基于相變散熱和電阻絲加熱的電池熱管理系統

付樂群，曹鼎鈺，宋葉帆

基于相變散熱和電阻絲加熱的電池熱管理系統

付樂群，曹鼎鈺，宋葉帆

（武漢理工大學 機電工程學院，湖北 武漢 430070）

提出了一種在高溫環境下可利用相變、液冷、風冷耦合散熱，在低溫環境下可利用電阻絲加熱的動力電池熱管理系統的結構設計，分析了其工作原理。建立了系統整體三維模型，利用fluent進行風冷流道分析，得到風冷通道溫度分布云圖。仿真分析表明，文丘里管流道可有效減緩并行風冷中間溫度聚積的情況。

電池熱管理系統；相變散熱；耦合；fluent仿真

1 引言

隨著電動汽車的發展，動力電池逐漸引起大眾的關注，其必須擁有大功率、高容量才能滿足電動汽車動力和續航能力的需求。而蓄電池在充放電過程中發生的復雜化學反應往往伴隨著大量熱量的產生，雖然溫度上升，電池內阻變小，性能提升，但過高的溫度將會破壞電池，Li-ion電池在45 ℃環境下工作使用壽命減少50%，大量熱量的產生不僅會大大縮短蓄電池的使用壽命，更會產生過熱、燃燒、爆炸等嚴重威脅人類自身的安全問題。而低溫會導致蓄電池出現放電深度不夠甚至無法放電的情況。

目前，國內外對電動汽車動力電池熱管理的研究主要集中在對動力電池的冷卻上，對冬季高寒地區動力電池加熱保溫的研究較少。目前主要研究的冷卻方法包括液冷、空冷、相變散熱、冷板等散熱方式或幾種散熱方式耦合的主動或被動式散熱[1]，文獻[2]對空氣冷卻、液體冷卻、相變傳熱冷卻和熱管冷卻的優缺點進行了詳細對比分析。現有的研究中，很少有將多種冷卻方式以及動力電池的加熱和保溫進行耦合。因此，迫切需要一種在高溫時能對電池進行散熱，在低溫時能對電池進行加熱或保溫，使電動汽車動力電池性能一直保持最佳狀態的熱管理系統。

2 動力電池熱管理系統工作流程

動力電池熱管理系統共有兩種工作模式，可分別對應于高溫時的電池散熱和低溫時的保溫加熱，當本系統開始工作時，溫度傳感器檢測相變材料溫度，如果相變材料溫度過低，控制器控制出風口和進風口關閉，再通過電阻絲直接對電池進行加熱，直到溫度傳感器檢測到相變材料溫度變化并達到其對應的相變溫度時停止加熱。

如果本系統開始工作時檢測到相變材料溫度高于設定溫度值，根據當前相變材料的溫度將采取多種不同的方式進行散熱降溫處理。如果相變材料溫度未達到其熔點，則可直接采用相變冷卻的方式來降低電池組的溫度，在此情況下，只需利用汽車行駛過程中的風經空冷散熱系統輔助相變材料進行散熱。如果動力電池產熱量較大，此方法無法降低電池溫度，本系統將采用液冷方式對相變材料進行散熱，此種方法極大地降低了風機的啟停頻率，延長了風機的使用壽命，同時降低了由于頻繁啟停而造成的能量損耗。

3 電池熱管理系統結構和原理設計

3.1 電池熱管理系統結構設計

電池熱管理系統原理和結構如圖1所示。由于不同動力所需動力電池的數量不同，因此本系統除控制系統外將單個動力電池制作成一個單獨的熱管理單元。動力電池四周被相變材料所包圍，兩者可直接進行熱量交換，由于相變材料吸熱后會變成液態，因此其外包裹有相變材料封裝殼，加熱電阻絲埋于相變材料靠近動力電池側，可直接對電池進行加熱。由于相變材料的導熱率較低，需耦合空冷或液冷進行散熱。液冷模塊主要由二位四通換向閥、蛇形銅管、冷凝管、增壓泵等組成，蛇形銅管埋于相變材料中，其在每一個模塊都設有一個冷卻工質入口和一個冷卻工質出口，其分別有兩種連接方式，冷卻工質入口既可與進口連接管道相連，也可與前一個模塊的冷卻工質出口通過U形連接管相連，冷卻工質出口既可以與后一個模塊的冷卻工質入口通過U形連接管相連，也可以與出口連接管道相連。

動力電池組外部通過箱體外殼包裹，箱體外殼與動力電池之間設有間隙，形成風冷通道，在箱體外殼兩端分別設有與風冷通道相通的進風口和出風口，進出風口都設有進出風門，由控制器控制其開合，該部分打開時可借助汽車行駛過程中的風，將相變材料中所儲存的熱量帶走，此部分共同構成風冷系統。

冷卻模塊將進入該模塊的高溫冷卻工質冷卻降溫并輸出，冷卻工質入口通過內循環支路直接與二位四通電磁閥的第二出口相連。冷凝管支路和內循環支路并聯與進口連接管道串聯，內循環支路起到將冷凝管和增壓泵旁通作用。

1—動力電池；2—蛇形銅管；3—冷卻工質出口；4—U形連接管；5—冷卻工質入口；6—電阻絲加熱片；7—箱體外殼；8—相變材料；9—出口連接管道；10—溫度傳輸線路；11—控制器；

3.2 電池熱管理系統原理設計

啟動時，溫度傳感器檢測到相變材料溫度升高到其相變溫度后一段時間，控制器將控制二位四通電磁閥打開冷凝管支路，之后開啟增壓泵，此時增壓泵將帶動蛇形銅管中的冷卻液開始流動，由于蛇形銅管分布于相變材料中，因此相變材料所存儲的熱量將通過蛇形銅管被其中的冷卻液吸收，被加熱的冷卻液將沿著蛇形銅管通過出口連接管道流入冷凝管，經冷卻過后的冷卻液重新被增壓泵壓入蛇形銅管，不斷循環，使相變材料始終保持固體狀態，維持其散熱效果，直到溫度傳感器檢測到相變材料溫度開始下降時，控制器控制增壓泵關閉，控制二位四通電磁閥關閉冷凝管支路，打開內循環支路，相變材料的溫度降利用風冷通道逐漸下降至室溫。當啟動時溫度傳感器檢測到相變材料溫度過低時，控制器控制進出風門關閉，再控制電阻絲加熱片工作，電熱絲直接對電池進行加熱。當電阻絲加熱時，二位四通電磁閥打開內循環支路，由于電池箱各處的溫度不同，因此電池箱不同部位的冷卻液將形成溫差，導致冷卻液相互混合流動，此過程可使電池箱各處的溫差減小。如果行駛過程中由于放電過大導致溫度急劇升高，可通過打開風冷通道的方式輔助散熱，在溫度下降時及時關閉風冷通道。

4 電池熱管理系統風冷通道仿真分析

由于本系統中需要利用汽車行駛過程中所產生的風對動力電池進行風冷散熱，因此為增強風冷散熱的效果，本系統需要對風冷的流道結構進行設計，本文采用workbench中的fluent軟件對所設計的文丘里流道進行仿真分析。

文丘里管設置兩個進口和一個出口，假設動力電池組溫度為50 ℃，環境溫度為30 ℃，流速為10 m/s，根據空氣在30 ℃下的物理性質可知，空氣的密度為1.13 kg/m3，導熱系數為0.024 W/（m·K），比熱容=1.003 kJ/（kg·K），粘度為0.018 59 Pa·s，設置好相關參數后，選擇湍流模型，根據設置好的邊界調節求解其能量方程，得出該結構的溫度分布云圖，如圖2所示。

圖2 風冷通道溫度分布云圖

由圖2可以看出，通過文丘里管結構的設計，可以利用汽車行駛產生的風將動力電池中積聚的熱量帶走，增強相變散熱的效果。

5 總結與展望

本文在現有的動力電池散熱方式基礎上，提出一種在高溫環境下可利用相變散熱、液冷散熱和風冷散熱耦合的散熱方法，在低溫環境下可利用電阻絲加熱的動力電池熱管理系統，同時為增強風冷的效果，解決并行風冷中間部分溫度聚積的問題，利用fluent建立了文丘里管三維模型，并完成了該流道中的溫度分布云圖。仿真結果表明，使用文丘里流道可以解決并行散熱時中間部分溫度聚積的問題，為電動汽車電池熱管理提供了一種新的方法和思路。

本方法可用于電動汽車電池熱管理系統，使電池始終保持在最合適溫度下工作，提高電池放電深度，延長電池的使用壽命，減少廢舊電池的污染。

［1］姜貴文，李敬會，黃菊花，等.相變材料和液冷耦合散熱的鋰電池熱管理研究［J］.電源技術，2018，42（10）：1462-1465，1485.

［2］嚴佳佳.基于相變散熱的動力電池熱管理系統研究［D］.合肥：中國科學技術大學，2017.

［3］饒中浩，張國慶.電池熱管理［M］.北京：科學出版 社，2015.

TM912

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.17.045

2095－6835（2019）17－0099－02

〔編輯：嚴麗琴〕