PCM與液體協(xié)同冷卻的電池組熱仿真研究

王印霜，鄒得球，賀瑞軍，馬 群

(寧波大學(xué)海運(yùn)學(xué)院，浙江寧波315211)

新能源汽車(NEV)與傳統(tǒng)燃油汽車相比，可以減少尾氣排放、降低燃油消耗[1]。它發(fā)展的主要技術(shù)方向是純電動(dòng)汽車(EV)。2019年，新能源汽車產(chǎn)銷分別完成124.2 萬輛和120.6 萬輛。其中，純電動(dòng)汽車產(chǎn)銷分別完成102 萬輛和97.2萬輛。

鋰離子電池電壓高、能量密度高、自放電率低、壽命長(zhǎng)。鋰離子電池組是純電動(dòng)汽車主流供能裝置[2]。鋰離子電池的性能受溫度影響很大[3]。電池充放電過程中會(huì)產(chǎn)生熱量使得電池溫度升高。當(dāng)電池溫度持續(xù)升高且熱量無法及時(shí)散失時(shí)會(huì)影響電池的性能，甚至?xí)鸢踩珕栴}[4]。

單體電池之間性能(容量、內(nèi)部電阻和自放電率)的差異在使用過程中會(huì)加劇和擴(kuò)大。不一致性加大會(huì)導(dǎo)致電池性能下降、安全性變差[5]。因此，有效的熱管理(調(diào)控電池溫度和溫差)是實(shí)現(xiàn)電池安全可靠工作的重要技術(shù)之一。

電池組傳統(tǒng)熱管理方式有空冷、液冷和相變材料(PCM)冷卻[6]。

空氣冷卻技術(shù)研究主要集中在冷卻介質(zhì)出入口位置設(shè)置、電池間距選擇、電池排列方式選擇和空氣流量大小等對(duì)冷卻效果的影響方面。比如，Wei 等[7]通過毛細(xì)管效應(yīng)、Yang等[8]通過噴水蒸發(fā)對(duì)空氣進(jìn)行預(yù)冷來研究電池組的冷卻效果。以空氣為介質(zhì)的熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，使用安全可靠。但是，空氣熱容小、熱導(dǎo)率小，這導(dǎo)致冷卻效果不佳。

液相冷卻技術(shù)研究主要集中在冷卻通道截面形狀優(yōu)化、通道分布形式、冷卻液流量和溫度等參數(shù)選擇、電池與通道的接觸面積設(shè)計(jì)等對(duì)冷卻效果的影響方面[9-18]。液冷是一種高效快速冷卻方式，但冷卻時(shí)易導(dǎo)致電池組存在較大溫差現(xiàn)象[19]。

純相變材料冷卻技術(shù)研究集中在復(fù)合相變材料制備方面。相變材料在冷卻過程中需要?dú)庖合噢D(zhuǎn)化，存在泄露的可能。單一的相變材料導(dǎo)熱系數(shù)低，熱傳導(dǎo)時(shí)熱阻大。所以，研究者把相變材料改性和復(fù)合材料開發(fā)作為重點(diǎn)。這類復(fù)合材料主要包括石蠟/氣相二氧化硅、石蠟/膨脹石墨、石蠟/切割銅纖維燒結(jié)骨架、石蠟/泡沫銅、聚乙二醇/鋁絲網(wǎng)板、石蠟/高嶺土/膨脹石墨、石蠟/石墨烯/碳納米管等[20-25]。PCM 冷卻是被動(dòng)冷卻方式，當(dāng)電池組以高倍率放電、高溫度環(huán)境下工作時(shí)，冷卻效果難以達(dá)到最佳溫度[26]。

兩種或兩種以上冷卻方式組合疊加是動(dòng)力電池?zé)峁芾砑夹g(shù)重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容，采用混合冷卻方式的熱管理系統(tǒng)能進(jìn)一步降低最高溫度并改善溫度均勻性。比如，有研究者將PCM和風(fēng)冷(空冷)、PCM 和液冷相結(jié)合用于熱管理[27-38]。

本文以PCM 和液冷相結(jié)合方式熱管理系統(tǒng)為對(duì)象，利用CFD 數(shù)值方法，分析冷卻通道結(jié)構(gòu)、冷卻液流速、入口處液體溫度、通道壁厚和熱導(dǎo)率對(duì)電池組冷卻效果的影響。

1 數(shù)值求解和模型驗(yàn)證

1.1 物理模型

用長(zhǎng)方體(長(zhǎng)×寬×高：100 mm×36 mm×100 mm)模擬電池組。當(dāng)高倍率放電時(shí)，將其看作發(fā)熱源。

利用ANSYS spaceclaim 進(jìn)行建模，假定電池組單體按4×3 排列。液體冷卻通道與電池組結(jié)合的三維幾何模型見圖1。

圖1 冷卻通道結(jié)構(gòu)模型

液體通道設(shè)計(jì)三種不同的冷卻結(jié)構(gòu)模型。如圖1所示，類型Ⅰ為單通道；類型Ⅱ?yàn)殡p通道，流體從中間的入口1、2 流進(jìn)通道后分別從出口1、2 流出；類型Ⅲ為每排電池間及電池與環(huán)境間布置通道,即五個(gè)并行通道，流體從入口流進(jìn)并分流到各通道中，然后匯集到出口流出。

1.2 數(shù)學(xué)模型

1.2.1 生熱公式

單體電池參照38120 型磷酸鐵鋰電池設(shè)定相關(guān)參數(shù)，參數(shù)見表1。

表1 38120 型動(dòng)力電池性能參數(shù)表

依據(jù)Bernardi[39]所建立的電池產(chǎn)熱功率模型估算產(chǎn)熱功率，見式(1)：

式中：I為電流；V為電池體積；U0為開路電壓；U為端電壓；T為初始溫度；?U0/?T為電壓溫度系數(shù)；R為電池內(nèi)阻。

計(jì)算不同放電倍率(3C、4C和5C)下的產(chǎn)熱功率，經(jīng)計(jì)算，產(chǎn)熱功率分別為20、31 和44 W。

利用公式(2)計(jì)算熱源模擬器的輸出電壓，熱源模擬器選用直流穩(wěn)壓電源。

式中：U為熱源模擬器(直流穩(wěn)壓電源)需要施加的電壓；P為產(chǎn)生的熱功率；R為所搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)總熱阻。

1.2.2 仿真計(jì)算

電池組中最高溫度低于55 ℃，此過程為相變材料被動(dòng)冷卻；達(dá)到55 ℃時(shí)，啟動(dòng)液冷，此時(shí)為相變材料和液冷協(xié)同冷卻。

選擇求解器的類型為瞬態(tài)，計(jì)算域包括固體域(電池)和流體域(定型相變材料和流體)?？諝庾匀粚?duì)流時(shí)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)約為5～25 W/(m2·K)，計(jì)算中，對(duì)流換熱系數(shù)設(shè)定為7 W/(m2·K)。初始溫度設(shè)為20 ℃，時(shí)間步長(zhǎng)1 s，每次迭代最大次數(shù)為20 步。壁面設(shè)為絕熱。

1.3 模型驗(yàn)證

以膨脹石墨吸附石蠟壓制具有通道的定型相變材料與六個(gè)電池單體成動(dòng)力電池組，冷卻實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)見圖2。電池兩側(cè)是利用定型相變材料構(gòu)建的通道。通道截面為長(zhǎng)方形，寬×高：30 mm×70 mm，壁厚10 mm，總長(zhǎng)度320 mm。為了避免電池和通道接觸不緊密所帶來的接觸熱阻，在電池和通道之間涂抹一層銀硅脂。

圖2 定型相變材料構(gòu)建液冷通道的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

如圖3(a)所示，對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行建模，并進(jìn)行了仿真分析。熱電偶布置方式如圖3(b)所示，分別測(cè)各電池壁面的溫度。

圖3 (a)定型相變材料構(gòu)建液冷通道動(dòng)力電池組(b)熱電偶布置方式

以電池組中的最高溫度為例，將仿真值和實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行了比較。如圖4所示，電池組4C恒流放電，冷卻水入口溫度為20 ℃，流速為0.38 m/s，數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)的溫度隨時(shí)間的變化有很高的一致性。在整個(gè)溫度變化過程中，1 480 s時(shí)對(duì)應(yīng)點(diǎn)仿真值和實(shí)驗(yàn)值的絕對(duì)誤差最大，為1.9 ℃，相對(duì)誤差為3.7%，說明了模型、熱源、邊界條件和材料屬性等參數(shù)設(shè)置的合理性。

圖4 電池組最高溫度隨時(shí)間的變化曲線

2 結(jié)果和討論

對(duì)基于相變材料和液冷相結(jié)合的熱管理方式的傳熱結(jié)構(gòu)來說，熱量傳遞主要有電池和相變材料通道之間的熱傳導(dǎo)，通道和冷卻液之間的對(duì)流傳熱。而影響熱傳導(dǎo)的主要因素是通道的壁厚和熱導(dǎo)率，影響對(duì)流換熱的主要因素是冷卻液溫度和流速。采用單一變量控制法對(duì)上述的影響因素進(jìn)行了探索。

2.1 通道結(jié)構(gòu)對(duì)冷卻效果的影響

如圖5所示，生熱功率為20 W 時(shí)，三種冷卻結(jié)構(gòu)達(dá)到55 ℃的時(shí)間分別為1 625、1 783 和1 635 s。因?yàn)樵陔p進(jìn)出(類型Ⅱ)時(shí)多一個(gè)冷卻通道，所以達(dá)到55 ℃的時(shí)間有所提高，而單進(jìn)出和并行通道達(dá)到55 ℃的時(shí)間基本一致，說明達(dá)到臨界溫度的時(shí)間與通道的數(shù)量(復(fù)合相變材料的質(zhì)量)相關(guān)，而與布置方式無關(guān)。

圖5 不同冷卻結(jié)構(gòu)下電池組最高溫度的溫升曲線

電池組最高溫度達(dá)到55 ℃時(shí)，啟動(dòng)液冷，流速為0.1 m/s，比較了三種冷卻結(jié)構(gòu)電池組的最高溫度和最大溫差。如圖6所示，冷卻10 min 后，電池組的最高溫度和最大溫差排序均為類型Ⅰ＞類型Ⅱ＞類型Ⅲ。具體的，三種類型的最高溫度分別為36.2、34.1 和31.7 ℃，最大溫差分別為3.6、1.4 和0.3 ℃。冷卻100 s 后，電池組的溫度分布如圖7所示，高溫區(qū)域分布在冷卻液的末段。與類型Ⅰ和類型Ⅱ相比，類型Ⅲ(并行通道)縮短了液體的流動(dòng)路徑。類型III 結(jié)構(gòu)電池組最高溫度值降低了，電池組溫差變小了。

圖6 不同冷卻結(jié)構(gòu)下電池組的最高溫度和最大溫差

圖7 電池組熱仿真溫度分布云圖

2.2 通道結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過比較，并行通道電池組的冷卻效果較好。考慮到分液和集液時(shí)流體邊界區(qū)域會(huì)發(fā)生急劇變化，對(duì)并行通道的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。分液時(shí)，隨著液體流進(jìn)支路，分液通道里的液體變少，于是按液體的體積將分液和集液通道由直通道變?yōu)椴灰?guī)則的通道。流體流經(jīng)平順管道進(jìn)口時(shí)，可以減小局部損失系數(shù)，流體流動(dòng)阻力變小。所以，在不規(guī)則分液和集液通道中對(duì)支路連接處進(jìn)行平滑(倒圓角)處理。不同結(jié)構(gòu)的分液、集液散熱通道模型見圖8。

圖8 不同結(jié)構(gòu)的分液、集液散熱模型

電池生熱功率為20 W，冷卻液的流速為0.1 m/s，冷卻液為水，入口溫度為30 ℃，冷卻10 min。通過結(jié)構(gòu)的改變，電池組最高溫度略有下降(＜0.3 ℃)，最大溫差基本相同。與規(guī)則直通道比，不規(guī)則通道和倒圓角通道壓力損失分別降低了10.0%和28.5%。結(jié)果表明，分液、集液連接處倒圓角可以降低壓力損失。采用倒圓角并行通道結(jié)構(gòu)是優(yōu)化選擇。

2.3 流速對(duì)冷卻效果的影響

并行通道冷卻結(jié)構(gòu)倒圓角時(shí)，冷卻10 min 后，比較了不同流速下，電池的最高溫度、最大溫差和壓力損失。冷卻液流速由0.05 m/s 提高到0.1 m/s，電池組最高溫度和最大溫差分別下降了1.2 和1.4 ℃；當(dāng)流速大于0.15 m/s 時(shí)，繼續(xù)提高流速，最高溫度略有下降(＜0.2 ℃)、最大溫差基本相同，冷卻系統(tǒng)壓力損失變大。冷卻液流速對(duì)電池組冷卻效果的影響見圖9。綜合考慮冷卻效果和壓力損失，流速設(shè)定在0.1～0.15 m/s 具有優(yōu)勢(shì)。

圖9 冷卻液流速對(duì)電池組冷卻效果的影響

2.4 冷卻液入口溫度對(duì)冷卻效果的影響

當(dāng)冷卻結(jié)構(gòu)為倒圓角的并行通道時(shí)，冷卻10 min 后，流速為0.15 m/s，比較了冷卻液的入口溫度(15～35 ℃)對(duì)冷卻效果的影響。如圖10所示，冷卻液溫度越低，電池組趨于穩(wěn)定所需要的冷卻時(shí)間越長(zhǎng)。這是因?yàn)樵谳^長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，冷卻液溫度比電池組的溫度低。冷卻10 min 后，冷卻液入口溫度從低到高所對(duì)應(yīng)的電池組溫度分別為17.7、22.6、27.6、32.5 和37.4 ℃，可以發(fā)現(xiàn)在該冷卻條件下，電池組最終的溫度比冷卻液入口溫度高2～3 ℃。

圖10 冷卻液的溫度對(duì)電池組溫度的影響

不同冷卻液入口溫度下，電池組的最大溫差在冷卻10 min后基本相同(約0.3 ℃)，但是冷卻過程中有差別。如圖11(a)所示：冷卻前(t=0 s)隨電池組放電發(fā)熱，電池間存在較大溫差，最大溫差為6.5 ℃。當(dāng)冷卻液入口溫度≤25 ℃時(shí)，冷卻過程前12 s，由于電池組被冷卻液降溫，溫差逐漸減小，12 s 后冷卻液吸收熱量，從入口到出口溫度逐漸升高，出口處與電池的換熱量較小，電池溫度依然較高，入口處冷卻液溫度較低，入口處電池降溫較快，最終電池間溫差增大。由于電池最高溫度一直降低，冷卻液與電池組之間的換熱減少，出入口的溫度差異減小，最終電池間的溫差越來越小。

圖11 冷卻液的溫度對(duì)電池組溫差的影響

冷卻液的溫度對(duì)電池組溫差的影響見圖11。圖11(b)折線圖為12 s 后不同冷卻液溫度下電池組最大溫差，條形圖為12 s 后的冷卻過程溫差大于5 ℃的持續(xù)時(shí)間。當(dāng)冷卻液入口溫度≥25 ℃時(shí)，電池組溫差≤5 ℃，有利于電池組的熱管理。

2.5 通道壁厚對(duì)冷卻效果的影響

假定電池組采用倒圓角的并行通道結(jié)構(gòu)冷卻。當(dāng)生熱功率為20 W，流速為0.15 m/s，冷卻液入口的溫度為30 ℃時(shí)，比較了冷卻通道的壁厚(2、3、4 和5 mm)對(duì)電池組冷卻效果的影響。通道壁厚提高，電池溫度達(dá)到55 ℃的時(shí)刻延遲，提高了電池組的溫控效果。這是因?yàn)橥ǖ赖牟牧鲜菑?fù)合相變材料，相同密度下，通道壁厚越厚，意味著系統(tǒng)的儲(chǔ)熱能力越大。通道壁厚為2、3、4 和5 mm 達(dá)到55 ℃對(duì)應(yīng)的時(shí)間分別為1 635、1 783、1 938 和2 099 s；冷卻10 min 后，電池組的溫度有所上升，分別為31.9、32.5、32.5 和33.0 ℃。

如圖12所示，比較了啟動(dòng)液冷后，通道壁厚對(duì)電池組溫差的影響。隨著通道壁厚的提高，電池組的溫差提高，壁厚為5 mm 時(shí)的最大溫差為7.49 ℃。根據(jù)公式(3)，當(dāng)通道壁厚提高時(shí)，模塊的導(dǎo)熱熱阻提高，使得液體和電池兩端有了較大的溫差，進(jìn)而使得電池組之間的溫差提高。

圖12 不同厚度下模塊最大溫差隨冷卻時(shí)間的變化曲線

式中：Rλ為導(dǎo)熱熱阻；σ 為通道的壁厚；λ 為熱導(dǎo)率。

綜合考慮通道的厚度對(duì)動(dòng)力電池組時(shí)間和空間溫度分布的影響，通道厚度為4 mm 是合適的。

2.6 通道的熱導(dǎo)率對(duì)冷卻效果的影響

假設(shè)生熱功率為20 W，冷卻結(jié)構(gòu)為倒圓角的并行通道，流速為0.15 m/s，冷卻液入口的溫度為30 ℃，通道壁厚4 mm，比較冷卻通道熱導(dǎo)率[λ=0.2，0.5，1，2，3，4，6，8 W/(m·K)]對(duì)電池組冷卻效果的影響。

未啟動(dòng)液冷時(shí)，通道熱導(dǎo)率的影響見圖13。同一時(shí)刻，隨著通道熱導(dǎo)率的提高，電池組的最高溫度降低，最大溫差提高。因?yàn)楫?dāng)熱導(dǎo)率提高，有更多的熱量從電池組散發(fā)到環(huán)境中，使得電池組的最高溫度降低；較中間區(qū)域的電池，熱導(dǎo)率提高對(duì)外側(cè)電池的散熱強(qiáng)化效果更好，使得電池組的溫差提高。

圖13 未啟動(dòng)液冷時(shí)，通道熱導(dǎo)率的影響

啟動(dòng)液冷，通道熱導(dǎo)率對(duì)電池組溫度的影響見圖14。以電池組的平均溫度為例，冷卻10 min 后，隨著熱導(dǎo)率的提高，電池組的溫度減低。特別是熱導(dǎo)率＜2 W/(m·K)時(shí)，熱導(dǎo)率提高，電池組的溫度有較大幅度的降低；而當(dāng)熱導(dǎo)率＞3 W/(m·K)時(shí)，繼續(xù)提高熱導(dǎo)率，電池組的溫度降低不明顯，說明此時(shí)提高熱導(dǎo)率對(duì)改善電池模塊的冷卻效果有限。綜合考慮，通道的熱導(dǎo)率為2～3 W/(m·K)時(shí)，對(duì)電池組的熱管理具有優(yōu)勢(shì)。

圖14 啟動(dòng)液冷，通道熱導(dǎo)率對(duì)電池組溫度的影響

圖15 為冷卻通道熱導(dǎo)率為3 W/(m·K)時(shí)，冷卻時(shí)間分別為0、300 和600 s 時(shí)溫度分布圖。0 s 時(shí)動(dòng)力電池組最高溫度達(dá)到55 ℃，高溫區(qū)域集中在中間。當(dāng)冷卻300 s 后，冷卻液流動(dòng)時(shí)吸收一定熱量，在出口段溫度升高，所以出口附近的電池降溫效果相比入口處較差。當(dāng)冷卻600 s 后，電池最高溫度和最大溫差分別降到33 和0.19 ℃。

圖15 不同冷卻時(shí)間溫度分布圖

3 結(jié)論

研究了基于相變材料與液體協(xié)同冷卻的動(dòng)力電池組傳熱特性，進(jìn)行了數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。研究結(jié)果如下：

(1)電池組熱仿真計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值最大誤差為3.7%，說明模型是正確和適用的；

(2)與單進(jìn)出和雙進(jìn)出結(jié)構(gòu)相比較，并行通道在降低電池組最高溫度的同時(shí)也減小了電池組的最大溫差，通道接口處倒圓角可以降低壓力損失28.5%；

(3)電池組的最高溫度和溫差隨著流速的提高而減小，當(dāng)流速＞0.15 m/s 時(shí)，繼續(xù)提高流速，最高溫度略有下降(＜0.2 ℃)，溫差基本相同，壓力損失有很大程度提高；

(4)電池組溫度隨著冷卻液入口溫度的升高而升高，在啟動(dòng)液冷的冷卻過程中，電池組的溫度低(<25 ℃時(shí))不利于對(duì)電池組溫差的控制，冷卻液的溫度設(shè)定在25～35 ℃有利于電池組的熱管理；

(5)通道厚度提高，系統(tǒng)的儲(chǔ)熱能力提高，相應(yīng)的可以延遲電池組達(dá)到55 ℃的時(shí)刻；但是，電池組的溫差會(huì)提高，需要從未啟動(dòng)液冷和啟動(dòng)液冷整周期來考慮通道厚度對(duì)電池組最高溫度和溫差的控制；

(6)未啟動(dòng)液冷時(shí)，隨著通道熱導(dǎo)率的提高，電池組的最高溫度降低，溫差提高；啟動(dòng)液冷后，隨著熱導(dǎo)率的提高，電池組的最高溫度降低，但是下降幅度趨緩，當(dāng)通道的熱導(dǎo)率為2～3 W/(m·K)時(shí)，對(duì)電池組的熱管理具有優(yōu)勢(shì)。