復合相變材料電池熱管理模型及結構優化

李世遠

摘要：針對鋰離子電池的熱管理問題，建立了電池產熱與相變材料相變控溫過程耦合的計算模型，基于純石蠟的導熱系數低，后期采用膨脹石墨/石蠟復合相變材料作為控溫材料，在2.5C充放電倍率下研究了相變材料層厚度、性質及結構優化對電池散熱性能的影響。研究發現，當整體相變控溫層厚度為4mm，靠近電池1mm附近填充質量分數為12%的膨脹石墨復合材料而其余部分填充9%的膨脹石墨復合材料時，可以實現綜合性能最佳的控溫效果，使電池的最高溫度控制在45℃以內。

關鍵詞：電池熱管理;相變材料;結構優化;最高溫度

中圖分類號：U469? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）11-0221-02

0? 引言

近年來，隨著能源的消耗世界各國政府花費大量的人力及物力發展新能源汽車[1]，而電池作為電動汽車的三大組件之一[2]，顯得尤其重要。電池在使用的過程中會釋放大量的熱量，因此需要設計一套高效合理的電池熱管理系統（BTMS）來對電池的溫度進行控制。其中相變材料冷卻具有結構緊湊、接觸熱阻低、冷卻效果好等優點，大量的學者對相變材料的的結構以及導熱率進行了研究[3-5]。本文針對相變材料系統固有的缺陷，在前人的基礎上提出了一種針對方形鋰離子電池的相變材料熱管理系統，通過對相變材料填充區進行分區操作從而對不同的小區間填充不同性質的復合相變材料，使相變材料系統在不結合其他冷卻方式的情況下達到更好的控溫效果。

1? 物理及數學模型

1.1 物理模型

本文的研究對象為由磷酸鐵鋰離子電池與相變材料構成的電池熱管理系統。物理模型如圖1所示，鋰電池組是由1×6縱向排列的6個鋰離子電池組成，其中鋰離子電池的參數如表1所示。采用將相變材料鑲嵌在兩個鋰離子電池之間的方法，兩電池之間為相變材料區，其中電池組左、右邊緣的相變材料厚度為中間相變材料厚度的一半，其中純石蠟和石蠟與不同質量分數的膨脹石墨復合而成的復合材料的參數如表2所示。

1.2 邊界條件

本文模擬鋰離子電池在2.5C功率下充放電情況，模擬時選取的環境溫度及初始溫度為303.15K，且相變材料與周圍環境為自然對流換熱，換熱系數為5W·m-2K-1。

2? 結果與討論

2.1 CFD網格數相關性

將石蠟的厚度設為2mm，進行網格相關性分析。如圖2所示，電池最高溫度和最大溫差隨網格數的增加變化趨勢基本相同，且在網格數達到187萬之后出現平緩趨勢。故選擇網格數為187萬的網格進行后續研究，且本文以最高溫度和最大溫差作為評價指標，單位為K。

2.2 改變石蠟厚度及電池熱分析

本節首先對石蠟的厚度進行模擬研究。如圖3所示，隨著石蠟厚度的增加，電池最高溫度和最大溫差都呈先下降后平穩的趨勢。經過分析可知，當中間部位的石蠟厚度從2mm增加到4mm時，最高溫度和最大溫差分別降低了約2.86℃和0.58℃，而厚度從4mm增加到6mm時，兩者分別僅改善了約0.18℃和0.09℃。而且相變材料厚度的增加會占據整車的額外空間，然而實際的電動汽車在空間上有嚴格的控制。因此，相變材料的厚度增加雖然可以提高降溫效果，但并不是單調關系。故本文認為當中間部位的石蠟的厚度為4mm，電池組兩側的石蠟為2mm時，冷卻效果最好。

2.3 相變材料的性質對電池溫度的影響

在以上研究中的相變材料最優厚度的基礎上，將相變材料從純石蠟換為不同質量分數的石墨與石蠟的復合材料，研究膨脹石墨質量不同對電池最高溫度與最大溫差的影響。從圖4中可以看出當總質量相同時，膨脹石墨的質量分數為12%的復合材料對電池有更好的控溫效果。其中最高溫度與純石蠟相比降低值為1.20221℃，效果顯著。故本文認為，改變材料的導熱率會對電池溫度的降低帶來較好的改善。

2.4 改變相變材料的結構及電池熱分析

繼上述研究，對兩電池之間的相變材料區進行結構優化。以靠近電池1mm處對相變材料區進行分割，分別模擬在添加不同質量分數的石墨下電池的散熱特性，即電池組中間部分的相變材料區分成1mm、2mm、1mm三種寬度的小區間;而電池組兩側相變材料區分成兩個寬度為1mm的小區間。研究結果，如圖5所示，其中，表3表示工況對應的填充區結構，當靠近電池1mm附近的相變材料小區間與中間2mm寬的小區間分別填充質量分數為12%和9%的膨脹石墨，電池組兩側則靠近電池1mm內填充質量分數為12%，剩余部分填充質量分數為9%的膨脹石墨時相變材料控溫效果最好，記為12/9。此時，電池的最高溫度為318.12℃，相比相變材料為2mm寬的石蠟初始工況，最高溫度降低了4.10℃（8.36%），最大溫差降低了0.64℃（91.01%）。至于其他質量分數組合標記類似12/9，其中0表示純石蠟。

3? 結論

本文對復合相變材料電池熱熱管理模型及結構進行優化，通過CFD模擬發現：

①通過相變材料對電池進行熱管理時，改變相變材料的厚度能對電池溫度的控制帶來較好的改善。②當采用不同質量分數的膨脹石墨與石蠟復合相變材料時，對電池的最高溫度有顯著的影響。③當對兩電池之間的相變材料區進行分區而填充不同的復合材料時，對相變材料的控溫效果有一定的改善。

參考文獻：

[1]G.D.Xia， L.Cao， G.L.Bi， A review on battery thermal management in electric vehicle application， J. Power Sources 367 （2017） 90-105.

[2]Qianqian， Zhang， Cunjin， et al. Analysis of Research and Development Trend of the Battery Technology in Electric Vehicle with the Perspective of Patent[J]. Energy Procedia， 2017.

[3]Morteza Alipanah，Xianglin Li. Numerical studies of lithium-ion battery thermal management systems using phase change materials and metal foams[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer，2016，102.

[4]Greco A ， Jiang X . A coupled thermal and electrochemical study of lithium-ion battery cooled by paraffin/porous-graphite-matrix composite[J]. Journal of Power Sources， 2016， 315（may 31）：127-139.

[5]Jiajia Yan，Ke Li，Haodong Chen，Qingsong Wang，Jinhua Sun. Experimental study on the application of phase change material in the dynamic cycling of battery pack system[J]. Energy COnversion and Management，2016，128.