徐笑鋒 周 易

上海海立電器有限公司

0 緒論

隨著新能源汽車的高速發(fā)展，動(dòng)力電池作為電動(dòng)汽車的主要?jiǎng)恿υ?，受到大量學(xué)者的廣泛關(guān)注。高比能和高工作電壓的鋰離子電池被認(rèn)為是電動(dòng)汽車和混合電動(dòng)汽車的最佳電源［1］。但是鋰離子電池過熱會導(dǎo)致電池容量衰減［2-3］，導(dǎo)致電池性能下降，甚至可能造成熱失控或者爆炸等潛在風(fēng)險(xiǎn)［4-7］，電池組應(yīng)該有一個(gè)最佳的工作溫度范圍30~50℃和最大溫差5 k［8］。因此研究動(dòng)力電池的熱管理系統(tǒng)對改善動(dòng)力電池的使用壽命，使電池在安全溫度下獲得最大功率具有重要意義。

目前，對動(dòng)力電池?zé)峁芾淼姆椒ㄖ饕獨(dú)w納為空氣冷卻、熱管冷卻、液體冷卻和相變材料冷卻。空氣冷卻具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、成本低的優(yōu)點(diǎn)［9］，但是空氣的換熱系數(shù)有限。熱管冷卻［10］具有成本高且受到局部重力影響的缺點(diǎn)。液體冷卻［11-12］方式的導(dǎo)熱系數(shù)高，冷卻效率高，但是結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，對密封性的要求也較高。相變材料冷卻具有無需外加能耗、成本低、溫度分布均勻、相變潛熱大等優(yōu)點(diǎn)，近年來，這種電池冷卻方式受到越來越多的關(guān)注。目前，許多創(chuàng)新材料和復(fù)合相變材料已經(jīng)被研究，通過提高導(dǎo)熱系數(shù)來進(jìn)一步提高相變冷卻性能。Karimi等［13］實(shí)驗(yàn)研究在PCM中加入金屬基體和金屬顆粒以提高傳熱速率，結(jié)果表明含銀納米顆粒的復(fù)合材料表現(xiàn)出比其它復(fù)合材料更好的熱性能。R.Kizilel等［14］研究了相變材料被動(dòng)式冷卻熱管理系統(tǒng)，并與強(qiáng)制性風(fēng)冷系統(tǒng)相比較，結(jié)果表明相變材料散熱效果比風(fēng)冷效果好并且能較好地保持溫度的均勻性。Wang等［15］實(shí)驗(yàn)研究了純石蠟和石蠟/泡沫復(fù)合相變材料的蓄熱性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明泡沫鋁的使用可以加快熔煉過程，提高PCM的溫度均勻性。Samimi等［16］研究了在PCM內(nèi)加碳纖維對其熱性能的影響，結(jié)果表明，碳纖維的存在增加了PCM的有效導(dǎo)熱系數(shù)，從而影響了電池內(nèi)部的溫度分布。

綜上所述，傳統(tǒng)的散熱方法如強(qiáng)制空氣冷卻和液體冷卻得到了廣泛的發(fā)展，液體冷卻的效率高，而相變材料冷卻使溫度分布最均勻。但是，當(dāng)相變材料完全達(dá)到熔融狀態(tài)后，電池溫度繼續(xù)增加，相變材料的熱量無法排出，就會造成相變材料的溫度隨電池溫度一起增加。為了使動(dòng)力電池能夠展現(xiàn)更好的性能，本文將相變材料與液體冷卻系統(tǒng)相結(jié)合進(jìn)行了模擬研究，分別研究了相變潛熱、冷卻水流方向以及冷卻水流速對電池溫升的影響。相變材料選用石蠟，由于在各種相變材料中，石蠟具有熔融潛熱大、化學(xué)穩(wěn)定性好、可循環(huán)利用等特點(diǎn)，因此石蠟通常被認(rèn)為是能源系統(tǒng)中最有前途的候選材料之一。

1 數(shù)值模擬

1.1 物理模型

本文采用有機(jī)相變材料與液體冷卻耦合系統(tǒng)（如圖1所示）。仿真選用的是2 Ah的18650型號圓柱形鋰電池，電池間距為22 mm，電池相關(guān)的參數(shù)如表1所示。電池在充電過程中以4 C恒流充電至4.2 V，然后以4.2 V恒壓充電至0.5 A；放電過程以4 C恒流放電至2.75 V。相變材料采用石蠟，石蠟的物性參數(shù)如表2所示。模型尺寸為110 mm×44 mm×65 mm。冷卻液管管道位于兩排電池的中間，電池的外圍是相變材料。電池產(chǎn)生的熱量一部分由相變材料吸收，一部分由水管中的冷卻水帶走，隨著相變材料的溫度升高，冷卻液由外部冷卻系統(tǒng)進(jìn)入管道也會帶走相變材料中的熱量，從而達(dá)到電池冷卻的效果。

圖1 相變材料和液冷耦合模型

表1 電池的參數(shù)

表2 石蠟的物性參數(shù)

1.2 控制方程

電池處于絕熱的狀態(tài)下，電池內(nèi)容產(chǎn)生的熱量Qb

式中，Tb1和Tb2分別是電池的初始溫度和放電結(jié)束溫度，Cb是電池的比熱容。

電池內(nèi)部產(chǎn)生的一部分熱量被冷卻水帶走，這部分熱量Qw表達(dá)式為

式中，Qw為管道中水吸收的熱量，Tin為進(jìn)水溫度，Tout為出水溫度，Tave為進(jìn)出水的平均溫度，ρw為水平均溫度時(shí)的密度，Cw為水平均溫度時(shí)的比熱容。

忽略重力的影響，熔融過程中PCM內(nèi)部不存在自然對流，因此，只發(fā)生在相變過程中的PCM是一個(gè)純熱傳導(dǎo)的問題。PCM中的能量守恒方程為：

式中ρ為PCM的密度，H為PCM的焓，k為PCM的熱導(dǎo)率。

在相變材料和液體冷卻系統(tǒng)中，選擇水作為冷卻介質(zhì)，管道內(nèi)液體水的能量守恒方程為：

式中，ρw為水的密度，Cw為水的比熱容，Tw為水的溫度，ν→為管道中水流速度矢量，P為水的靜壓。

1.3 網(wǎng)格劃分

在數(shù)值模擬中，網(wǎng)格的質(zhì)量會直接影響到計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性，因此對網(wǎng)格進(jìn)行合理的劃分是非常有必要的。在離散方案中采用了自由網(wǎng)格法，生成四面體網(wǎng)格，求解器采用COMSOL，因?yàn)殡姵乇砻媸莻鳠徇^程發(fā)生的關(guān)鍵部分，對該區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，以提高模擬的精度，詳細(xì)的網(wǎng)格細(xì)化方案如圖2所示。為了確保模擬結(jié)果與網(wǎng)格無關(guān)，得到了純相變時(shí)不同有限網(wǎng)格數(shù)下最大電池溫度（如圖3所示）?？梢杂^察到，網(wǎng)格數(shù)為16萬和24萬時(shí)的溫升曲線相接近，在誤差可接受范圍之內(nèi)。此外，隨著網(wǎng)格數(shù)的增加，計(jì)算時(shí)間顯著增加。因此，考慮到計(jì)算時(shí)間和精度，在網(wǎng)格數(shù)為30萬的情況下進(jìn)行了后續(xù)的模擬。

圖2 模型網(wǎng)格

圖3 網(wǎng)格無關(guān)解圖

2 結(jié)果與討論

2.1 相變潛熱對電池溫升的影響

為了研究不同的相變潛熱對電池溫升的影響，采用石蠟的參數(shù)，僅改變相變材料的潛熱值，計(jì)算了潛熱值分別為0 kJ/kg、100 kJ/kg、200.66 kJ/kg和300 kJ/kg時(shí)電池的溫度分布。當(dāng)相變潛熱為0 kJ/kg時(shí)，電池表面溫度呈直線上升，相當(dāng)于沒有采取電池冷卻的措施。當(dāng)相變潛熱為100 kJ/kg，電池溫度達(dá)到相變材料的相變溫度時(shí)，電池溫度增加緩慢，相變材料完全變?yōu)槿廴跔顟B(tài)后，電池表面的溫度繼續(xù)呈直線上升，且很快超過電池正常工作的溫度范圍。隨著相變潛熱的增加，電池正常工作的時(shí)間也相對增加。相變材料的潛熱值越大，材料吸收存儲的熱量越多，就會抑制電池溫度的上升，從而延長電池的使用壽命（見圖4）。

2.2 冷卻水流向?qū)﹄姵販厣挠绊?/h3>

由圖4得出相變材料吸收電池產(chǎn)生的熱量，但是由于相變材料內(nèi)的熱量散不出去，當(dāng)相變材料完全變?yōu)槿廴跔顟B(tài)之后，電池的溫度還是會呈直線上升。為了解決這一問題加入液冷系統(tǒng)，在相變材料達(dá)到熔融狀態(tài)時(shí)開啟液體冷卻系統(tǒng)。如圖5是冷卻管流速為0.005 m/s時(shí)，水流方向?yàn)橥蚝徒徊鏁r(shí)的云圖，分別截取了XY平面Z=32.5、XZ平面Y=0、44、88。從云圖中看出交叉水流時(shí)的溫度分布比同向時(shí)的水流分布更加均勻，使電池在放電過程中的換熱更加均勻，從而減小了電池之間的最大溫差。不同流向針對的電池的溫度變化情況如圖6所示。與同向流速相比，交叉流速溫升更為緩慢，在1 800 s時(shí)，同向流速的電池溫度比交叉流速的電池溫度增加了1.4 k。

圖4 采用不同潛熱值的相變材料電池表面的溫度變化

圖5 不同流向時(shí)電池溫度的云圖

圖6 不同流向時(shí)電池的溫升圖

2.3 冷卻水流速對電池溫升的影響

由上文可知，冷卻水流向?yàn)榻徊鏁r(shí)效果更好，因此下文冷卻水采用交叉流向。在25℃的環(huán)境溫度下，相變材料石蠟的相變溫度為37 K，冷卻水在入口處的溫度為25℃，小于電池運(yùn)行過程中的最大溫度。如圖7所示當(dāng)冷卻水流速為0 m/s時(shí)，電池處于純相變材料冷卻，此時(shí)，電池完全放電后，相變材料變?yōu)槿廴跔顟B(tài)后，電池溫度與相變材料溫度一起增加，從而使電池最高溫度超出電池的最佳溫度。在約為1 100 s以后，電池溫度呈直線上升，當(dāng)相變材料達(dá)到熔融狀態(tài)時(shí)液體冷卻系統(tǒng)開啟，電池的溫升顯著下降，說明相變材料耦合液冷系統(tǒng)能夠有效地控制電池的最高溫升。當(dāng)液體冷卻系統(tǒng)開啟后，分別計(jì)算了流速為0.001 m/s、0.005 m/s、0.01 m/s、0.05 m/s以及0.1 m/s。當(dāng)流速為0.001 m/s時(shí)，電池表面的最大溫度依然呈上升的趨勢，在1 800 s時(shí)，比流速為0 m/s時(shí)電池的最大溫度降低了6.48 K。當(dāng)流速為0.005 m/s時(shí)，電池的最大溫度增加極其緩慢，比流速為0.001 m/s時(shí)電池溫度降低了8.83 K。繼續(xù)增大流速，當(dāng)流速為0.01 m/s時(shí)，電池表面的溫度不再增加，呈現(xiàn)出下降的趨勢。當(dāng)流速增加到0.05 m/s時(shí)，繼續(xù)增加冷卻水的流速，發(fā)現(xiàn)冷卻水的流速對電池表面溫度的影響變小。流速為0.05 m/s與流速為0.1 m/s的電池表面溫度幾乎重合，電池表面溫度下降了0.63 K。

圖7 不同流速下電池的溫度分布圖

3 結(jié)論

本文通過相變材料和液體系統(tǒng)耦合對鋰電池充放電過程中電池溫度的分析，分別研究了相變潛熱、冷卻水不同流向以及冷卻水的流速對電池?zé)峁芾淼挠绊?，得出以下結(jié)論：

1）隨著相變潛熱的增加，電池在最佳溫度范圍下工作時(shí)長增加。因此，尋找相變潛熱大的材料對電池?zé)峁芾淼难芯恳饬x重大。液冷系統(tǒng)中，水流的方向不同，電池的最高溫度也會呈現(xiàn)不同的溫升趨勢。冷卻水交叉流時(shí)，電池的最大溫度明顯降低，且電池間的溫度也更趨于均勻。

2）隨著冷卻水流速的增加，電池的最大溫度變小，當(dāng)流速增加到一定程度時(shí)，繼續(xù)增大冷卻水流速對電池的溫度變化影響不大，因此，存在一個(gè)最佳的流速。相變材料與液體冷卻系統(tǒng)耦合能夠更好地控制電池的溫度，但是加入液體冷卻系統(tǒng)之后，電池表面溫度的均勻性就會被破壞，因此需要尋求更好的排列方式減小這種損失。