分離式動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計與性能分析

邱潔玉，羅倩銘

分離式動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計與性能分析

邱潔玉，羅倩銘

（廣州工程技術(shù)職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510000）

熱管理系統(tǒng)對電動汽車動力電池系統(tǒng)性能有著至關(guān)重要的影響，有效的熱管理系統(tǒng)能夠改善動力電池的工作環(huán)境，使動力電池在最佳的溫度內(nèi)工作，保證電動汽車的行駛性能和行車安全。針對目前動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)存在的問題，文章設(shè)計一種熱管輔助的分離式電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，并對所提出的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)開展參數(shù)化數(shù)值模擬。結(jié)果表明，相變溫度在控制電池溫度方面起著重要的作用，相變材料高導(dǎo)熱系數(shù)使復(fù)合相變材料很好地加強(qiáng)了電池組的散熱，但當(dāng)導(dǎo)熱系數(shù)增大至一定程度時，電池溫度下降趨勢趨于平緩。較高的對流傳熱系數(shù)有利于釋放相變材料的潛熱，提高相變材料的利用率，但是過高的對流傳熱系數(shù)并不能進(jìn)一步提高系統(tǒng)的性能，還會導(dǎo)致成本增加等問題。

熱管理系統(tǒng)；分離式；動力電池；相變材料；熱管輔助；系統(tǒng)設(shè)計

在環(huán)境污染和能源短缺的兩重壓力下，實現(xiàn)節(jié)能減排與可持續(xù)發(fā)展日益迫切，發(fā)展低能源消耗、低污染排放的新能源汽車是未來汽車企業(yè)發(fā)展的重要方向[1]。熱管理系統(tǒng)作為電動汽車所研究的重要技術(shù)之一，對于電動汽車動力電池的性能有著至關(guān)重要的影響。相變材料在電池?zé)峁芾淼膽?yīng)用上潛力巨大，受到越來越多研究者的關(guān)注[2]。然而在已有的基于相變材料的熱管理系統(tǒng)設(shè)計中，如圖1(a)所示通常是將相變材料填充至電池之間或者電池周圍的空隙里，這種方式可能產(chǎn)生填充在電池之間的相變材料泄漏，且不適用于大尺寸的動力電池系統(tǒng)等難題。這些問題需要設(shè)計創(chuàng)新的基于相變傳熱介質(zhì)的熱管理系統(tǒng)進(jìn)行解決。

本文圍繞實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展和節(jié)能減排的背景，從動力汽車性能提升的關(guān)鍵因素電池和熱管理系統(tǒng)兩方面出發(fā)，利用多孔泡沫金屬和相變材料制作復(fù)合相變材料，建立一種熱管輔助的分離式電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)。針對所提出的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)開展參數(shù)化數(shù)值模擬，提示不同因素對電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的性能的影響，為電池?zé)峁芾淼脑O(shè)計和優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。

1 模型熱管理系統(tǒng)的建立

1.1 熱管理系統(tǒng)模型

如圖1(b)所示，所設(shè)計的分離式電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)由電池組、熱管、“泡沫銅—石蠟”復(fù)合材料、散熱片和一個額外的風(fēng)扇組成。熱管理模塊與電池組通過熱管進(jìn)行連接，熱管的蒸發(fā)段夾在兩個電池之間，冷凝器部分延伸到電池組外面與復(fù)合相變材料緊密接觸。泡沫銅終端安裝有散熱翅片和冷卻風(fēng)扇，必要時加強(qiáng)熱管理模塊與自然環(huán)境之間的對流傳熱，幫助釋放相變材料的潛熱。

圖1 傳統(tǒng)電池組和分離式電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)圖

在此系統(tǒng)中，熱管理模塊與電池組不再集成為一個整體，而是將熱管理模塊分離到電池組外部，熱管理系統(tǒng)的傳熱路徑如圖1(c)所示，電池產(chǎn)生的熱量首先通過熱管的蒸發(fā)端被工質(zhì)吸收，隨著蒸發(fā)端溫度的升高，工質(zhì)被液化而流向熱管的冷凝端；在冷凝端，熱量被復(fù)合相變材料吸收和儲藏，工質(zhì)由于冷卻而冷凝為液態(tài)，回流到蒸發(fā)段。在極端氣候條件或惡劣形勢工況下，當(dāng)電池溫度過高或石蠟完全熔化時，翅片和風(fēng)扇被用來進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)的散熱能力，保障熱管理系統(tǒng)的功能。

1.2 數(shù)值模型

1.電池產(chǎn)熱模型

在保證計算精度的前提下，電池所產(chǎn)生的熱量采用BERNADI[3]提出的集總參數(shù)模型進(jìn)行計算，產(chǎn)熱公式如下：

2.控制方程

為模擬相變材料的相變過程，采用計算流體力學(xué)方法進(jìn)行分析，并在數(shù)值計算中做以下假設(shè)：

（1）相變材料的熱物性為常數(shù)；

（2）相變后的液相材料是不可壓縮的牛頓流體；

（3）使用Boussinesq近似來模擬自然對流；

（4）輻射傳熱的影響忽略不計。

在此假設(shè)下，相變材料的流動和傳熱的控制方程計算公式分別如下：

連續(xù)性方程

能量方程

動量方程

式中，采用石蠟作為相變材料，PCM為石蠟密度；p為比熱容；為溫度；為時間；為石蠟的速度矢量；為熱導(dǎo)率；為壓強(qiáng)；為動力粘度；下標(biāo)為特定方向；g為方向上的重力加速度；S為方向上的動量源項。

采用“焓-孔隙度法”[4]求解相變問題，用液相分?jǐn)?shù)表示固液相，從而得到焓：

=+Δ（5）

Δ=（7）

式中，為相變材料的顯焓；Δ為相變材料隱焓；為相變材料相變焓；為相變材料液相分?jǐn)?shù)；計算公式為

式中，當(dāng)=0時，表示相變材料處于固相狀態(tài)；=1表示相變材料為液相狀態(tài)；當(dāng)?shù)闹翟?和1之間，則表示相變材料處于固液共存的狀態(tài)。s和1分別為熔化起始溫度和熔化結(jié)束溫度。

2 電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)傳熱特性數(shù)值分析

2.1 PCM相變溫度的影響

相變溫度是影響基于相變材料（Phase Change Material, PCM）的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)性能的重要因素之一，圖2(a)顯示5 C倍率放電條件下，當(dāng)PCM相變溫度不同時電池最高溫度變化?？梢钥闯霎?dāng)相變溫度為35 ℃時，在720 s電池模塊的最高溫度為47.6 ℃，當(dāng)相變溫度增加到50 ℃時，最高溫度為51.8 ℃。這表明電池的最高溫度很大程度上取決于PCM的熔點，顯然過高相變溫度的相變材料在此過程中不易熔化，相變材料無法得到更好的利用，從而不利于系統(tǒng)進(jìn)行熱管理。為進(jìn)一步分析PCM相變溫度對電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)性能的影響，圖2(b)比較了不同相變溫度下石蠟的熔化率（石蠟液相分?jǐn)?shù)）?？梢钥闯?，當(dāng)PCM熔點越低時，它的熔化速率越高并且熔化速度越快。然而，值得注意的是較低的相變溫度容易導(dǎo)致電池還未放完電時PCM的潛熱已經(jīng)消耗殆盡，此時熱管理系統(tǒng)的性能大幅下降甚至失效。因此，應(yīng)從熱管理系統(tǒng)的性能和相變材料的利用率兩個方法進(jìn)行綜合考慮，選擇具有適合相變溫度的材料作為電池?zé)峁芾淼南嘧儌鳠峤橘|(zhì)。

圖2 相變溫度對電池的最高溫度、PCM融化率的影響

2.2 PCM導(dǎo)熱系數(shù)的影響

圖3顯示5 C倍率放電時，不同的PCM導(dǎo)熱系數(shù)對電池最高溫度與相應(yīng)的PCM熔化速率的影響。當(dāng)PCM導(dǎo)熱系數(shù)為0 W/m–1k–1時，即相變材料無法傳遞熱量時，電池組的最高溫度高達(dá)57.8 ℃。當(dāng)PCM導(dǎo)熱系數(shù)增加至2 W/m–1k–1時，電池組最高溫度降低了8.6 ℃。然而，當(dāng)繼續(xù)增加PCM的導(dǎo)熱系數(shù)，電池最高溫度下降并不明顯，此時對提高熱管理系統(tǒng)的性能作用有限。另一方面，從圖中PCM導(dǎo)熱系數(shù)與相變材料融化率的關(guān)系可以看到，與對電池溫度的影響類似，當(dāng)熱導(dǎo)率超過一定值時，相變材料的熔化速度基本保持不變。因此，雖然較高的導(dǎo)熱系數(shù)有利于提高熱管理系統(tǒng)的性能和相變材料的利用率，但當(dāng)導(dǎo)熱系數(shù)超過一定值時，其對利用率提升的作用會逐漸減小，過高的導(dǎo)熱系數(shù)不僅對進(jìn)一步提高系統(tǒng)的性能作用有限，還會導(dǎo)致成本增加等問題。

圖3 PCM導(dǎo)熱系數(shù)對電池的最高溫度及PCM的熔化率的影響

2.3 傳熱系數(shù)的影響

循環(huán)工況代表了動力電池系統(tǒng)在長時間運行的情況，圖4顯示了不同對流傳熱系數(shù)下電池在循環(huán)工況下最高溫度與相應(yīng)的PCM熔化率的變化情況。其中，每一循環(huán)電池充放電倍率分別為1 C和5 C，每一個循環(huán)結(jié)束后系統(tǒng)將擱置10分鐘，共進(jìn)行了3個循環(huán)的數(shù)值仿真分析。可以看出，在第二、三個循環(huán)的放電過程中，不同傳熱系數(shù)下電池最高溫度差異隨之增大，PCM的熔化率差異較大。在第三個循環(huán)放電過程中，傳熱系數(shù)為 5 Wm–2K–1和10 Wm–2K–1時PCM熔化率都高達(dá)100%，電池最高溫度超50 ℃。而高傳熱系數(shù)如 20 Wm–2K–1、25 Wm–2K–1、30 Wm–2K–1電池溫度仍控制在45 ℃以內(nèi)。這是由于低傳熱系數(shù)的系統(tǒng)內(nèi)相變材料的潛熱不足以用于吸收和儲存電池產(chǎn)生的熱量，被動式的熱管理模式已經(jīng)不能夠滿足電池的熱管理要求。所設(shè)計的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)結(jié)合額外散熱風(fēng)扇，能有效釋放PCM的潛熱，這種散熱方法對電池?zé)峁芾硎强尚械摹Ｖ档米⒁獾氖?，換熱系數(shù)為25 Wm–2K–1、30 Wm–2K–1在三個循環(huán)中對電池的最高溫度影響差異不明顯，電池最高溫度溫差不超過1 ℃。較高的傳熱系數(shù)有利于釋放相變材料的潛熱，但這個影響作用存在閾值，過高的傳熱系數(shù)并不能進(jìn)一步提高系統(tǒng)的性能，還會導(dǎo)致成本增加等問題。

圖4 循環(huán)運行時不同對流換熱系數(shù)的影響

3 結(jié)論

文章設(shè)計了一種集電池組、熱管、“泡沫銅-石蠟”復(fù)合材料、散熱片和一個額外的風(fēng)扇的分離式電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，該系統(tǒng)首先將電池產(chǎn)生的熱量從電池組中轉(zhuǎn)移出來，然后將其儲存在相變材料中或?qū)⑵湟萆⒌酵獠孔匀画h(huán)境，不需要將石蠟或其復(fù)合材料填充電池組內(nèi)部。因此，可以最大限度避免由復(fù)合相變材料內(nèi)導(dǎo)電物質(zhì)引起的電池短路問題。并基于數(shù)值模擬計算結(jié)果研究PCM 相變溫度、PCM導(dǎo)熱系數(shù)以及散熱風(fēng)扇對流傳熱系數(shù)等因素對電池的熱響應(yīng)和PCM熔化率的影響，主要結(jié)論如下：

（1）電池的最高溫度很大程度上取決于PCM的熔點，較低的相變溫度更有利于電池溫度的控制，較高的相變溫度的相變材料不易熔化，降低了相變材料潛熱的利用率，從而不利于系統(tǒng)的熱管理。

（2）較高的PCM導(dǎo)熱系數(shù)有利于提高系統(tǒng)的性能和相變材料的利用率，但這個影響作用存在閾值，過高的導(dǎo)熱系數(shù)對進(jìn)一步提高系統(tǒng)的性能作用有限。

（3）所設(shè)計的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)結(jié)合額外散熱風(fēng)扇，能有效釋放相變材料的潛熱，這種方法對電池?zé)峁芾硎强尚械姆椒?。較高的傳熱系數(shù)有利于釋放相變材料的潛熱，提高相變材料的利用率，但是過高的換熱系數(shù)并不能進(jìn)一步提高系統(tǒng)的性能，還會導(dǎo)致成本增加等問題。

[1] 饒中浩.基于固液相變傳熱介質(zhì)的動力電池?zé)峁芾硌芯縖D].廣州:華南理工大學(xué),2013.

[2] ZHANG P,XIAO X,MA Z.A Review of the Composite Phase Change Materials: Fabrication, Characterization, Mathematical Modeling and Application to Perfor- mance Enhancement[J]. Applied Energy,2016,43(12): 472-510.

[3] BERNARDI D,PAWLIKOWSKI E.A General Balance for Battery Systems[J]. Electrochemical Society, 1985, 132(1):5-12.

[4] YANG H,ZHANG H Y,SUI Y,et al.Numerical Analy- sis and Experimental Visualization of Phase Change Material Melting Process for Thermal Management of Cylindrical Power Battery[J].Applied Thermal Engin- eering, 2018, 128:489-499.

Design and Investigation on the Performance of Separation Type Power Battery Thermal Management System

QIU Jieyu, LUO Qianming

( School of Mechanical Engineering, Guangzhou Institute of Technology, Guangzhou 510000, China )

Thermal management system has a crucial influence on the performance of electric vehicle power battery system. Effective thermal management system can improve the working environment of power battery, make the power battery work in the best temperature, and ensure the driving performance and driving safety of electric vehicle. Aiming at the problems existing in the current power battery thermal management system, this paper designs a separate battery thermal management system assisted by heat pipe, and carries out a parametric numerical simulation of the proposed battery thermal management system. The results show that the phase change temperature plays an important role in controlling the temperature of the battery. The high thermal conductivity of the phase change material makes the composite phase change material strengthen the heat dissipation of the battery pack well, but when the thermal conductivity increases to a certain degree, the downward trend of the battery temperature tends to be gentle. High convective heat transfer coefficient is beneficial to release latent heat of phase change materials and improve the utilization rate of phase change materials, but high convective heat transfer coefficient can not further improve the performance of the system, and will lead to cost increase and other problems.

Thermal management system; Separation type; Power batteries; Phase change material; Assistcd by heat pipe;System design

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.021.002

TM912

A

1671-7988(2022)21-07-05

TM912

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1671-7988(2022)21-07-05

邱潔玉（1994—），女，碩士，助教，研究方向為動力電池?zé)峁芾?，E-mail:2312644579@qq.com。

2022年度廣東省普通高校青年創(chuàng)新人才類型項目（自然科學(xué)）——基于風(fēng)冷/熱管耦合的分離式復(fù)合相變材料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)性能研究（2022KQNCX219）。