電動汽車鋰電池組新型復合散熱方式研究

蘭博 王秋詩 曾長健 虞益 劉金

摘 要：針對電動汽車對電池組最高溫度和最大溫差的要求，制備了復合散熱要求的相變材料，對現有的梯形電池組形式進行了改進，設計了新型的電池組復合散熱方式，利用仿真軟件對所設計的散熱方式進行了仿真模擬，驗證了其可行性。

關鍵詞：電池熱管理；復合相變材料；溫度；電動汽車

目前，能源危機與環境破壞等問題加速了電動汽車的發展。電動汽車中鋰離子電池在持續的充放電過程中會產生的大量熱量，溫度分布不均勻，造成電池性能下降，嚴重時會降低電池的使用壽命。因此，降低電池組的溫度以及控制其內部溫差就是提升電池組性能、增強其安全性的關鍵。

現有的動力電池熱管理系統主要有液體冷卻、氣體冷卻、相變材料冷卻三種。而這些單一的散熱方法難以滿足動力電池組的散熱要求，易導致電池組性能下降。

所以，本文設計了新型的梯形電池箱體，以相變材料散熱為基礎，采取了創新性的相變材料-熱管翅片-強迫空氣對流復合散熱方案對動力電池組散熱，將相變材料填充于電池單體之間，利用熱管和翅片導出相變材料吸收的熱量，并強迫空氣對流散熱。

1 散熱方案設計

1.1 相變材料的原理及制備

相變材料（PCM）是一種能夠吸收和釋放相變潛熱的材料，近年來在國外出現的采用相變材料冷卻的電池熱管理系統展現出良好前景，值得引起國內業界高度重視[1]。

石蠟是市面上常用的相變材料，它由于具有相變溫度接近電池的最佳工作溫度，單位質量相變潛熱高，成本低廉等特點，已經被廣泛應用。但它的缺點是具有較低的熱導率，不利于對電池進行散熱。通過瞬態平面法測得石蠟的熱導率為0.1567W·m-1·K-1，而通過激光導熱法測得的復合相變材料的導熱率為3.953 W·m-1·K-1。所以，本文擬在石蠟中加入適當比例的石墨，以彌補單一石蠟熱導率低的問題。

利用Maxwell-Eucken模型[2]估算不同膨脹石墨質量分數下的石蠟/膨脹石墨復合相變材料的導熱系數，其有效的導熱系數可通過式（1）計算得到。

計算結果如表1。

為驗證理論計算的正確性，做了如下實驗驗證。

相變材料的工作過程如下：相變材料自身發生相變時，吸收電池充放電時釋放的熱量，從而降低電池溫度，減小各部分間的溫差。根據這個過程，我們計算冷卻特定工作狀況下的電池所需要的相變材料的質量可采用計算公式（2）得到：

利用上式，可以計算出使一個電池保持在合適且穩定工作溫度范圍下所需要的相變材料的質量。假定電池最佳工作溫度為40℃-50℃，從文獻[3]中查取、、的值，并計算得出所需相變材料985.4g。在保證石蠟總質量不變前提下，改變石墨質量，并研究石蠟/石墨復合相變材料的組成對電池散熱性能影響，為此配制了3種石蠟/石墨復合相變材料，其組成和主要熱物理性質見表2。

由上表可以看出，理論與實際值基本一致。本文選用石蠟和石墨質量比為4：1的第2組數據為研究方案。

1.2 電池組散熱單元的設計

對于柱狀電池組，空氣流場的分布會直接影響溫度場的分布。因此，合理設計電池模塊的排列方式，進、出風口，選擇合理的箱體形狀，獲取合理的流場分布，是電池組設計的主要內容[4]。市面上大多數電池的排列方式為平行排列和交錯排列，但是由于冷卻風流經上游電池模塊后， 自身溫度上升，導致冷卻下游電池的能力下降，整個電池箱內的整體溫度分布不均。因此，在交錯排列的基礎上提出的梯形排列，采用這種梯形結構，可使沿氣流方向的冷卻風溫度上升的同時，冷卻風的風速逐漸增大，對流換熱系數增大，使上下游空氣冷卻效果基本平衡，最終電池組內部各區域的溫度能基本控制在比較均勻的水平上。

根據梯形排列方式，選用某品牌18650鈷酸鋰電池為研究對象進行建模，經過簡化后設計出26個單體電池所組成的電池組。單體電池尺寸為Φ18mm×65mm，26個電池呈梯形排列，電池均勻排列且間距為35mm，本文建立的電池箱體梯形排布如圖3所示。

接下來，對電池箱整體進行設計。考慮到復合散熱的需要，利用Solidworks軟件對箱體進行仿真建模，設計出如圖4所示的箱體。

2 效果分析

根據所設計的散熱方式和電池組箱體結構，利用Fluent進行仿真模擬，對比自然散熱和新型散熱方式散熱效果，結果如表3

通過表3可以看出，所設計的新型散熱方式將最高溫度降低了31%，最大溫差降低了55%，電池組性能得到了顯著提高。

3 結論

1）創新性的提出了相變材料-熱管翅片-強迫空氣對流的復合散熱方式，設計了新型的梯形電池箱體散熱結構，利用漸縮噴管的原理保證了下游電池了均衡散熱。

2）選取并制備了適用于電池箱散熱的相變材料。

3）利用Fluent仿真驗證了新型散熱方案的可行性。

參考文獻

[1]張國慶， 饒中浩， 吳忠杰，等. 采用相變材料冷卻的動力電池組的散熱性能[J]. 化工進展， 2009， 28（1）：23-26.

[2] XIA L， ZHANG P， WANG R Z. Preparation and thermal characterization of expanded graphite/paraffin composite phase change material[J]. Carbon， 2010， 48： 2538-2548.

[3] Eastman J A，Choi S U S，Li S，Yu W，el al. Anomalously increased effective thermal conductivities of ethylene glycol-based nanofluids containing copper nanoparticles[J]. Appl.Phys.Lett.2001，78：718-720.

[4]眭艷輝. 混合動力車用鎳氫電池組散熱結構研究[D]. 上海交通大學， 2009.

作者簡介

蘭博（1994-），男，本科，西南交通大學機械工程學院。