采用相變熱開關(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]，超過該范圍，會造成放電效率降低、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]。針對低溫加熱保溫問題，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。針對電池組高溫散熱問題，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、溫差較大的問題[13]，常需要通過增加導(dǎo)流板來增強(qiáng)對空氣的引導(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，但由于流體的流動阻力較大，相較于空冷，在同樣的流速下液冷會消耗更多的泵功，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)的成本也會隨之增加[15]，目前液冷研究多集中于對不同形態(tài)冷板的優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面[16-22]。基于相變材料的電池?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)，相變材料通過相變的方式利用自身潛熱吸收電池產(chǎn)生的多余熱量來調(diào)控電池溫度，當(dāng)環(huán)境溫度過低時(shí)，相變材料也可釋放存儲的熱量，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，新型熱管理元件例如熱開關(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、液體對流換熱方式來實(shí)現(xiàn)對溫度調(diào)控的一種裝置，通過開關(guān)的“閉合/斷開”來實(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)，熱開關(guān)斷開，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。熱開關(guān)在閉合和斷開狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)之比稱為“開關(guān)比”，以此來衡量熱開關(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)械接觸式熱開關(guān)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，熱開關(guān)閉合/斷開時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)分別為188.7 W/(m·K)和6.2 W/(m·K)，開關(guān)比大約為30∶1，能夠滿足不同溫度調(diào)節(jié)場景的需求。熱開關(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]。采用熱開關(guān)可以提高測量系統(tǒng)的溫度穩(wěn)定性，如李畏[28]將熱開關(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，采用熱開關(guān)可以顯著提高系統(tǒng)的工作效率，黨舒俊[30]將熱開關(guān)應(yīng)用到光伏/溫差聯(lián)合發(fā)電中，通過熱開關(guān)來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)化效率低下的問題。
熱開關(guān)技術(shù)發(fā)展迅速，國內(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，開發(fā)了一種用于鋰離子電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的熱開關(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，帶動電池與冷板分離，起到了保溫蓄熱的作用。該裝置的開關(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)了熱開關(guān)應(yīng)用于電池?zé)峁芾淼臐摿?，但目前電池?zé)衢_關(guān)的有關(guān)研究仍非常少，對不同類型熱開關(guān)的研究亟待進(jìn)一步開展。
在電池的熱管理中，相變材料和熱開關(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)控能力的熱開關(guān)，可能會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，并且相變過程中體積變化較大的硬脂酸作為相變材料，利用相變過程中硬脂酸體積顯著變化這一特性，實(shí)現(xiàn)熱開關(guān)閉合/斷開，遲滯電池溫度上升/下降的速率。
1 相變熱開關(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)的顯熱儲能與化學(xué)反應(yīng)儲能，采用相變材料的潛熱儲能具有安全性較高、工作溫度區(qū)間易于控制、儲熱密度大等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是儲存熱能最有效的形式[33]。因其優(yōu)越的儲能控溫性質(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急劇升高，此時(shí)則需要額外的熱管理方法來保證電池處于合理的溫度工作區(qū)間。
熱開關(guān)作為熱量傳遞過程中調(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)模式間的被動切換。當(dāng)系統(tǒng)溫度升高時(shí)，熱開關(guān)閉合，使裝置與外界換熱過程中的等效導(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)，熱開關(guān)斷開，使裝置與外界換熱過程中的等效導(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機(jī)相變材料和有機(jī)相變材料。無機(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)的無機(jī)水合鹽相變材料都存在相分離和過冷的現(xiàn)象，影響了無機(jī)鹽的使用壽命和儲熱性能[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，具有無過冷及析出現(xiàn)象、性能穩(wěn)定、無毒、無腐蝕的優(yōu)點(diǎn)，但導(dǎo)熱系數(shù)小、密度小、單位體積儲熱能力差等缺點(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程中密度會發(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，因此可以為熱開關(guān)的閉合與斷開提供驅(qū)動力。
本文提出一種將相變材料與熱開關(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)的熱量儲存到相變材料中。同時(shí)，相變材料由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，體積膨脹，熱開關(guān)啟用，移動銅板向冷板貼合，借助冷板來進(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，熱開關(guān)關(guān)閉，移動銅板在彈簧的作用下與冷板脫離，使相變材料儲存的熱量最大程度地傳導(dǎo)給鋰離子電池，延長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存鋰離子電池釋放的熱量。相變材料與移動銅板直接接觸，移動銅板與外殼接觸區(qū)域采用合理的密封圈密封方式，使移動銅板與外殼緊密貼合，確保相變材料處于液態(tài)時(shí)不會產(chǎn)生漏液現(xiàn)象，也確保外界空氣不會漏入相變儲能材料區(qū)域。移動銅板通過彈簧與冷板相聯(lián)結(jié)，銅板和冷板之間為空氣層，通過調(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，因此起到熱開關(guān)的作用。
圖1 電池?zé)衢_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)用中常作為潤滑劑，并為移動銅板開關(guān)裝置提供潤滑，減小熱開關(guān)的開啟/閉合過程受到的摩擦阻力；6）硬脂酸在相變的過程中體積會發(fā)生顯著變化，能夠增大熱開關(guān)的開關(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能材料；8）硬脂酸對人體無毒，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，散熱過程不受接觸熱阻影響；3）彈簧的體積較小，忽略彈簧對導(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，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]開發(fā)的一維鋰離子電池模型來模擬。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LiMn2O4，負(fù)極材料為石墨，隔膜材料為LiPF6(VEC∶VEMC=3∶7)。各個(gè)材料的參數(shù)見表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。
復(fù)合電極的固相可以通過固相中的鋰濃度和固相中的電流密度的變化來描述：
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。
電極的固相和液相通過在電極外半徑處定義的邊界條件和Butler-Volmer動力學(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)過程中會產(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，可以寫成如下形式：
式中：I是充電或放電電流；E是開路電壓；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模型
表4為硬脂酸等材料的熱物性。對于相變材料，采用焓法求解傳熱和相變過程。假設(shè)相變材料熔化的過程中熱量傳遞的方式為熱傳導(dǎo)，即忽略對流換熱和熱輻射造成的熱量傳遞。假設(shè)液態(tài)PCM的流動方式為層流，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方向進(jìn)行定向移動；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
由于在電動汽車實(shí)際運(yùn)行的過程中鋰離子電池組被封存在車輛的內(nèi)部，因此在計(jì)算過程中忽略電池組熱管理系統(tǒng)與外界環(huán)境的對流換熱，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存，另一部分在熱開關(guān)閉合后，通過冷板中冷卻劑的流動所耗散。由于空氣層較薄，因此忽略空氣層內(nèi)的對流換熱，認(rèn)為熱量在移動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)間步長無關(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，通過設(shè)置不同數(shù)量的網(wǎng)格和不同的時(shí)間步長，并利用基礎(chǔ)模擬工況來進(jìn)行網(wǎng)格和時(shí)間步長無關(guān)性測試，結(jié)果如表5和表6所示。通過比較電池的溫度差異來確定最佳網(wǎng)格數(shù)和時(shí)間步長，當(dāng)模擬偏差小于0.01%時(shí)，認(rèn)為模擬具有網(wǎng)格無關(guān)性和時(shí)間步長無關(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。
表5 網(wǎng)格無關(guān)性測試Tab.5 Grid independence test
表6 時(shí)間步長無關(guān)性測試Tab.6 Time step independence test
3 結(jié)果與討論
3.1 相變材料填充量對熱管理系統(tǒng)的影響
由于鋰離子電池組的容積受電動汽車空間的限制，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組對照分析來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。可以看出，與傳統(tǒng)的相變溫控相比，帶有熱開關(guān)的相變熱管理系統(tǒng)在相變材料完全融化后熱開關(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，但過多的相變材料在融化后會增大電池與冷板間的等效熱阻，因此在熱開關(guān)閉合后會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關(guān)在熱管理系統(tǒng)中的作用。出于對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繼續(xù)升高，而采用熱開關(guān)溫控的電池在熱開關(guān)閉合后會增強(qiáng)與冷板的對流換熱效應(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)，電池的溫度并不會超過合理的溫度工作區(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)束后電池溫度超過正常的溫度上限，如果不采用合理的散熱方法，將會存在熱失控的風(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，熱量通過顯熱的方式儲存到相變材料中。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，通過融化來吸收電池產(chǎn)生的多余熱量，同時(shí)利用相變潛熱將電池的溫度較長時(shí)間地控制在相變材料的熔點(diǎn)附近，極大程度延長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，推動移動銅板向冷板貼合，熱開關(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，熱開關(guān)在液態(tài)相變材料的推動下與冷板完全貼合，減小冷板與鋰離子電池間的導(dǎo)熱熱阻，熱量能有效地通過熱開關(guān)結(jié)構(gòu)向外界耗散。除此之外，相變材料的儲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。熱開關(guān)與顯式儲熱二者相結(jié)合，為鋰離子電池提供第2層雙重溫度保護(hù)。通過多重溫度保護(hù)機(jī)制，熱開關(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為電池在充放電過程中產(chǎn)生的總熱量的變化，以及相變儲能和熱開關(guān)耗散的熱量變化。在電池產(chǎn)熱的初始階段，相變材料溫度沒有上升到熔點(diǎn)，因此電池產(chǎn)生的熱量主要通過電池自身和相變材料的顯式蓄熱進(jìn)行儲存。由于熱開關(guān)處于斷開狀態(tài)，因此只有極少部分的熱量通過熱開關(guān)向冷板耗散。當(dāng)相變材料的溫度升至熔點(diǎn)后，相變材料的儲能方式從顯式儲熱變?yōu)橄嘧儍?，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)推動冷板運(yùn)動，熱開關(guān)逐漸啟動，隨著相變材料的融化過程逐漸向冷板貼合，在相變過程中通過熱開關(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，熱開關(guān)完全閉合，通過熱開關(guān)向冷板耗散的熱量趨于定值。從整個(gè)過程來看，雖然熱開關(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，因此熱開關(guān)散熱的作用有限。電池的熱量主要通過相變材料的顯熱和潛熱進(jìn)行儲存，熱開關(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)熱量及相變儲能和熱開關(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)過程
假設(shè)電池在充放電過程結(jié)束后進(jìn)入到-20℃的環(huán)境中，并通過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，來探究新型熱管理系統(tǒng)對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，熱開關(guān)與冷板接觸側(cè)為自然對流換熱。圖8為鋰離子電池分別在無溫控、相變溫控以及相變熱開關(guān)溫控3種情景下的溫度變化趨勢。在無溫控的情況下，電池與低溫環(huán)境直接進(jìn)行自然對流換熱，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。與無溫控的情況相比，具有相變溫控的系統(tǒng)在溫度下降的過程中，一方面，相變材料通過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，相變熱開關(guān)溫控在相變材料發(fā)生相變后，移動銅板與冷板相脫離，并且隨著相變過程的進(jìn)行，熱開關(guān)逐漸關(guān)閉，移動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)境中熱開關(guān)溫控系統(tǒng)雖然具有優(yōu)勢，但并不明顯，結(jié)果顯示，熱開關(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_關(guān)升溫過程中的開關(guān)比
采用開關(guān)比的定義來比較熱開關(guān)閉合/斷開時(shí)對傳熱過程中熱流調(diào)節(jié)的效果。定義開關(guān)比為熱開關(guān)斷開與閉合時(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分別表示斷開與閉合，其計(jì)算表達(dá)式為
式中：Tbattery為熱開關(guān)電池側(cè)的溫度；Tp為冷板溫度；q為通過熱開關(guān)結(jié)構(gòu)的法向熱流密度。
在4 C充放電倍率下，熱開關(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，相變材料的溫度沒有達(dá)到熔點(diǎn)，熱開關(guān)處于斷開狀態(tài)。由于電池在放電過程中熱量隨時(shí)間會有較大波動，因此在熱開關(guān)啟用之前等效熱阻會略有波動，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，推動熱開關(guān)向冷板貼合，熱開關(guān)開始啟動。導(dǎo)熱系數(shù)較低的空氣層隨著熱開關(guān)的閉合逐漸減小，等效熱阻減小。當(dāng)相變過程結(jié)束后，熱開關(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。熱開關(guān)的開關(guān)比達(dá)到11.25∶1，說明熱開關(guān)溫控系統(tǒng)在鋰離子電池溫度保護(hù)機(jī)制中對熱流具有良好的調(diào)控作用。
圖9 等效熱阻的變化Fig.9 Variation of thermal resistance
4 結(jié)論
1）通過對相變材料在熱管理裝置中的填充量進(jìn)行對比分析，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)會降低熱開關(guān)的開關(guān)比，削弱熱開關(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)輕量化和對電池有效溫控的需求。
2）對于無熱管理系統(tǒng)的電池而言，電池在高倍率充放電工作時(shí)，充放電結(jié)束后電池溫度超過正常工作區(qū)間。對于采用相變材料耦合熱開關(guān)的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，相變潛熱與熱開關(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，無熱管理系統(tǒng)的電池?zé)崃可⑹л^快，而對于具有相變材料耦合熱開關(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關(guān)的溫控調(diào)節(jié)性能。熱開關(guān)在斷開/閉合時(shí)的等效熱阻分別為0.016和0.18 m2·K/W，開關(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]，超過該范圍，會造成放電效率降低、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]。針對低溫加熱保溫問題，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。針對電池組高溫散熱問題，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、溫差較大的問題[13]，常需要通過增加導(dǎo)流板來增強(qiáng)對空氣的引導(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，但由于流體的流動阻力較大，相較于空冷，在同樣的流速下液冷會消耗更多的泵功，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)的成本也會隨之增加[15]，目前液冷研究多集中于對不同形態(tài)冷板的優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面[16-22]。基于相變材料的電池?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)，相變材料通過相變的方式利用自身潛熱吸收電池產(chǎn)生的多余熱量來調(diào)控電池溫度，當(dāng)環(huán)境溫度過低時(shí)，相變材料也可釋放存儲的熱量，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，新型熱管理元件例如熱開關(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、液體對流換熱方式來實(shí)現(xiàn)對溫度調(diào)控的一種裝置，通過開關(guān)的“閉合/斷開”來實(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)，熱開關(guān)斷開，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。熱開關(guān)在閉合和斷開狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)之比稱為“開關(guān)比”，以此來衡量熱開關(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)械接觸式熱開關(guān)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，熱開關(guān)閉合/斷開時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)分別為188.7 W/(m·K)和6.2 W/(m·K)，開關(guān)比大約為30∶1，能夠滿足不同溫度調(diào)節(jié)場景的需求。熱開關(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]。采用熱開關(guān)可以提高測量系統(tǒng)的溫度穩(wěn)定性，如李畏[28]將熱開關(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，采用熱開關(guān)可以顯著提高系統(tǒng)的工作效率，黨舒俊[30]將熱開關(guān)應(yīng)用到光伏/溫差聯(lián)合發(fā)電中，通過熱開關(guān)來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)化效率低下的問題。
熱開關(guān)技術(shù)發(fā)展迅速，國內(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，開發(fā)了一種用于鋰離子電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的熱開關(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，帶動電池與冷板分離，起到了保溫蓄熱的作用。該裝置的開關(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)了熱開關(guān)應(yīng)用于電池?zé)峁芾淼臐摿?，但目前電池?zé)衢_關(guān)的有關(guān)研究仍非常少，對不同類型熱開關(guān)的研究亟待進(jìn)一步開展。
在電池的熱管理中，相變材料和熱開關(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)控能力的熱開關(guān)，可能會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，并且相變過程中體積變化較大的硬脂酸作為相變材料，利用相變過程中硬脂酸體積顯著變化這一特性，實(shí)現(xiàn)熱開關(guān)閉合/斷開，遲滯電池溫度上升/下降的速率。
1 相變熱開關(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)的顯熱儲能與化學(xué)反應(yīng)儲能，采用相變材料的潛熱儲能具有安全性較高、工作溫度區(qū)間易于控制、儲熱密度大等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是儲存熱能最有效的形式[33]。因其優(yōu)越的儲能控溫性質(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急劇升高，此時(shí)則需要額外的熱管理方法來保證電池處于合理的溫度工作區(qū)間。
熱開關(guān)作為熱量傳遞過程中調(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)模式間的被動切換。當(dāng)系統(tǒng)溫度升高時(shí)，熱開關(guān)閉合，使裝置與外界換熱過程中的等效導(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)，熱開關(guān)斷開，使裝置與外界換熱過程中的等效導(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機(jī)相變材料和有機(jī)相變材料。無機(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)的無機(jī)水合鹽相變材料都存在相分離和過冷的現(xiàn)象，影響了無機(jī)鹽的使用壽命和儲熱性能[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，具有無過冷及析出現(xiàn)象、性能穩(wěn)定、無毒、無腐蝕的優(yōu)點(diǎn)，但導(dǎo)熱系數(shù)小、密度小、單位體積儲熱能力差等缺點(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程中密度會發(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，因此可以為熱開關(guān)的閉合與斷開提供驅(qū)動力。
本文提出一種將相變材料與熱開關(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)的熱量儲存到相變材料中。同時(shí)，相變材料由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，體積膨脹，熱開關(guān)啟用，移動銅板向冷板貼合，借助冷板來進(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，熱開關(guān)關(guān)閉，移動銅板在彈簧的作用下與冷板脫離，使相變材料儲存的熱量最大程度地傳導(dǎo)給鋰離子電池，延長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存鋰離子電池釋放的熱量。相變材料與移動銅板直接接觸，移動銅板與外殼接觸區(qū)域采用合理的密封圈密封方式，使移動銅板與外殼緊密貼合，確保相變材料處于液態(tài)時(shí)不會產(chǎn)生漏液現(xiàn)象，也確保外界空氣不會漏入相變儲能材料區(qū)域。移動銅板通過彈簧與冷板相聯(lián)結(jié)，銅板和冷板之間為空氣層，通過調(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，因此起到熱開關(guān)的作用。
圖1 電池?zé)衢_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)用中常作為潤滑劑，并為移動銅板開關(guān)裝置提供潤滑，減小熱開關(guān)的開啟/閉合過程受到的摩擦阻力；6）硬脂酸在相變的過程中體積會發(fā)生顯著變化，能夠增大熱開關(guān)的開關(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能材料；8）硬脂酸對人體無毒，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，散熱過程不受接觸熱阻影響；3）彈簧的體積較小，忽略彈簧對導(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，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]開發(fā)的一維鋰離子電池模型來模擬。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LiMn2O4，負(fù)極材料為石墨，隔膜材料為LiPF6(VEC∶VEMC=3∶7)。各個(gè)材料的參數(shù)見表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。
復(fù)合電極的固相可以通過固相中的鋰濃度和固相中的電流密度的變化來描述：
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。
電極的固相和液相通過在電極外半徑處定義的邊界條件和Butler-Volmer動力學(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)過程中會產(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，可以寫成如下形式：
式中：I是充電或放電電流；E是開路電壓；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模型
表4為硬脂酸等材料的熱物性。對于相變材料，采用焓法求解傳熱和相變過程。假設(shè)相變材料熔化的過程中熱量傳遞的方式為熱傳導(dǎo)，即忽略對流換熱和熱輻射造成的熱量傳遞。假設(shè)液態(tài)PCM的流動方式為層流，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方向進(jìn)行定向移動；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
由于在電動汽車實(shí)際運(yùn)行的過程中鋰離子電池組被封存在車輛的內(nèi)部，因此在計(jì)算過程中忽略電池組熱管理系統(tǒng)與外界環(huán)境的對流換熱，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存，另一部分在熱開關(guān)閉合后，通過冷板中冷卻劑的流動所耗散。由于空氣層較薄，因此忽略空氣層內(nèi)的對流換熱，認(rèn)為熱量在移動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)間步長無關(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，通過設(shè)置不同數(shù)量的網(wǎng)格和不同的時(shí)間步長，并利用基礎(chǔ)模擬工況來進(jìn)行網(wǎng)格和時(shí)間步長無關(guān)性測試，結(jié)果如表5和表6所示。通過比較電池的溫度差異來確定最佳網(wǎng)格數(shù)和時(shí)間步長，當(dāng)模擬偏差小于0.01%時(shí)，認(rèn)為模擬具有網(wǎng)格無關(guān)性和時(shí)間步長無關(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。
表5 網(wǎng)格無關(guān)性測試Tab.5 Grid independence test
表6 時(shí)間步長無關(guān)性測試Tab.6 Time step independence test
3 結(jié)果與討論
3.1 相變材料填充量對熱管理系統(tǒng)的影響
由于鋰離子電池組的容積受電動汽車空間的限制，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組對照分析來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。可以看出，與傳統(tǒng)的相變溫控相比，帶有熱開關(guān)的相變熱管理系統(tǒng)在相變材料完全融化后熱開關(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，但過多的相變材料在融化后會增大電池與冷板間的等效熱阻，因此在熱開關(guān)閉合后會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關(guān)在熱管理系統(tǒng)中的作用。出于對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繼續(xù)升高，而采用熱開關(guān)溫控的電池在熱開關(guān)閉合后會增強(qiáng)與冷板的對流換熱效應(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)，電池的溫度并不會超過合理的溫度工作區(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)束后電池溫度超過正常的溫度上限，如果不采用合理的散熱方法，將會存在熱失控的風(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，熱量通過顯熱的方式儲存到相變材料中。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，通過融化來吸收電池產(chǎn)生的多余熱量，同時(shí)利用相變潛熱將電池的溫度較長時(shí)間地控制在相變材料的熔點(diǎn)附近，極大程度延長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，推動移動銅板向冷板貼合，熱開關(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，熱開關(guān)在液態(tài)相變材料的推動下與冷板完全貼合，減小冷板與鋰離子電池間的導(dǎo)熱熱阻，熱量能有效地通過熱開關(guān)結(jié)構(gòu)向外界耗散。除此之外，相變材料的儲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。熱開關(guān)與顯式儲熱二者相結(jié)合，為鋰離子電池提供第2層雙重溫度保護(hù)。通過多重溫度保護(hù)機(jī)制，熱開關(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為電池在充放電過程中產(chǎn)生的總熱量的變化，以及相變儲能和熱開關(guān)耗散的熱量變化。在電池產(chǎn)熱的初始階段，相變材料溫度沒有上升到熔點(diǎn)，因此電池產(chǎn)生的熱量主要通過電池自身和相變材料的顯式蓄熱進(jìn)行儲存。由于熱開關(guān)處于斷開狀態(tài)，因此只有極少部分的熱量通過熱開關(guān)向冷板耗散。當(dāng)相變材料的溫度升至熔點(diǎn)后，相變材料的儲能方式從顯式儲熱變?yōu)橄嘧儍?，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)推動冷板運(yùn)動，熱開關(guān)逐漸啟動，隨著相變材料的融化過程逐漸向冷板貼合，在相變過程中通過熱開關(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，熱開關(guān)完全閉合，通過熱開關(guān)向冷板耗散的熱量趨于定值。從整個(gè)過程來看，雖然熱開關(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，因此熱開關(guān)散熱的作用有限。電池的熱量主要通過相變材料的顯熱和潛熱進(jìn)行儲存，熱開關(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)熱量及相變儲能和熱開關(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)過程
假設(shè)電池在充放電過程結(jié)束后進(jìn)入到-20℃的環(huán)境中，并通過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，來探究新型熱管理系統(tǒng)對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，熱開關(guān)與冷板接觸側(cè)為自然對流換熱。圖8為鋰離子電池分別在無溫控、相變溫控以及相變熱開關(guān)溫控3種情景下的溫度變化趨勢。在無溫控的情況下，電池與低溫環(huán)境直接進(jìn)行自然對流換熱，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。與無溫控的情況相比，具有相變溫控的系統(tǒng)在溫度下降的過程中，一方面，相變材料通過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，相變熱開關(guān)溫控在相變材料發(fā)生相變后，移動銅板與冷板相脫離，并且隨著相變過程的進(jìn)行，熱開關(guān)逐漸關(guān)閉，移動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)境中熱開關(guān)溫控系統(tǒng)雖然具有優(yōu)勢，但并不明顯，結(jié)果顯示，熱開關(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_關(guān)升溫過程中的開關(guān)比
采用開關(guān)比的定義來比較熱開關(guān)閉合/斷開時(shí)對傳熱過程中熱流調(diào)節(jié)的效果。定義開關(guān)比為熱開關(guān)斷開與閉合時(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分別表示斷開與閉合，其計(jì)算表達(dá)式為
式中：Tbattery為熱開關(guān)電池側(cè)的溫度；Tp為冷板溫度；q為通過熱開關(guān)結(jié)構(gòu)的法向熱流密度。
在4 C充放電倍率下，熱開關(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，相變材料的溫度沒有達(dá)到熔點(diǎn)，熱開關(guān)處于斷開狀態(tài)。由于電池在放電過程中熱量隨時(shí)間會有較大波動，因此在熱開關(guān)啟用之前等效熱阻會略有波動，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，推動熱開關(guān)向冷板貼合，熱開關(guān)開始啟動。導(dǎo)熱系數(shù)較低的空氣層隨著熱開關(guān)的閉合逐漸減小，等效熱阻減小。當(dāng)相變過程結(jié)束后，熱開關(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。熱開關(guān)的開關(guān)比達(dá)到11.25∶1，說明熱開關(guān)溫控系統(tǒng)在鋰離子電池溫度保護(hù)機(jī)制中對熱流具有良好的調(diào)控作用。
圖9 等效熱阻的變化Fig.9 Variation of thermal resistance
4 結(jié)論
1）通過對相變材料在熱管理裝置中的填充量進(jìn)行對比分析，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)會降低熱開關(guān)的開關(guān)比，削弱熱開關(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)輕量化和對電池有效溫控的需求。
2）對于無熱管理系統(tǒng)的電池而言，電池在高倍率充放電工作時(shí)，充放電結(jié)束后電池溫度超過正常工作區(qū)間。對于采用相變材料耦合熱開關(guān)的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，相變潛熱與熱開關(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，無熱管理系統(tǒng)的電池?zé)崃可⑹л^快，而對于具有相變材料耦合熱開關(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關(guān)的溫控調(diào)節(jié)性能。熱開關(guān)在斷開/閉合時(shí)的等效熱阻分別為0.016和0.18 m2·K/W，開關(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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