復合相變材料應用于鋰離子電池組散熱的研究

劉業鳳，王雨晴，余軍

（1-上海理工大學能源與動力工程學院，上海 200093；2-上海市動力工程多相流動與傳熱重點實驗室，上海 200093）

0 引言

全球性能源危機及環境污染等問題愈來愈受到人們重視，新能源汽車及其相關技術的發展可以緩解資源短缺和改善環境污染問題，在能源結構革新中具有重要的地位[1]。近年來新能源汽車市場蓬勃興起，動力電池作為純電動汽車的核心部件，對其性能及安全性的要求越來越高[2]。目前多選擇較高比能量的高鎳正極材料（LiNixCoyM1-x-yO2，M=Mn/Al，x＞0.6）的鋰離子電池，高能量密度的鋰電池很大程度上提升了純電動汽車的續航里程，但車輛實際行駛工況及熱負荷會影響動力電池溫度波動[3-4]，增加了電池模塊熱失控風險，給電池熱管理帶來新的挑戰[5]。文獻[6-10]總結了電池熱管理要求，電池單體保持在最優溫度范圍內（25～45 ℃），電池模塊的溫差較小（<5 ℃），系統結構簡單、輕量化，系統能耗少及安全性和穩定性高。

2000年，芝加哥伊利諾伊理工學院的AL-HALLAJ等[11]提出應用相變材料（Phase Change Materials，PCM）的新型熱管理系統模型，利用相變材料相變時吸熱溫度基本不變這一特點控制電池溫度，并通過實驗驗證了相變材料應用于電池熱管理的可行性[12]。文獻[13-16]中對PCM強化傳熱進行了研究，主要強化方法為添加高導熱材料、微膠囊化封裝、擴展受熱面，添加的高導熱碳基材料包括膨脹石墨（Expanded Graphite，EG）、碳纖維、石墨烯和碳納米管。黃菊花等[17]結合幾種高導熱材料制備了復合相變材料并進行熱物性測試，結果表明比原石蠟/EG相變材料滲漏率降低了83.1%，熱導率提高了2.69倍，并驗證了其對于電池模塊的散熱有效性。李揚等[18]采用泡沫銅/石蠟多孔復合相變材料作為控溫材料進行了電池組散熱實驗，證明其可有效提高散熱速率和維持電池表面溫度，并對其結構進行了優化以達到最佳的控溫效果。洪文華[19]和許可俊[20]制備了新型EG/石蠟復合相變材料并進行熱物性測試，測試表明，增加膨脹石墨含量可提升復合相變材料的導熱性能，降低石蠟吸熱熔化后的流動性，提高熱管理性能，之后采用仿真與實驗相結合的方法，研究鋰電池單體間距、電池組排列方式和PCM導熱系數等因素對散熱性能的影響。施尚等[21]通過改變孔隙率、加熱功率及環境溫度，在不同工況下PCM熱管理系統的性能進行了實驗，結果表明在不同加熱功率及環境溫度下，復合PCM熱管理系統能有效維持加熱器表面溫度低于55 ℃。

本文將聚氨酯/膨脹石墨復合相變材料應用于某國產21700三元鋰離子電池模塊的散熱結構設計，在不同環境溫度、不同放電倍率下進行電池組散熱實驗。建立數值仿真模型，對比數值模型測點與實驗測點的溫度及溫差的差異性，驗證數值模型預測散熱性能的準確性。

1 PCM散熱結構

鋰離子電池模塊的散熱結構設計應基于對單體電池散熱的研究。鋰離子單體電池在不同環境溫度、放電倍率下對應的生熱量與生熱速率不同，因此鋰離子電池生熱機理及PCM熱物性測試是設計PCM散熱結構和建立數值模型的基礎，同時也為后續的優化設計提供依據和參考。

1.1 PCM的選擇及熱物性測試

PCM選擇應滿足電池組最高溫度與最大溫差的基本要求，文獻[22-24]指出適于電池熱管理的PCM相變溫度應為40～45 ℃。采用相變溫度與導熱系數作為選擇PCM的優先考慮物性，相變溫度過低會導致較高環境溫度下熔化失效或消耗大量潛熱值，相變溫度過高會導致中心電池的溫度過高。復合PCM的導熱系數應控制在3 W/(m?K)左右，導熱系數越大，散熱性能越好，但達到一定值后其散熱性能趨于平緩。此外，潛熱值和比熱越大，PCM用量越少，密度適中，既保證了溫度的均勻性，又使PCM散熱結構更加輕量化。

本文選用某公司專為電池熱管理生產的聚氨酯/膨脹石墨復合PCM作為熱管理材料，其相變溫度為43～45 ℃，密度為870 kg/m3。首先運用差示掃描量熱分析法（Differential Scanning Calorimetry，DSC）對相變材料進行物性分析[25]。實驗樣品稱重為11.28 mg，采用氮氣作為保護氣氛，控制一定的氮氣流速，升溫速率設定為1 ℃/min，溫升范圍覆蓋相變溫區。然后通過數據分析軟件得到需要的參數值，相變溫度為44.4 ℃，相變焓值為202.7 J/g，相變溫區外的平均比熱為2.0 J/(g?K)。最后運用基于瞬間平面熱源法的Hot Disk熱常數分析儀可準確方便地研究熱傳導性能[26]。進行多次樣品測量后，PCM熱導率測試結果的平均值為3.2 W/(m?K)。

1.2 鋰離子電池生熱機理及物性測試

鋰離子單體電池在不同工況時生熱量與生熱率不同，BERNARDI等[27]采用一種基于電池內部物質發熱均勻的電池生熱率方程，經簡化為：

式中，q為電池的單位體積生熱率，W/m3；V為電池芯的體積，m3；Uoc為電池的開路電壓，V；U為電池路端電壓，V；I為電流，A；R為電池芯的總內阻，?；T為電池的熱力學溫度，K；dUoc/dT為電池的熵變系數，V/K。

本實驗以某國產21700三元鋰離子電池為研究對象，標稱容量為4,000 mAh，基于15～35 ℃的環境下放電倍率1C的工況進行散熱研究。由《PHEVs電池測試手冊》所提供的HPPC階躍測試法對不同溫度下的鋰離子電池放電內阻和SOC、放電倍率的關系進行了測試[28]。當環境溫度為25 ℃，SOC=0.9時平均內阻為22 mΩ，單體電池質量為69.0 g，電池等效比熱容為797.0 J/(g?K)[29]。

1.3 電池組模塊結構設計

本實驗設計的鋰離子電池模塊為四串三并，計算的環境溫度為25 ℃，采用得出的單體電池生熱率和所選相變材料的熱物性作設計依據，計算散熱結構所需的相變材料質量。忽略對流和輻射散熱量，電池的生熱量的數學表達為：

式中，Qg為電池的生熱量，J，設計按照最大放電電流12 A放電1,200 s計算；mPCM1為能量設計中所需相變材料的質量，kg；cPCM為PCM的比熱容，J/(kg?K)；ΔT為相變材料的溫升，K；H為相變材料的相變焓值，J/kg。

式中，mPCM2為空間結構中所需相變材料的質量，kg；ρPCM為PCM密度，取值870 kg/m3；Vtotal為散熱結構總體積，m3；Vbattery為電池體積，m3。

電池均勻排布在散熱結構內。通過調整散熱結構的尺寸，Δm為mPCM1與mPCM2的差值絕對值，對比不同尺寸得到的Δm，選取Δm最小值對應的尺寸為散熱結構的最終尺寸，既滿足能量設計要求又考慮空間結構。圖1所示為基于PCM的電池組散熱結構實物。圖2中，電池組采用四串三并方式連接，使用絕緣阻燃的硬質PVC塑料板作為容器填充PCM，在電池中間部位布置熱電偶測溫點，對應圖1實物圖中編號為1、2、3和4的電池外壁的4個熱電偶測溫點。

圖1 基于PCM的電池組散熱結構實物

圖2 基于PCM的電池散熱結構設計（單位：mm）

2 散熱實驗及結果分析

將電池組放置在室內環境，實驗過程中環境溫度分別設置為25 ℃和35 ℃，放電電流分別設置為1 C、2 C和3 C，結合放電設備、Agilent數據采集器進行放電溫升實驗。實驗結果顯示，各測溫點的溫度由低到高依次為T4、T3、T1和T2，因熱量堆積導致中間電池壁面溫度最高，而邊緣電池壁面溫度最低。各測點之間的溫差較小，為充分了解電池的散熱情況，選取電池的最高測溫點T2、最低測溫點T4和最大溫差來反映實際散熱效果。

圖3所示為環境溫度25 ℃時，以1 C、1.5 C和2 C放電的測點2和測點4的溫度以及對應的最大溫差。由圖3可知，25 ℃/1 C放電結束時的溫度達到39 ℃左右，未達到PCM的相變溫度，未超出電池的最優工作溫度區間，此時的熱量只通過熱傳導傳遞，測點溫升的不同導致了溫差的變化，溫差經過一段時間后達到0.2 ℃左右。25 ℃/1.5 C放電時，2,160 s左右時電池壁面溫度達到PCM的相變溫度，之后電池壁面附近的PCM潛熱被消耗，電池壁面的溫度維持在相變溫度，達到相變溫度之前，溫差經過一段時間后達到0.5 ℃左右。25 ℃/2 C放電時，1,200 s左右時電池壁面的溫度開始維持在相變溫度，達到相變溫度之前，溫差經過一段時間后達到0.9 ℃左右，達到相變溫度后，溫差驟減，電池壁面的溫度也趨于接近，均滿足電池組的散熱要求。

圖3 25 ℃/1 C、25 ℃/1.5 C和25 ℃/2 C放電時的測點溫度及溫差

圖4所示為環境溫度35 ℃時，以1 C、1.5 C、2 C以及3 C放電的測點2和測點4的溫度以及對應的最大溫差。

圖4 35 ℃/1 C、35 ℃/1.5 C、35 ℃/2 C和35 ℃/2 C放電時的測點溫度及溫差

由圖4可知，35 ℃/1 C放電時2,400 s左右達到PCM的相變溫度，35 ℃/1.5 C放電時1,200 s左右即達到PCM的相變溫度，35 ℃/2 C放電時540 s左右即達到PCM的相變溫度。雖然35 ℃放電時的生熱速率較低，但達到PCM相變溫度的時間快，潛熱消耗的時間較25 ℃放電時提前，達到相變溫度后，溫差驟減，同樣均滿足電池組的散熱要求。35 ℃放電時溫差變化的趨勢與25 ℃放電時相近，由于生熱速率較低，熱傳導時的最大溫差最小。35 ℃/3 C放電時PCM潛熱在360 s左右被消耗，由于3 C放電時生熱速率更大，造成放電后期測點2和測點4溫度高達到45 ℃，放電結束時的PCM潛熱消耗量更大，電池組之間的熱量大部分通過熱傳導傳遞，使得電池熱失控風險進一步增加。

綜上所述，對于放電結束時的電池壁面溫度未達到PCM的相變溫度的情況而言，電池之間的熱量傳遞通過熱傳導導致中間電池與邊緣電池的壁面溫升不同，使得溫差逐漸增大到穩定值。對于放電過程中的電池壁面溫度達到PCM的相變溫度的情況而言，PCM散熱結構在放電開始階段，電池壁面溫度未達到PCM的相變溫度，電池之間的熱量傳遞同樣通過熱傳導，溫差逐漸增大至一穩定值，待電池壁面溫度均達到PCM的相變溫度后，PCM潛熱被消耗，電池壁面溫度維持在PCM相變溫度左右，而電池由于本身的熱阻，內部的溫度高于壁面溫度，即使不同電池之間，此時對應的散熱情況基本相同，故溫差基本維持不變。

3 數值仿真模型的建立

由于石墨的多孔結構吸附有機物限制了熔化后流體的流動，復合定型PCM即使在高于相變溫度時也不會發生宏觀上的液態流動，因此不再考慮對流傳熱在整個熱傳遞模型中的影響。

為了對問題進行簡化，進行如下假設：1）相變材料的密度、比熱容和熱導率不隨溫度變化，熔化前后保持恒定；2）忽略輻射換熱對傳熱過程的影響；3）復合PCM的外邊界絕熱；4）復合PCM的黏度無限大。

電池內部的傳熱能量方程及復合PCM內部的傳熱方程[30]及邊界條件介紹如下。

初始狀態t=0時：

電池和相變材料接觸面的邊界條件：

式中，k為導熱系數，W/(m?K)；下標b、PCM分別代表電池和復合PCM，?T/?n為接觸面法線的溫度梯度，K/m。

復合PCM的外邊界條件：

使用ANSYS Workbench建立三維幾何模型，采用結構化網格對模型進行網格劃分（圖5），網格劃分完成后需要對網格質量進行評估，進行網格無關性驗證，網格數為334,746時，設置相同的模擬條件后，網格數再增加對最終的云圖分布、電池最高溫度變化的影響很小。本文研究的是瞬態問題，因此采用瞬態分析法，賦予電池相應的材料屬性，設置邊界條件，初始溫度分別設置為298 K和308 K，輸入不同放電倍率時的熱生成速率，最后設置仿真時間、時間步長和每個步長最大迭代步數，對網格的時間步長進行無關性測試，最終選擇時間步長為1 s對電池模型進行模擬仿真。使用后處理軟件CFD-Post15.0獲取溫度云圖、最高溫度和監測點溫度等數據，實驗和模擬數據的對比可以驗證不同工況下的散熱模型的準確性。

圖5 三維模型的網格劃分

4 數值模擬與實驗的對比分析

按照測溫點的坐標，從2 C放電時的數值模擬結果中提取溫度數據，與實驗結果進行對比，對比最高測溫點和最大溫差數據即可充分反映電池組的散熱性能。由各環境溫度下實驗與模擬的溫度與溫差對比（圖6）可知，實驗與模擬的溫度與溫差變化趨勢相同且數值接近，實驗與數值模擬結果吻合良好。25 ℃、35 ℃時以2 C放電的實驗與模擬測點的溫度值誤差最大分別為5.0%及3.3%。實驗測點的溫度與溫差較模擬值高，可能是實際散熱結構中有額外熱阻引起的，電池放置在PCM時接觸端存在接觸熱阻，接觸端貼合不緊密或者PCM結構不夠緊實，使得微量空氣存在于整個散熱結構中，實際傳熱的熱阻比模擬的大。實驗時由于熱阻較大，熱量堆積較快，使得電池壁面的溫度更快地達到PCM的相變溫度，PCM潛熱消耗的時間提前。

圖6 實驗與模擬的溫度與溫差對比

5 結論

本文選擇新型復合PCM進行鋰離子電池模塊散熱設計，結合電池組的生熱與PCM熱物性設計了散熱結構，搭建了電池組PCM散熱實驗臺，對各工況下的電池組進行實驗，記錄測點的溫度數據，對各工況下的散熱性能分析；使用ANSYS軟件建立復合PCM的電池散熱結構三維模型，數值模擬其散熱性能，與實驗數據進行對比，得出如下結論：

1）環境溫度為25 ℃、35 ℃，電池組以1 C、1.5 C、2 C和3 C放電時的散熱結構控溫效果良好，電池組溫度均勻性高，電池組散熱實驗中電池組的溫差在1.2 ℃之內，實驗條件下均滿足電池組散熱設計的需求；

2）當生熱速率越高，熱量堆積越明顯，溫升越快，溫差越大，達到PCM的相變溫度的時間越短，潛熱消耗越快，環境溫度的升高會使得潛熱過早消耗；

3）對比實驗與模擬結果，實驗時電池壁面的溫度更快達到PCM的相變溫度，PCM潛熱消耗的時間提前，25 ℃和35 ℃時以2 C放電的實驗與模擬測點的溫度誤差最大分別為5.0%和3.3%，溫度與溫差變化趨勢相同且數值接近，結果吻合良好，驗證了不同工況下數值模擬散熱模型的準確性。