(guò)熱開(kāi)關(guān)向冷板耗散的熱量急劇增加。當(dāng)相變材料的潛熱用盡后，熱開(kāi)關(guān)完全閉合，通過(guò)熱開(kāi)關(guān)向冷板耗散的熱量趨于定值。從整個(gè)過(guò)程來(lái)看，雖然熱開(kāi)關(guān)閉合后可以起到良好的換熱效果，但由于電池與冷板的接觸面積較小，因此熱開(kāi)關(guān)散熱的作用有限。電池的熱量主要通過(guò)相變材料的顯熱和潛熱進(jìn)行儲(chǔ)存，熱開(kāi)關(guān)在相變材料潛熱用盡后起到輔助冷卻的作用。
圖7 電池產(chǎn)熱量及相變儲(chǔ)能和熱開(kāi)關(guān)耗散的熱量變化Fig.7 Heat generation of battery and heat storage of phase change energy and heat dissipation of thermal switch
3.3 電池靜置(降溫)過(guò)程
假設(shè)電池在充放電過(guò)程結(jié)束后進(jìn)入到-20℃的環(huán)境中，并通過(guò)比較不同情況下電池溫度下降到工作溫度區(qū)間下限0℃的有效管理時(shí)間，來(lái)探究新型熱管理系統(tǒng)對(duì)鋰離子電池在低溫環(huán)境中的保溫效果。取電池充放電結(jié)束后的溫度為初始溫度，并假設(shè)在低溫環(huán)境中冷板停止工作，熱開(kāi)關(guān)與冷板接觸側(cè)為自然對(duì)流換熱。圖8為鋰離子電池分別在無(wú)溫控、相變溫控以及相變熱開(kāi)關(guān)溫控3種情景下的溫度變化趨勢(shì)。在無(wú)溫控的情況下，電池與低溫環(huán)境直接進(jìn)行自然對(duì)流換熱，熱量損失的速率較快，并在1 180 s后電池溫度下降到工作溫度區(qū)間的下限。與無(wú)溫控的情況相比，具有相變溫控的系統(tǒng)在溫度下降的過(guò)程中，一方面，相變材料通過(guò)溫度變化利用自身的顯熱向電池提供一部分的熱量；另一方面，在相變材料溫度降至凝固點(diǎn)附近后發(fā)生相變，由液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變，將電池升溫過(guò)程中積蓄的相變潛熱向電池及外界環(huán)境釋放，起到較好的保溫作用。因此，具有相變材料的熱管理系統(tǒng)可以在低溫環(huán)境下極大程度延長(zhǎng)電池處于正常工作的溫度區(qū)間。與相變溫控相比，相變熱開(kāi)關(guān)溫控在相變材料發(fā)生相變后，移動(dòng)銅板與冷板相脫離，并且隨著相變過(guò)程的進(jìn)行，熱開(kāi)關(guān)逐漸關(guān)閉，移動(dòng)銅板與冷板間的空氣層增厚，提高了系統(tǒng)保溫的效果。由于電池與環(huán)境間的換熱過(guò)程主要發(fā)生在電池表面積大的正反面，從其他側(cè)面散失的熱量較少，因此在低溫環(huán)境中熱開(kāi)關(guān)溫控系統(tǒng)雖然具有優(yōu)勢(shì)，但并不明顯，結(jié)果顯示，熱開(kāi)關(guān)溫控系統(tǒng)與相變溫控系統(tǒng)的有效管理時(shí)間分別為1 570 s和1 540 s。
圖8 電池在低溫環(huán)境中的溫度變化Fig.8 Temperature variatioin of battery in cold environment
3.4 電池?zé)衢_(kāi)關(guān)升溫過(guò)程中的開(kāi)關(guān)比
采用開(kāi)關(guān)比的定義來(lái)比較熱開(kāi)關(guān)閉合/斷開(kāi)時(shí)對(duì)傳熱過(guò)程中熱流調(diào)節(jié)的效果。定義開(kāi)關(guān)比為熱開(kāi)關(guān)斷開(kāi)與閉合時(shí)的等效熱阻之比，其表達(dá)式為
其中R為等效熱阻，下標(biāo)off與on分別表示斷開(kāi)與閉合，其計(jì)算表達(dá)式為
式中：Tbattery為熱開(kāi)關(guān)電池側(cè)的溫度；Tp為冷板溫度；q為通過(guò)熱開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)的法向熱流密度。
在4 C充放電倍率下，熱開(kāi)關(guān)的等效熱阻隨時(shí)間變化如圖9所示。在初始階段，電池釋放的熱量被相變材料和自身的顯熱吸收，相變材料的溫度沒(méi)有達(dá)到熔點(diǎn)，熱開(kāi)關(guān)處于斷開(kāi)狀態(tài)。由于電池在放電過(guò)程中熱量隨時(shí)間會(huì)有較大波動(dòng)，因此在熱開(kāi)關(guān)啟用之前等效熱阻會(huì)略有波動(dòng)，但總體保持在0.15～0.18 m2·K/W的范圍內(nèi)。當(dāng)相變材料發(fā)生相變后，相變材料由固態(tài)轉(zhuǎn)為液態(tài)，體積發(fā)生顯著變化，推動(dòng)熱開(kāi)關(guān)向冷板貼合，熱開(kāi)關(guān)開(kāi)始啟動(dòng)。導(dǎo)熱系數(shù)較低的空氣層隨著熱開(kāi)關(guān)的閉合逐漸減小，等效熱阻減小。當(dāng)相變過(guò)程結(jié)束后，熱開(kāi)關(guān)閉合，等效熱阻降低至0.02 m2·K/W附近，并且放電結(jié)束后等效熱阻為0.016 m2·K/W，因此顯著增強(qiáng)了電池與冷板間的換熱效果。熱開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)比達(dá)到11.25∶1，說(shuō)明熱開(kāi)關(guān)溫控系統(tǒng)在鋰離子電池溫度保護(hù)機(jī)制中對(duì)熱流具有良好的調(diào)控作用。
圖9 等效熱阻的變化Fig.9 Variation of thermal resistance
4 結(jié)論
1）通過(guò)對(duì)相變材料在熱管理裝置中的填充量進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)填充量較小時(shí)熱管理系統(tǒng)的溫度管理效果不佳，當(dāng)填充量較大時(shí)會(huì)降低熱開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)比，削弱熱開(kāi)關(guān)的溫度調(diào)控效果。填充量為75%時(shí)能夠同時(shí)較好地滿足熱管理系統(tǒng)輕量化和對(duì)電池有效溫控的需求。
2）對(duì)于無(wú)熱管理系統(tǒng)的電池而言，電池在高倍率充放電工作時(shí)，充放電結(jié)束后電池溫度超過(guò)正常工作區(qū)間。對(duì)于采用相變材料耦合熱開(kāi)關(guān)的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，相變潛熱與熱開(kāi)關(guān)為電池提供雙重溫度保護(hù)，因此電池在高倍率充放電時(shí)，溫度依舊處于正常的工作溫度區(qū)間，具有良好的控溫性能。
3）低溫條件下，無(wú)熱管理系統(tǒng)的電池?zé)崃可⑹л^快，而對(duì)于具有相變材料耦合熱開(kāi)關(guān)的溫控系統(tǒng)，當(dāng)電池溫度降低至相變材料熔點(diǎn)附近時(shí)，相變材料凝固并將電池升溫過(guò)程中積蓄的熱量向電池釋放，為電池持續(xù)提供熱量，因此有效延長(zhǎng)了電池處于正常溫度區(qū)間的時(shí)間。
4）以75%填充量為例分析了熱開(kāi)關(guān)的溫控調(diào)節(jié)性能。熱開(kāi)關(guān)在斷開(kāi)/閉合時(shí)的等效熱阻分別為0.016和0.18 m2·K/W，開(kāi)關(guān)比達(dá)到11.25∶1，因此具有顯著的溫度調(diào)節(jié)效果。
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王澤旭，賀可寒，孫晨，李凱璇，巨星
（電站能量傳遞轉(zhuǎn)化與系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué))，北京市 昌平區(qū) 102206）
0 引言
鋰離子電池的最佳工作溫度區(qū)間為25～40℃[1-6]，超過(guò)該范圍，會(huì)造成放電效率降低、使用壽命縮短、電池容量下降等不良反應(yīng)。當(dāng)電池自身溫度過(guò)高時(shí)，電池內(nèi)部的壓力和溫度急劇上升，最終導(dǎo)致熱失控情況的發(fā)生，引發(fā)起火爆炸等事故[7-9]。因此，如何對(duì)電池設(shè)計(jì)有效可行的熱管理系統(tǒng)成為目前研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)。
電池?zé)峁芾碇荚谑闺姵亟M工作溫度穩(wěn)定在合理區(qū)間并具有一致性，既包括在低溫環(huán)境下工作的保溫供熱，也包括在高溫環(huán)境中的散熱冷卻[10]。針對(duì)低溫加熱保溫問(wèn)題，目前主要分為內(nèi)部加熱與外部加熱兩大類，內(nèi)部加熱主要有電池自身系統(tǒng)加熱等，外部加熱主要有正溫度系數(shù)(positive temperature coefficient，PTC)加熱，以及氣體液體加熱等。如，針對(duì)鋰離子電池組設(shè)計(jì)的二氧化硅氣凝膠板保溫外殼[11]，通過(guò)降低保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)可以顯著提高保溫效果，滿足短暫停車的保溫需求。針對(duì)電池組高溫散熱問(wèn)題，目前采取的熱管理方式主要有空冷式、液冷式、相變材料(phase change materia，PCM)冷卻和熱管冷卻等方式[12]?？绽涫嚼鋮s系統(tǒng)以空氣作為冷卻介質(zhì)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能耗低等特點(diǎn)，但由于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)較低，在電池高倍率放電時(shí)冷卻效果往往較差，電池組存在溫度分布不均、溫差較大的問(wèn)題[13]，常需要通過(guò)增加導(dǎo)流板來(lái)增強(qiáng)對(duì)空氣的引導(dǎo)作用，以改善散熱效果[14]。液冷式系統(tǒng)具有良好的散熱效果，但由于流體的流動(dòng)阻力較大，相較于空冷，在同樣的流速下液冷會(huì)消耗更多的泵功，造成能耗增加。液體的密封與保存同時(shí)也增加了換熱結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，熱管理系統(tǒng)的成本也會(huì)隨之增加[15]，目前液冷研究多集中于對(duì)不同形態(tài)冷板的優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面[16-22]?；谙嘧儾牧系碾姵?zé)峁芾矸椒ㄒ蚓哂辛己玫目販匦Ч饛V泛關(guān)注。在電池溫度升高時(shí)，相變材料通過(guò)相變的方式利用自身潛熱吸收電池產(chǎn)生的多余熱量來(lái)調(diào)控電池溫度，當(dāng)環(huán)境溫度過(guò)低時(shí)，相變材料也可釋放存儲(chǔ)的熱量，使電池工作在合適的溫度區(qū)間。相變材料與液冷[23]、熱管[24]等方式相結(jié)合，能夠取得良好的控溫效果，將電池溫度控制在合理的工作區(qū)間的同時(shí)起到保溫蓄熱的效果。
近年來(lái)，新型熱管理元件例如熱開(kāi)關(guān)、熱調(diào)節(jié)器和熱二極管等得到了傳熱領(lǐng)域?qū)W者的廣泛關(guān)注[25]。熱開(kāi)關(guān)是利用與溫度有關(guān)的機(jī)械接觸或依靠改變氣體、液體對(duì)流換熱方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度調(diào)控的一種裝置，通過(guò)開(kāi)關(guān)的“閉合/斷開(kāi)”來(lái)實(shí)現(xiàn)裝置在不同導(dǎo)熱系數(shù)間的切換，調(diào)節(jié)傳熱過(guò)程中熱流的大小，進(jìn)而根據(jù)不同的溫度條件實(shí)現(xiàn)裝置的散熱或保溫效果。當(dāng)溫度高于工作區(qū)間的溫度上限時(shí)，熱開(kāi)關(guān)閉合，裝置導(dǎo)熱系數(shù)提高，熱量在冷端與熱端間高效傳遞，熱開(kāi)關(guān)裝置作為散熱裝置運(yùn)行；當(dāng)溫度低于工作區(qū)間的溫度下限時(shí)，熱開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，裝置導(dǎo)熱系數(shù)降低，熱端與冷端有效隔離，進(jìn)一步防止裝置的熱量散失，起到絕熱保溫的作用。熱開(kāi)關(guān)在閉合和斷開(kāi)狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)之比稱為“開(kāi)關(guān)比”，以此來(lái)衡量熱開(kāi)關(guān)的溫度調(diào)節(jié)效果。如Wang等[26]基于石蠟等相變材料發(fā)生相變時(shí)體積膨脹的特性，設(shè)計(jì)了一種機(jī)械接觸式熱開(kāi)關(guān)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，熱開(kāi)關(guān)閉合/斷開(kāi)時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)分別為188.7 W/(m·K)和6.2 W/(m·K)，開(kāi)關(guān)比大約為30∶1，能夠滿足不同溫度調(diào)節(jié)場(chǎng)景的需求。熱開(kāi)關(guān)?；诮饘偌昂辖鸬臒釕?yīng)變、材料的熱脹冷縮特性、材料相變所引起的體積變化等原理進(jìn)行開(kāi)發(fā)，目前在航空航天、電子設(shè)備、建筑等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[27]。采用熱開(kāi)關(guān)可以提高測(cè)量系統(tǒng)的溫度穩(wěn)定性，如李畏[28]將熱開(kāi)關(guān)技術(shù)應(yīng)用到低溫溫度計(jì)中提高溫度穩(wěn)定性進(jìn)而提高標(biāo)定精度。歐強(qiáng)[29]在溫差發(fā)電裝置與熱源間加入熱開(kāi)關(guān)，保證了較為穩(wěn)定的蓄熱端溫度，提高了溫差發(fā)電系統(tǒng)的有效性和穩(wěn)定性。此外，采用熱開(kāi)關(guān)可以顯著提高系統(tǒng)的工作效率，黨舒俊[30]將熱開(kāi)關(guān)應(yīng)用到光伏/溫差聯(lián)合發(fā)電中，通過(guò)熱開(kāi)關(guān)來(lái)控制光伏電池板與溫差電池組的貼合與分離，實(shí)現(xiàn)裝置在環(huán)境溫度發(fā)生波動(dòng)時(shí)的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，也解決了溫差較小時(shí)溫差電池?zé)犭娹D(zhuǎn)化效率低下的問(wèn)題。
熱開(kāi)關(guān)技術(shù)發(fā)展迅速，國(guó)內(nèi)外學(xué)者將其優(yōu)良的調(diào)節(jié)溫度特性應(yīng)用到電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)其極大程度地改善了電池組熱管理的控溫能力。Hao等[31]利用形狀記憶合金在溫度變化時(shí)產(chǎn)生固固相變的特性，開(kāi)發(fā)了一種用于鋰離子電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的熱開(kāi)關(guān)。當(dāng)電池溫度升高時(shí)，形狀記憶合金發(fā)生相變，推動(dòng)電池向空冷或液冷的壁面貼合，進(jìn)而加快電池散熱的速率。當(dāng)電池溫度降低后，形狀記憶合金恢復(fù)到原有的形狀，帶動(dòng)電池與冷板分離，起到了保溫蓄熱的作用。該裝置的開(kāi)關(guān)比可達(dá)2020∶1，極大程度地滿足了電池在不同外界溫度下的不同熱管理需求。該研究證實(shí)了熱開(kāi)關(guān)應(yīng)用于電池?zé)峁芾淼臐摿?，但目前電池?zé)衢_(kāi)關(guān)的有關(guān)研究仍非常少，對(duì)不同類型熱開(kāi)關(guān)的研究亟待進(jìn)一步開(kāi)展。
在電池的熱管理中，相變材料和熱開(kāi)關(guān)等技術(shù)的應(yīng)用為電池?zé)峁芾砑夹g(shù)的發(fā)展提供了新的潛在路徑。通常研究中所用相變材料多單純作為電池?zé)峁芾淼木彌_，用于在高低溫變化時(shí)延緩溫度下降或升高。這種方式在實(shí)際應(yīng)用中還需充分考慮相變材料溫度變化時(shí)膨脹收縮所導(dǎo)致的滲漏等問(wèn)題，有時(shí)采用復(fù)合材料或定形材料提升其運(yùn)行性能[32]。但若充分利用相變材料本身的物性特征，將相變材料溫度變化時(shí)膨脹收縮充分利用，構(gòu)成具有調(diào)控能力的熱開(kāi)關(guān)，可能會(huì)大幅提升電池的高低溫?zé)峁芾砟芰Α?/p>
因此，本文提出一種將熱開(kāi)關(guān)與相變材料耦合的新型鋰離子電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)并進(jìn)行分析研究。采用導(dǎo)熱系數(shù)較高，并且相變過(guò)程中體積變化較大的硬脂酸作為相變材料，利用相變過(guò)程中硬脂酸體積顯著變化這一特性，實(shí)現(xiàn)熱開(kāi)關(guān)閉合/斷開(kāi)，遲滯電池溫度上升/下降的速率。
1 相變熱開(kāi)關(guān)溫控的概念
相變材料是指物質(zhì)在轉(zhuǎn)變自身狀態(tài)的過(guò)程中，保持溫度不變并能吸收或釋放大量相變潛熱的特殊材料。相比于傳統(tǒng)的顯熱儲(chǔ)能與化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)能，采用相變材料的潛熱儲(chǔ)能具有安全性較高、工作溫度區(qū)間易于控制、儲(chǔ)熱密度大等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是儲(chǔ)存熱能最有效的形式[33]。因其優(yōu)越的儲(chǔ)能控溫性質(zhì)，相變材料已被廣泛應(yīng)用到電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)[34-39]。需要注意的是，雖然電池溫度升高的過(guò)程中相變材料可以有效地將電池溫度控制在相變材料的熔點(diǎn)附近，但受限于相變材料的質(zhì)量，當(dāng)相變潛熱被耗盡后電池溫度會(huì)急劇升高，此時(shí)則需要額外的熱管理方法來(lái)保證電池處于合理的溫度工作區(qū)間。
熱開(kāi)關(guān)作為熱量傳遞過(guò)程中調(diào)節(jié)熱流密度大小的裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)熱管理裝置在高導(dǎo)熱系數(shù)模式和低導(dǎo)熱系數(shù)模式間的被動(dòng)切換。當(dāng)系統(tǒng)溫度升高時(shí)，熱開(kāi)關(guān)閉合，使裝置與外界換熱過(guò)程中的等效導(dǎo)熱系數(shù)提高，整個(gè)裝置的熱量被有效地傳遞到外界；當(dāng)系統(tǒng)溫度降低時(shí)，熱開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，使裝置與外界換熱過(guò)程中的等效導(dǎo)熱系數(shù)降低，達(dá)到近似絕熱的目的，減少裝置的熱量損失。
相變材料可以分為無(wú)機(jī)相變材料和有機(jī)相變材料。無(wú)機(jī)相變材料有良好的導(dǎo)熱性能和較高的相變潛熱，但大多數(shù)的無(wú)機(jī)水合鹽相變材料都存在相分離和過(guò)冷的現(xiàn)象，影響了無(wú)機(jī)鹽的使用壽命和儲(chǔ)熱性能[35]。有機(jī)相變材料主要包括石蠟、脂肪酸及其低共熔物、醇類(乙二醇、多元醇)等，具有無(wú)過(guò)冷及析出現(xiàn)象、性能穩(wěn)定、無(wú)毒、無(wú)腐蝕的優(yōu)點(diǎn)，但導(dǎo)熱系數(shù)小、密度小、單位體積儲(chǔ)熱能力差等缺點(diǎn)也阻礙了其更廣泛的應(yīng)用[36]。并且，有機(jī)相變材料在相變的過(guò)程中密度會(huì)發(fā)生顯著的變化，在溫度升高時(shí)體積增大，在溫度降低時(shí)體積減小，因此可以為熱開(kāi)關(guān)的閉合與斷開(kāi)提供驅(qū)動(dòng)力。
本文提出一種將相變材料與熱開(kāi)關(guān)耦合的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)。當(dāng)電池溫度高于相變材料熔點(diǎn)時(shí)，相變材料熔化吸熱，將電池散發(fā)的熱量?jī)?chǔ)存到相變材料中。同時(shí)，相變材料由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，體積膨脹，熱開(kāi)關(guān)啟用，移動(dòng)銅板向冷板貼合，借助冷板來(lái)進(jìn)行輔助換熱。當(dāng)電池停止工作、溫度降至相變材料凝固點(diǎn)時(shí)，相變材料凝固放熱，體積縮小，熱開(kāi)關(guān)關(guān)閉，移動(dòng)銅板在彈簧的作用下與冷板脫離，使相變材料儲(chǔ)存的熱量最大程度地傳導(dǎo)給鋰離子電池，延長(zhǎng)電池處于正常溫度區(qū)間的時(shí)間，達(dá)到有效熱管理的目的。
整個(gè)電池組熱開(kāi)關(guān)的尺寸和結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。為了更清晰地展示電池組的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，頂部與底部封蓋以及為整個(gè)電池組提供機(jī)械支撐的外殼未在圖中展現(xiàn)。電池組由8個(gè)單體軟包鋰離子電池構(gòu)成，鋰離子電池周圍填充有機(jī)相變材料并與電池緊密貼合，以此更好地吸收和儲(chǔ)存鋰離子電池釋放的熱量。相變材料與移動(dòng)銅板直接接觸，移動(dòng)銅板與外殼接觸區(qū)域采用合理的密封圈密封方式，使移動(dòng)銅板與外殼緊密貼合，確保相變材料處于液態(tài)時(shí)不會(huì)產(chǎn)生漏液現(xiàn)象，也確保外界空氣不會(huì)漏入相變儲(chǔ)能材料區(qū)域。移動(dòng)銅板通過(guò)彈簧與冷板相聯(lián)結(jié)，銅板和冷板之間為空氣層，通過(guò)調(diào)節(jié)空氣層的厚度進(jìn)而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)等效導(dǎo)熱系數(shù)的目的。當(dāng)相變材料完全融化后，銅板與冷板完全貼合，當(dāng)相變材料凝固后，銅板又在彈簧的作用下逐漸脫離冷板，因此起到熱開(kāi)關(guān)的作用。
圖1 電池?zé)衢_(kāi)關(guān)裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of battery thermal switch device
研究采用硬脂酸作為有機(jī)相變材料，主要基于以下8點(diǎn)：1）相比于石蠟，硬脂酸具有更加優(yōu)越的儲(chǔ)熱與控溫性能；2）硬脂酸的引燃溫度高于石蠟，因此具有優(yōu)越的熱穩(wěn)定性及安全性；3）與石蠟相比，硬脂酸的導(dǎo)熱系數(shù)更高，具有良好的導(dǎo)熱性能，有利于熱量在相變儲(chǔ)能區(qū)域的快速傳遞；4）硬脂酸的潛熱和比熱較大，因此在同樣的質(zhì)量下可以儲(chǔ)存、吸收和釋放更多的熱量；5）硬脂酸在工業(yè)應(yīng)用中常作為潤(rùn)滑劑，并為移動(dòng)銅板開(kāi)關(guān)裝置提供潤(rùn)滑，減小熱開(kāi)關(guān)的開(kāi)啟/閉合過(guò)程受到的摩擦阻力；6）硬脂酸在相變的過(guò)程中體積會(huì)發(fā)生顯著變化，能夠增大熱開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)比；7）硬脂酸等有機(jī)相變材料具有不導(dǎo)電的特性，因此更適合作為熱管理的儲(chǔ)能材料；8）硬脂酸對(duì)人體無(wú)毒，并且成本相較于石蠟更加低廉，更適合大規(guī)模生產(chǎn)使用。
由于設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)具有周期性，在數(shù)值計(jì)算中選取基本結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行模擬和分析，簡(jiǎn)化后的模型如圖2所示。在模型中做如下假定：1）鋰離子電池為剛體，忽略鋰離子電池發(fā)生的體積變化；2）相變材料與電池間接觸良好，散熱過(guò)程不受接觸熱阻影響；3）彈簧的體積較小，忽略彈簧對(duì)導(dǎo)熱的影響。
圖2 包含電池的基本結(jié)構(gòu)單元模型Fig.2 Basic unit cell model including a battery
2 鋰離子電池及相變熱開(kāi)關(guān)數(shù)值模型
由于直接采用三維鋰離子電池模型包含多個(gè)物理場(chǎng)，數(shù)值計(jì)算工作量較大，因此有學(xué)者提出一種采用一維鋰離子電池電化學(xué)反應(yīng)模型與三維電池傳熱模型相耦合的方式進(jìn)行鋰離子電池產(chǎn)熱的數(shù)值計(jì)算[40-41]。本文采用這種方式來(lái)進(jìn)行電池生熱的模擬，在保證計(jì)算精度的同時(shí)提高計(jì)算效率。
2.1 鋰離子電池一維電化學(xué)模型
電池通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能，鋰離子電池的電化學(xué)反應(yīng)采用Doyle[42]開(kāi)發(fā)的一維鋰離子電池模型來(lái)模擬。圖3顯示了一維鋰離子電池模型。鋰離子電池由正極、負(fù)極和隔膜組成，正極材料為L(zhǎng)iMn2O4，負(fù)極材料為石墨，隔膜材料為L(zhǎng)iPF6(VEC∶VEMC=3∶7)。各個(gè)材料的參數(shù)見(jiàn)表1。正極SOC的工作區(qū)間在17.5%～99.5%。
圖3 一維鋰離子電池模型Fig.3 1D Lithium-Ion battery model
表1 鋰離子電池正負(fù)極材料主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of positive and negative electrode materials for lithium-ion battery
Doyle提出的一維鋰離子電池模型描述復(fù)合電極溶液相中的鹽濃度隨時(shí)間變化關(guān)系為
式中：ε是電解質(zhì)體積分?jǐn)?shù)；bs是電解質(zhì)鹽濃度；D是電解質(zhì)鹽擴(kuò)散系數(shù)；t是時(shí)間；a是比界面面積；下標(biāo)“+”代表正極；jn是鋰離子的孔壁通量，i2是電流密度；F=96 487 C/mol，為法拉第常數(shù)。它們的關(guān)系為
式中：k為電解質(zhì)導(dǎo)電率；R為通用氣體常數(shù)；T為溫度；為材料的活性相關(guān)性；φ2為電極液相的電勢(shì)。
復(fù)合電極的固相可以通過(guò)固相中的鋰濃度和固相中的電流密度的變化來(lái)描述：
式中：σ是電極的電導(dǎo)率；DLi是鋰離子在電極固相的擴(kuò)散系數(shù)；bLi是電極固相的鋰離子濃度；r是顆粒中心到表面的平均距離；φ1是電極固相的電勢(shì)。
電極的固相和液相通過(guò)在電極外半徑處定義的邊界條件和Butler-Volmer動(dòng)力學(xué)表達(dá)式進(jìn)行關(guān)聯(lián)，其可表示為：
式中：bLi是固體中的鋰濃度；bi是第i層電解質(zhì)鹽的濃度；U是開(kāi)路電壓；η是電極電位，可表示為
式(7)中的參數(shù)K表示正向反應(yīng)速率常數(shù)和反向反應(yīng)速率常數(shù)的乘積，K與插入過(guò)程交換電流密度有關(guān)，可表示為
式中bt為最大固相濃度。
2.2 鋰離子電池的生熱速率模型
表2和表3為鋰離子電池的相關(guān)物性。在整個(gè)放電和充電循環(huán)中，鋰離子電池中的溫度分布隨時(shí)間而變化。在任何時(shí)刻，電池的溫度都可以通過(guò)能量守恒方程得到，該方程為
表2 電池材料熱物性參數(shù)Tab.2 Thermophysical parameters of battery materials
表3 鋰離子電池參數(shù)Tab.3 Lithium-ion battery parameters
式中：Qgen表示電池因放電或充電而產(chǎn)生的熱量；ρb為電池的密度；cp，b為電池的比熱；Tb為電池的溫度；kb為電池的導(dǎo)熱系數(shù)。由于電池正極、負(fù)極和隔膜的組成材料不同，因此采用求取平均值的方法來(lái)計(jì)算電池的各項(xiàng)物性[43]，即
式中Li、ρi、cp，i分別表示組成電池的各種材料的厚度、密度及比熱。
對(duì)于鋰離子電池的導(dǎo)熱系數(shù)，通常采用串并聯(lián)熱阻法表示。在電池厚度方向上采用串聯(lián)熱阻法，即
式中ki為鋰離子電池各個(gè)組成部分的導(dǎo)熱系數(shù)。
在電池高度和長(zhǎng)度方向上，使用并聯(lián)等效熱阻法，即
式中kb，z、kb，x分別為鋰離子電池高度和長(zhǎng)度方向的導(dǎo)熱系數(shù)。
鋰離子電池在進(jìn)行充電或放電的電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生熱量。充電或放電電池的總發(fā)熱量等于電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量和電池內(nèi)阻產(chǎn)生的焦耳熱的總和，可以寫(xiě)成如下形式：
式中：I是充電或放電電流；E是開(kāi)路電壓；T是電池的溫度；V是電池的工作電壓；m是電子數(shù)；ΔS是與電化學(xué)反應(yīng)相關(guān)的熵變化。
2.3 相變材料的相變傳熱流動(dòng)模型
表4為硬脂酸等材料的熱物性。對(duì)于相變材料，采用焓法求解傳熱和相變過(guò)程。假設(shè)相變材料熔化的過(guò)程中熱量傳遞的方式為熱傳導(dǎo)，即忽略對(duì)流換熱和熱輻射造成的熱量傳遞。假設(shè)液態(tài)PCM的流動(dòng)方式為層流，相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱以及密度隨材料液相率的變化而變化。則連續(xù)性方程可表示為
表4 相變材料及其他材料熱物性Tab.4 Thermophysical properties of phase change material and other materials
式中：ρ為相變材料密度；u為流速。
能量守恒方程表示為
式中：S是熵變；H為相變材料的總焓，可由式(18)—(21)計(jì)算。
式中：href為溫度為參考溫度Tref時(shí)的參考焓；CP為比熱；ΔH為潛熱，取值為0～L；L是比相變焓；β是液相率；Ts、Tl分別為相變材料固態(tài)和液體時(shí)的溫度。
相變過(guò)程中，相變材料導(dǎo)熱系數(shù)、比熱、密度的變化分別為：
式中：λs、CPs、ρs分別為相變材料固態(tài)時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱、密度；λl、CPl、ρl分別為相變材料液態(tài)時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱、密度。
2.4 熱開(kāi)關(guān)物理模型
假設(shè)銅板與相變材料接觸的表面受力均勻，銅板只能在指定移動(dòng)方向進(jìn)行定向移動(dòng)；當(dāng)相變材料完全熔化時(shí)銅板完全與冷板貼合，且銅板的位移與相變材料發(fā)生相變的程度有關(guān)，則銅板的位移X的表達(dá)式為
式中δair是空氣層厚度。
2.5 邊界條件
由于在電動(dòng)汽車實(shí)際運(yùn)行的過(guò)程中鋰離子電池組被封存在車輛的內(nèi)部，因此在計(jì)算過(guò)程中忽略電池組熱管理系統(tǒng)與外界環(huán)境的對(duì)流換熱，即假設(shè)整個(gè)電池組熱管理系統(tǒng)的外表面為絕熱條件。電池所產(chǎn)生的熱量一部分被相變材料吸收儲(chǔ)存，另一部分在熱開(kāi)關(guān)閉合后，通過(guò)冷板中冷卻劑的流動(dòng)所耗散。由于空氣層較薄，因此忽略空氣層內(nèi)的對(duì)流換熱，認(rèn)為熱量在移動(dòng)銅板和空氣層以及冷板之間以熱傳導(dǎo)的方式傳遞熱量。
相變冷卻鋰電池模塊邊界條件如下：
相變材料與冷板之間的換熱表示如下：
式中：T0為初始溫度；Tb為電池溫度；Tpcm為相變材料溫度；Tcopper為移動(dòng)銅板溫度；Tair為空氣層溫度；Tplate為冷板溫度；n代表法線方向；λb、λpcm、λcopper、λair分別為電池、相變材料、銅板、空氣的換熱系數(shù)。
2.6 網(wǎng)格和時(shí)間步長(zhǎng)無(wú)關(guān)性
為了在減輕計(jì)算工作量的同時(shí)保證數(shù)值模擬的精度，通過(guò)設(shè)置不同數(shù)量的網(wǎng)格和不同的時(shí)間步長(zhǎng)，并利用基礎(chǔ)模擬工況來(lái)進(jìn)行網(wǎng)格和時(shí)間步長(zhǎng)無(wú)關(guān)性測(cè)試，結(jié)果如表5和表6所示。通過(guò)比較電池的溫度差異來(lái)確定最佳網(wǎng)格數(shù)和時(shí)間步長(zhǎng)，當(dāng)模擬偏差小于0.01%時(shí)，認(rèn)為模擬具有網(wǎng)格無(wú)關(guān)性和時(shí)間步長(zhǎng)無(wú)關(guān)性。模型在網(wǎng)格2中包含47 840個(gè)單元，當(dāng)模型網(wǎng)格數(shù)增加到86 260時(shí)，單體電池的平均溫度偏差為0.000 2%，最高溫度偏差為0.003 9%。當(dāng)單元的網(wǎng)格數(shù)減少到29 000時(shí)，單體電池的平均溫度偏差為0.000 2%，最高溫度偏差為0.012 7%。因此，所有數(shù)值模擬都選擇網(wǎng)格2的模型，以保持精度和計(jì)算需求之間的平衡。當(dāng)時(shí)間步長(zhǎng)由0.5 s縮短為0.25 s后，單體電池的平均溫度偏差為0.001 3%，最高溫度偏差為0.001 3%。當(dāng)時(shí)間步長(zhǎng)由0.5 s增加為1 s后，單體電池的平均溫度偏差為0.014 9%，最高溫度偏差為0.014 9%。結(jié)果表明，當(dāng)時(shí)間步長(zhǎng)為0.5 s時(shí)滿足所需要的計(jì)算精度，因此選擇0.5 s為最佳時(shí)間步長(zhǎng)。
表5 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性測(cè)試Tab.5 Grid independence test
表6 時(shí)間步長(zhǎng)無(wú)關(guān)性測(cè)試Tab.6 Time step independence test
3 結(jié)果與討論
3.1 相變材料填充量對(duì)熱管理系統(tǒng)的影響
由于鋰離子電池組的容積受電動(dòng)汽車空間的限制，并且為電池組提供熱管理的裝置也有輕量化的需求，因此設(shè)計(jì)的熱開(kāi)關(guān)系統(tǒng)中的相變材料的用量應(yīng)當(dāng)滿足一定的條件，使得其在滿足熱管理需求的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)熱管理裝置的輕量化。以環(huán)境溫度為25℃、電池放電倍率為4 C的工況設(shè)計(jì)對(duì)照分析，并以相變材料包裹電池厚度1 mm時(shí)為100%填充，分別設(shè)計(jì)了50%填充、75%填充和100%填充3組對(duì)照分析來(lái)確定相變材料在熱管理系統(tǒng)中的填充量。圖4為在不同相變材料填充量的情況下電池經(jīng)歷一次放電/充電循環(huán)的溫度變化情況?？梢钥闯?，與傳統(tǒng)的相變溫控相比，帶有熱開(kāi)關(guān)的相變熱管理系統(tǒng)在相變材料完全融化后熱開(kāi)關(guān)閉合，提高了裝置的有效導(dǎo)熱系數(shù)，增強(qiáng)了電池與冷板間的換熱。因此在相變材料的潛熱被充分利用后，具有熱開(kāi)關(guān)的熱管理系統(tǒng)能夠繼續(xù)抑制溫度上升的速率，從而提供有效的溫度保護(hù)。除此之外，增大相變材料填充量能有效延長(zhǎng)電池處于正常溫度工作區(qū)間的時(shí)間，并且能夠起到更好的溫度控制效果，但過(guò)多的相變材料在融化后會(huì)增大電池與冷板間的等效熱阻，因此在熱開(kāi)關(guān)閉合后會(huì)明顯減小冷板與電池間的有效導(dǎo)熱系數(shù)，極大程度削弱了熱開(kāi)關(guān)在熱管理系統(tǒng)中的作用。出于對(duì)溫控效果和熱管理系統(tǒng)輕量化的考量，填充量為75%的熱管理系統(tǒng)能夠更好地平衡實(shí)際的熱管理需求，因此選擇75%的填充情況作為新型熱開(kāi)關(guān)熱管理系統(tǒng)中相變材料的填充量。
圖4 不同相變材料填充量對(duì)電池溫度的影響Fig.4 Influence of different phase change material dosage on battery temperature
圖5為填充量為75%的情況下不同時(shí)刻采用相變溫控和采用熱開(kāi)關(guān)溫控的電池溫度分布云圖。在電池放電初始時(shí)刻，電池產(chǎn)熱量較少，處于正常的工作溫度區(qū)間，溫控系統(tǒng)并未啟用，因此電池具有相似的溫度分布。隨著電池溫度的升高，相變材料逐漸融化，整個(gè)電池的溫度被控制在相變材料熔點(diǎn)附近，具有較好的溫度分布均勻性。當(dāng)相變材料潛熱用盡后，采用相變材料溫控的電池溫度會(huì)繼續(xù)升高，而采用熱開(kāi)關(guān)溫控的電池在熱開(kāi)關(guān)閉合后會(huì)增強(qiáng)與冷板的對(duì)流換熱效應(yīng)，從而降低電池溫度。在放電/充電循環(huán)結(jié)束后，采用相變溫控的電池最高溫度為329.54 K，平均溫度為329.21 K，而采用熱開(kāi)關(guān)溫控的電池最高溫度為328.97 K，平均溫度為326.82 K，因此熱開(kāi)關(guān)溫控系統(tǒng)具有更好的熱管理能力。
圖5 不同時(shí)刻電池溫度分布Fig.5 Battery temperature distribution at different times
3.2 電池放電倍率對(duì)熱管理系統(tǒng)的影響
圖6為電池在不同放電倍率下溫度的變化。取電池正常工作的溫度上限為60℃。從圖中電池在無(wú)熱管理系統(tǒng)保護(hù)的溫度變化情況可以看出，當(dāng)電池在低倍率的工作情況下充放電時(shí)，電池的溫度并不會(huì)超過(guò)合理的溫度工作區(qū)間。但當(dāng)電池處于高倍率充放電的情況下，電池在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行劇烈的化學(xué)反應(yīng)并快速產(chǎn)生熱量，導(dǎo)致電池溫度在短時(shí)間內(nèi)迅速升高，在充放電結(jié)束后電池溫度超過(guò)正常的溫度上限，如果不采用合理的散熱方法，將會(huì)存在熱失控的風(fēng)險(xiǎn)，由此也可以看出為電池組設(shè)計(jì)有效可行的熱管理裝置的必要性。采用相變熱開(kāi)關(guān)溫控?zé)峁芾硐到y(tǒng)后，在電池1C低倍率充放電時(shí)，由于電池的產(chǎn)熱量較少，因此相變材料的潛熱未被利用，熱量通過(guò)顯熱的方式儲(chǔ)存到相變材料中。當(dāng)電池以2 C倍率充放電時(shí)，在電池溫度升高到相變材料的熔點(diǎn)時(shí)，相變材料產(chǎn)生相變，通過(guò)融化來(lái)吸收電池產(chǎn)生的多余熱量，同時(shí)利用相變潛熱將電池的溫度較長(zhǎng)時(shí)間地控制在相變材料的熔點(diǎn)附近，極大程度延長(zhǎng)了電池處于最佳工作溫度區(qū)間的時(shí)間。除此之外，相變材料融化的同時(shí)體積膨脹，推動(dòng)移動(dòng)銅板向冷板貼合，熱開(kāi)關(guān)啟用，調(diào)節(jié)電池與冷板間的等效導(dǎo)熱系數(shù)，增強(qiáng)換熱強(qiáng)度。當(dāng)電池以3 C、4 C的高倍率充放電時(shí)，電池產(chǎn)熱量顯著增大，溫度急劇上升，相變材料利用自身相變吸收一部分的電池?zé)崃?，為電池提供?層溫度保護(hù)。當(dāng)相變材料由固態(tài)轉(zhuǎn)為液態(tài)，潛熱被充分利用后，熱開(kāi)關(guān)在液態(tài)相變材料的推動(dòng)下與冷板完全貼合，減小冷板與鋰離子電池間的導(dǎo)熱熱阻，熱量能有效地通過(guò)熱開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)向外界耗散。除此之外，相變材料的儲(chǔ)熱方式由潛熱蓄熱變?yōu)轱@熱蓄熱，在溫度升高的同時(shí)利用自身比熱也能積蓄部分熱量。熱開(kāi)關(guān)與顯式儲(chǔ)熱二者相結(jié)合，為鋰離子電池提供第2層雙重溫度保護(hù)。通過(guò)多重溫度保護(hù)機(jī)制，熱開(kāi)關(guān)溫控系統(tǒng)能夠有效地將電池的工作溫度控制在合理的工作溫度范圍，提高了電池工作性能的同時(shí)降低了熱失控的風(fēng)險(xiǎn)，具有良好的熱管理性能。
圖6 不同放電倍率電池溫度變化Fig.6 Temperature variation of batteries with different discharge rates
圖7為電池在充放電過(guò)程中產(chǎn)生的總熱量的變化，以及相變儲(chǔ)能和熱開(kāi)關(guān)耗散的熱量變化。在電池產(chǎn)熱的初始階段，相變材料溫度沒(méi)有上升到熔點(diǎn)，因此電池產(chǎn)生的熱量主要通過(guò)電池自身和相變材料的顯式蓄熱進(jìn)行儲(chǔ)存。由于熱開(kāi)關(guān)處于斷開(kāi)狀態(tài)，因此只有極少部分的熱量通過(guò)熱開(kāi)關(guān)向冷板耗散。當(dāng)相變材料的溫度升至熔點(diǎn)后，相變材料的儲(chǔ)能方式從顯式儲(chǔ)熱變?yōu)橄嘧儍?chǔ)熱，因此電池產(chǎn)生的熱量大部分被相變材料的潛熱所吸收，相變儲(chǔ)熱的能量變化曲線與電池生熱曲線高度相似。除此之外，相變材料融化的同時(shí)推動(dòng)冷板運(yùn)動(dòng)，熱開(kāi)關(guān)逐漸啟動(dòng)，隨著相變材料的融化過(guò)程逐漸向冷板貼合，在相變過(guò)程中通過(guò)熱開(kāi)關(guān)向冷板耗散的熱量急劇增加。當(dāng)相變材料的潛熱用盡后，熱開(kāi)關(guān)完全閉合，通過(guò)熱開(kāi)關(guān)向冷板耗散的熱量趨于定值。從整個(gè)過(guò)程來(lái)看，雖然熱開(kāi)關(guān)閉合后可以起到良好的換熱效果，但由于電池與冷板的接觸面積較小，因此熱開(kāi)關(guān)散熱的作用有限。電池的熱量主要通過(guò)相變材料的顯熱和潛熱進(jìn)行儲(chǔ)存，熱開(kāi)關(guān)在相變材料潛熱用盡后起到輔助冷卻的作用。
圖7 電池產(chǎn)熱量及相變儲(chǔ)能和熱開(kāi)關(guān)耗散的熱量變化Fig.7 Heat generation of battery and heat storage of phase change energy and heat dissipation of thermal switch
3.3 電池靜置(降溫)過(guò)程
假設(shè)電池在充放電過(guò)程結(jié)束后進(jìn)入到-20℃的環(huán)境中，并通過(guò)比較不同情況下電池溫度下降到工作溫度區(qū)間下限0℃的有效管理時(shí)間，來(lái)探究新型熱管理系統(tǒng)對(duì)鋰離子電池在低溫環(huán)境中的保溫效果。取電池充放電結(jié)束后的溫度為初始溫度，并假設(shè)在低溫環(huán)境中冷板停止工作，熱開(kāi)關(guān)與冷板接觸側(cè)為自然對(duì)流換熱。圖8為鋰離子電池分別在無(wú)溫控、相變溫控以及相變熱開(kāi)關(guān)溫控3種情景下的溫度變化趨勢(shì)。在無(wú)溫控的情況下，電池與低溫環(huán)境直接進(jìn)行自然對(duì)流換熱，熱量損失的速率較快，并在1 180 s后電池溫度下降到工作溫度區(qū)間的下限。與無(wú)溫控的情況相比，具有相變溫控的系統(tǒng)在溫度下降的過(guò)程中，一方面，相變材料通過(guò)溫度變化利用自身的顯熱向電池提供一部分的熱量；另一方面，在相變材料溫度降至凝固點(diǎn)附近后發(fā)生相變，由液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變，將電池升溫過(guò)程中積蓄的相變潛熱向電池及外界環(huán)境釋放，起到較好的保溫作用。因此，具有相變材料的熱管理系統(tǒng)可以在低溫環(huán)境下極大程度延長(zhǎng)電池處于正常工作的溫度區(qū)間。與相變溫控相比，相變熱開(kāi)關(guān)溫控在相變材料發(fā)生相變后，移動(dòng)銅板與冷板相脫離，并且隨著相變過(guò)程的進(jìn)行，熱開(kāi)關(guān)逐漸關(guān)閉，移動(dòng)銅板與冷板間的空氣層增厚，提高了系統(tǒng)保溫的效果。由于電池與環(huán)境間的換熱過(guò)程主要發(fā)生在電池表面積大的正反面，從其他側(cè)面散失的熱量較少，因此在低溫環(huán)境中熱開(kāi)關(guān)溫控系統(tǒng)雖然具有優(yōu)勢(shì)，但并不明顯，結(jié)果顯示，熱開(kāi)關(guān)溫控系統(tǒng)與相變溫控系統(tǒng)的有效管理時(shí)間分別為1 570 s和1 540 s。
圖8 電池在低溫環(huán)境中的溫度變化Fig.8 Temperature variatioin of battery in cold environment
3.4 電池?zé)衢_(kāi)關(guān)升溫過(guò)程中的開(kāi)關(guān)比
采用開(kāi)關(guān)比的定義來(lái)比較熱開(kāi)關(guān)閉合/斷開(kāi)時(shí)對(duì)傳熱過(guò)程中熱流調(diào)節(jié)的效果。定義開(kāi)關(guān)比為熱開(kāi)關(guān)斷開(kāi)與閉合時(shí)的等效熱阻之比，其表達(dá)式為
其中R為等效熱阻，下標(biāo)off與on分別表示斷開(kāi)與閉合，其計(jì)算表達(dá)式為
式中：Tbattery為熱開(kāi)關(guān)電池側(cè)的溫度；Tp為冷板溫度；q為通過(guò)熱開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)的法向熱流密度。
在4 C充放電倍率下，熱開(kāi)關(guān)的等效熱阻隨時(shí)間變化如圖9所示。在初始階段，電池釋放的熱量被相變材料和自身的顯熱吸收，相變材料的溫度沒(méi)有達(dá)到熔點(diǎn)，熱開(kāi)關(guān)處于斷開(kāi)狀態(tài)。由于電池在放電過(guò)程中熱量隨時(shí)間會(huì)有較大波動(dòng)，因此在熱開(kāi)關(guān)啟用之前等效熱阻會(huì)略有波動(dòng)，但總體保持在0.15～0.18 m2·K/W的范圍內(nèi)。當(dāng)相變材料發(fā)生相變后，相變材料由固態(tài)轉(zhuǎn)為液態(tài)，體積發(fā)生顯著變化，推動(dòng)熱開(kāi)關(guān)向冷板貼合，熱開(kāi)關(guān)開(kāi)始啟動(dòng)。導(dǎo)熱系數(shù)較低的空氣層隨著熱開(kāi)關(guān)的閉合逐漸減小，等效熱阻減小。當(dāng)相變過(guò)程結(jié)束后，熱開(kāi)關(guān)閉合，等效熱阻降低至0.02 m2·K/W附近，并且放電結(jié)束后等效熱阻為0.016 m2·K/W，因此顯著增強(qiáng)了電池與冷板間的換熱效果。熱開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)比達(dá)到11.25∶1，說(shuō)明熱開(kāi)關(guān)溫控系統(tǒng)在鋰離子電池溫度保護(hù)機(jī)制中對(duì)熱流具有良好的調(diào)控作用。
圖9 等效熱阻的變化Fig.9 Variation of thermal resistance
4 結(jié)論
1）通過(guò)對(duì)相變材料在熱管理裝置中的填充量進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)填充量較小時(shí)熱管理系統(tǒng)的溫度管理效果不佳，當(dāng)填充量較大時(shí)會(huì)降低熱開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)比，削弱熱開(kāi)關(guān)的溫度調(diào)控效果。填充量為75%時(shí)能夠同時(shí)較好地滿足熱管理系統(tǒng)輕量化和對(duì)電池有效溫控的需求。
2）對(duì)于無(wú)熱管理系統(tǒng)的電池而言，電池在高倍率充放電工作時(shí)，充放電結(jié)束后電池溫度超過(guò)正常工作區(qū)間。對(duì)于采用相變材料耦合熱開(kāi)關(guān)的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，相變潛熱與熱開(kāi)關(guān)為電池提供雙重溫度保護(hù)，因此電池在高倍率充放電時(shí)，溫度依舊處于正常的工作溫度區(qū)間，具有良好的控溫性能。
3）低溫條件下，無(wú)熱管理系統(tǒng)的電池?zé)崃可⑹л^快，而對(duì)于具有相變材料耦合熱開(kāi)關(guān)的溫控系統(tǒng)，當(dāng)電池溫度降低至相變材料熔點(diǎn)附近時(shí)，相變材料凝固并將電池升溫過(guò)程中積蓄的熱量向電池釋放，為電池持續(xù)提供熱量，因此有效延長(zhǎng)了電池處于正常溫度區(qū)間的時(shí)間。
4）以75%填充量為例分析了熱開(kāi)關(guān)的溫控調(diào)節(jié)性能。熱開(kāi)關(guān)在斷開(kāi)/閉合時(shí)的等效熱阻分別為0.016和0.18 m2·K/W，開(kāi)關(guān)比達(dá)到11.25∶1，因此具有顯著的溫度調(diào)節(jié)效果。
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