基于PCM-液冷復(fù)合的鋰離子電池?zé)峁芾硌芯?/h1>
2023-01-07 13:12:48楊梓堙竺玉強(qiáng)王亞平栗歡歡
電源技術(shù) 2022年12期 關(guān)鍵詞：模型
楊梓堙，竺玉強(qiáng)，王亞平，栗歡歡
(1.江蘇大學(xué)汽車工程研究院，江蘇鎮(zhèn)江 212013；2.凱博能源科技有限公司，江蘇 常州 213000；3.江蘇大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013)
鋰離子電池由于具有工作電壓高、能量密度大、循環(huán)壽命長(zhǎng)以及自放電率低等顯著特點(diǎn)，成為電動(dòng)車電池的首選[1]。但是鋰離子電池在充放電過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，而一旦熱量積累到一定程度就會(huì)導(dǎo)致電池發(fā)生熱失控，進(jìn)而危及安全[2]。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)可靠高效的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)(BTMS)對(duì)電池的溫度進(jìn)行控制至關(guān)重要。電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)要求能保證在充放電時(shí)電池組的最高溫度不超過(guò)50 ℃，最大溫差不大于5 ℃[3]。
目前，BTMS 冷卻方式主要有空氣冷卻、液體冷卻、相變材料(PCM)冷卻和熱管冷卻[4]。但風(fēng)冷和液冷需要風(fēng)扇及水泵等額外的耗能部件，增加了電池的能量消耗，降低了電池的續(xù)航性[5]，這對(duì)電動(dòng)車而言是非常不利的。而PCM 冷卻方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、相變潛熱大以及不需要消耗額外的動(dòng)力源，這些是其他冷卻方式不能比擬的[6]。有很多研究[7-9]證明了PCM 冷卻系統(tǒng)可以很有效地降低電池組的最高溫度，且提高了電池組溫度一致性。
PCM 雖然具備其他熱管理系統(tǒng)所沒有的優(yōu)勢(shì)，但都是建立在PCM 可以吸收足夠熱量基礎(chǔ)上的，一旦PCM 吸收的熱量超過(guò)其承受范圍，PCM 就會(huì)完全熔化，相變潛熱降為0，使其失去了溫控能力。而由于液冷可以迅速實(shí)現(xiàn)電池降溫的優(yōu)勢(shì)，所以通過(guò)將PCM 和液冷相結(jié)合來(lái)提高熱管理系統(tǒng)的散熱能力，滿足電池即使在極端工況下工作，也能保持在適宜工作溫度范圍下工作。
本文建立了鋰離子電池3D 電化學(xué)-熱耦合模型，在電池單體模型的基礎(chǔ)上，建立了電池模組熱管理模型。針對(duì)PCM和液冷的特征，提出了將PCM 與液冷耦合的熱管理方案以提高散熱能力，并對(duì)比了在自然對(duì)流冷卻、單一PCM 和PCM 結(jié)合液冷幾種方案的散熱效果，證明所提出的PCM 結(jié)合液冷熱管理方案的優(yōu)越性，為電池模組熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供一定的參考價(jià)值。
1 模型描述
相比于傳統(tǒng)的一維和二維電化學(xué)模型[10-11]，三維電化學(xué)模型充分考慮了邊緣對(duì)電池長(zhǎng)度和高度的影響，更能展現(xiàn)電池內(nèi)部的細(xì)節(jié)，得到更準(zhǔn)確的溫度分布。因此在COMSOL 中建立了一種耦合了三維電化學(xué)模型和三維熱模型的三維電化學(xué)-熱耦合模型來(lái)模擬電池組的傳熱過(guò)程，其平均耦合示意圖見圖1。
圖1 三維電化學(xué)-熱耦合模型
1.1 電化學(xué)模型
電化學(xué)模型采用的是Doyle 等提出的P2D 模型[12]，以濃溶液理論和多孔電極理論為基礎(chǔ)，建立了包含質(zhì)量守恒原理、電荷守恒原理和電極動(dòng)力學(xué)的模型。電化學(xué)模塊由正/負(fù)極、隔膜、正/負(fù)極、集流體五部分組成。表1 列出了電化學(xué)模型的控制方程和邊界條件設(shè)置，這些方程在其他文獻(xiàn)[13-14]中都有解釋，此處就不再累贅。
表1 電化學(xué)模型的控制方程和邊界條件設(shè)置[13-14]
1.2 熱模型
熱模型描述了電池產(chǎn)熱、傳熱以及散熱之間的關(guān)系，其能量守恒控制方程[15]為：
式中：ρ 為密度(kg/m3)；cp為比熱容[J/(kg·K)]；T為某點(diǎn)的溫度(K)；λ 為各方向的導(dǎo)熱系數(shù)[W/(m·K)]；q為總產(chǎn)熱速率(W/m3)，總產(chǎn)熱速率包括反應(yīng)熱qre、歐姆熱qohm、極化熱qact以及熱耗散率qexch。
其中：
式中：h為傳熱系數(shù)[W/(m2·K)]，取值為7；d為極片厚度(m)；T為電池溫度(K)；Tam為外部環(huán)境溫度(K)。
2 模型驗(yàn)證
本文研究的對(duì)象為一款50 Ah 三元鋰離子電池，正極材料為鎳鈷錳(NCM,LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2)，負(fù)極材料為石墨。對(duì)單體電池進(jìn)行不同倍率下的放電測(cè)試，并采集電池表面中心處的溫度，同樣在模型相同的位置點(diǎn)采集表面溫度，其相關(guān)實(shí)物及模型圖如圖2 所示。電池有限元建模時(shí)的相關(guān)參數(shù)如表2 所示。
表2 電池模型相關(guān)參數(shù)
圖2 (a)樣品電池實(shí)物圖；(b)三維模型圖；(c)網(wǎng)格劃分圖
為驗(yàn)證模型的有效性，對(duì)單體電池進(jìn)行恒流放電測(cè)試，并將所得電壓和溫度與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證分析。在恒溫箱控溫的三個(gè)溫度(283.15、298.15 和308.15 K)下，進(jìn)行了三個(gè)倍率(0.5C、1.0C和1.5C)的放電實(shí)驗(yàn)。同理，在仿真軟件中也設(shè)置相同的測(cè)試條件。將仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，其仿真曲線與實(shí)驗(yàn)曲線對(duì)比見圖3。
由圖3 可知，不同放電倍率和不同環(huán)境溫度下電池溫升的仿真曲線與實(shí)驗(yàn)曲線吻合較好。其中放電電壓最大誤差小于5%，電池溫差的最大值也小于2 K，驗(yàn)證了模型的有效性[16]。因此，該模型可以用來(lái)研究電池在充放電過(guò)程中的熱特性。
圖3 電池放電電壓和溫度的仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比
3 電池模組熱特性分析
本文研究的電池模組由六個(gè)單體電池串聯(lián)而成，電池間距為4 mm，如圖4(a)所示。研究分析模組在298.15 K 的環(huán)境溫度下進(jìn)行不同倍率放電時(shí)的溫度變化情況，并且對(duì)比分析加入PCM 后模組的散熱效果及溫度一致性。電池中間、前后都填充4 mm 厚度的PCM，以及電池兩側(cè)也填充了8 mm 厚度PCM，PCM 高度與電池一致，其俯視圖如圖4(b)所示。由于電池組的對(duì)稱性原因，這里選取了1 號(hào)電池外側(cè)底部作為最低溫度采集點(diǎn)，選取靠近3 號(hào)電池的4 號(hào)電池那一表面中心點(diǎn)為最高溫度采集點(diǎn)，其兩者溫度相減作為模組的最大溫差。
3.1 自然對(duì)流冷卻電池模組的溫度分析
在298.15 K 環(huán)境溫度下，對(duì)電池進(jìn)行三個(gè)放電倍率(0.5C、1.0C和1.5C)放電，研究電池組溫度隨時(shí)間的變化。圖4(c)、(d)分別為在空氣自然對(duì)流冷卻下電池組的最大溫度和最大溫差。從圖中可以看出，電池組最高溫度和最大溫差有相同的變化趨勢(shì)，都隨著放電倍率的增大而明顯上升，在放電結(jié)束時(shí)，電池組的最高溫度和最大溫差達(dá)到最大值。0.5C時(shí)的電池組溫度和溫差最小，1.5C的電池組溫度和溫差值最大。在1.5C放電結(jié)束時(shí)，其最大溫度達(dá)到了327.82 K，最大溫差為2.89 K，但電池組的最大溫度已經(jīng)超過(guò)適宜工作溫度范圍，如果在這種溫度環(huán)境下長(zhǎng)期工作的話，電池性能會(huì)受到影響，甚至導(dǎo)致電池?zé)崾Э兀M(jìn)而危及安全。因此，需要一個(gè)熱管理系統(tǒng)來(lái)降低電池組的溫度，保持電池組能在適宜的溫度下工作。
圖4 電池模塊及模組溫度曲線
3.2 PCM 對(duì)電池模組散熱效果的影響
PCM 由于具有較高的潛熱特性，所以能很好應(yīng)用于動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)進(jìn)行被動(dòng)冷卻。而PCM 的選擇應(yīng)滿足電池組最高溫度與最大溫差的基本要求，因此PCM 的相變溫度最好選擇為40～45 ℃溫度范圍[17-18]。石蠟由于具有高相變潛熱、安全、無(wú)毒及化學(xué)性能穩(wěn)定等特性，所以經(jīng)常被應(yīng)用于電池?zé)峁芾硌芯恐小５炗捎谄鋵?dǎo)熱系數(shù)低，難以及時(shí)吸收電池充放電時(shí)產(chǎn)生的熱量，因此需要提高石蠟的導(dǎo)熱能力，普遍的做法是添加高導(dǎo)熱率的材料，如碳材料、金屬材料和納米材料等。石蠟中添加高導(dǎo)熱性材料形成復(fù)合PCM，復(fù)合PCM 直接與電池發(fā)熱面接觸，吸收電池的產(chǎn)熱量。本文選用的復(fù)合PCM 的熱物性參數(shù)如表3 所示[19]。
表3 復(fù)合PCM 的熱物性參數(shù)[19]
圖5 為電池組在空氣自然對(duì)流冷卻和PCM 冷卻兩種情況下的最高溫度和最大溫差。表4 為兩種冷卻方案的最高溫度與最大溫差的數(shù)值對(duì)比。由圖表可知，采用PCM 冷卻方案能夠明顯降低電池組最高溫度和最大溫差。在1.5C高倍率放電結(jié)束時(shí)，電池組最高溫度從327.82 K 降到315.08 K，最大溫差從2.89 K 降到1.31 K，其最高溫度降了12.74 K，最大溫差降了1.58 K，提高了電池組的溫度一致性。這表明PCM 溫控效果好，能夠使電池維持在合適溫度下工作，提高了電池的安全性。
表4 自然冷卻與PCM 冷卻的數(shù)據(jù)對(duì)比 K
圖5 自然對(duì)流冷卻與PCM 冷卻的溫度對(duì)比
3.3 PCM 結(jié)合液冷對(duì)電池模組散熱效果的影響
上述研究表明，在一個(gè)放電工況下使用復(fù)合PCM 進(jìn)行電池?zé)峁芾頃r(shí)，可以很有效地控制電池的溫度，保持電池組溫度的一致性。但當(dāng)電池需要進(jìn)行多次充放電循環(huán)時(shí)，單單采用被動(dòng)冷卻系統(tǒng)是滿足不了電池散熱需求的。為了解決上述問題，將PCM 與液冷方式相結(jié)合形成主被動(dòng)式電池?zé)峁芾眢w系，并研究其在循環(huán)充放電工況下的散熱效果，本文研究的循環(huán)工況為：1.5C放電-1C充電-1.5C放電。
由于不需要考慮液冷管與電池接觸帶來(lái)的復(fù)雜管路設(shè)計(jì)問題，本文保留系統(tǒng)簡(jiǎn)單的液冷結(jié)構(gòu)，在電池左右側(cè)PCM中分別加了5 根半徑為2 mm 的等距離圓形口液冷管，管道通過(guò)厚度0.5 mm 的鋁制材料將冷卻液和PCM 分開，如圖6(a)所示。為研究冷卻液進(jìn)出口位置對(duì)電池模組散熱效果的影響，設(shè)計(jì)了三種進(jìn)出口方案：方案一為左右側(cè)進(jìn)出口方向相同；方案二為左右側(cè)進(jìn)出口方向相反；方案三為左右側(cè)進(jìn)出口方向交錯(cuò)。冷卻液進(jìn)出口位置不同的結(jié)構(gòu)如圖6(b)～(d)所示。本文選用液態(tài)水作為冷卻液，冷卻液入口處流量為1×10-3kg/s，冷卻液入口溫度為298.15 K。
圖6(e)、(f)為電池組在單一PCM 冷卻和PCM 結(jié)合液冷三種方案冷卻的四種情況下電池組的最高溫度和最大溫差。由圖6(e)可知，僅有PCM 冷卻時(shí)，電池組在第二次放電時(shí)溫度迅速上升，說(shuō)明這時(shí)PCM 的相變潛熱降為0，失去了溫控能力；而結(jié)合PCM 和液冷進(jìn)行冷卻時(shí)，即使在充放電循環(huán)結(jié)束時(shí)電池組的最高溫度也能維持在315 K 以下，滿足電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的要求。雖然加入液冷管后，電池組的最高溫度得到很好的控制，但由圖6(f)可以看出，電池組的最大溫差卻變大了，充放電循環(huán)結(jié)束時(shí)方案一最大溫差(7.30 K)和方案二最大溫差(5.98 K)都超過(guò)了5 ℃，但方案三最大溫差(4.19 K)還在5 ℃之內(nèi)。圖7 為充放電循環(huán)結(jié)束時(shí)電池組沿高度方向中部截面的溫度分布圖，由圖我們可以很直觀地看到方案三冷卻時(shí)電池組溫度一致性更好。PCM 耦合液冷的三種方案中，雖然方案二模組的最高溫度最小，但其最大溫差超過(guò)了5 ℃；而方案三模組的最高溫度(314.52 K)比方案二最高溫度(313.93 K)僅僅高出0.59 K，且其最大溫差最小，滿足電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)要求的5 ℃之內(nèi)。
圖6 液冷結(jié)構(gòu)及模組溫度曲線
圖7 充放電循環(huán)結(jié)束時(shí)電池組中部截面的溫度分布圖
通過(guò)對(duì)上述研究結(jié)果分析，可以得出：本文提出的一種PCM 結(jié)合液冷的冷卻方式可以有效地帶走電池組的產(chǎn)熱，其中方案三結(jié)構(gòu)最優(yōu)，使電池組可以維持在合適溫度范圍下工作，且電池組的溫度均勻性好。
4 結(jié)論
本文以方形三元鋰離子電池為研究對(duì)象，建立了3D 電化學(xué)-熱耦合模型，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明該模型具有很好的估算精度和魯棒性。在此基礎(chǔ)上建立了電池模組，研究分析電池模組在自然對(duì)流冷卻、PCM 冷卻以及PCM-液冷復(fù)合冷卻的冷卻方式下的熱特性，并比較分析冷卻液的三種進(jìn)出口方案對(duì)模組散熱效果的影響。結(jié)果表明：自然對(duì)流冷卻電池模組溫升最大，1.5C放電結(jié)束時(shí)最高溫度(327.82 K)超過(guò)50 ℃；單一PCM 冷卻能使電池組在第一次放電工況下可以很有效地控制電池組溫升，但對(duì)于充放電循環(huán)工況下，PCM 就失去其有效的控溫功能；PCM-液冷復(fù)合熱管理方案使電池模組在充放電循環(huán)工況下也可以很有效地控制電池組溫升，使電池工作溫度維持在最佳范圍內(nèi)，其中方案三結(jié)構(gòu)最優(yōu)，整個(gè)充放電循環(huán)過(guò)程中電池組的最高溫度和最大溫差可控制在50 和5 ℃以內(nèi)，為電池?zé)峁芾碓O(shè)計(jì)提供一定參考。
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目前，BTMS 冷卻方式主要有空氣冷卻、液體冷卻、相變材料(PCM)冷卻和熱管冷卻[4]。但風(fēng)冷和液冷需要風(fēng)扇及水泵等額外的耗能部件，增加了電池的能量消耗，降低了電池的續(xù)航性[5]，這對(duì)電動(dòng)車而言是非常不利的。而PCM 冷卻方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、相變潛熱大以及不需要消耗額外的動(dòng)力源，這些是其他冷卻方式不能比擬的[6]。有很多研究[7-9]證明了PCM 冷卻系統(tǒng)可以很有效地降低電池組的最高溫度，且提高了電池組溫度一致性。
PCM 雖然具備其他熱管理系統(tǒng)所沒有的優(yōu)勢(shì)，但都是建立在PCM 可以吸收足夠熱量基礎(chǔ)上的，一旦PCM 吸收的熱量超過(guò)其承受范圍，PCM 就會(huì)完全熔化，相變潛熱降為0，使其失去了溫控能力。而由于液冷可以迅速實(shí)現(xiàn)電池降溫的優(yōu)勢(shì)，所以通過(guò)將PCM 和液冷相結(jié)合來(lái)提高熱管理系統(tǒng)的散熱能力，滿足電池即使在極端工況下工作，也能保持在適宜工作溫度范圍下工作。
本文建立了鋰離子電池3D 電化學(xué)-熱耦合模型，在電池單體模型的基礎(chǔ)上，建立了電池模組熱管理模型。針對(duì)PCM和液冷的特征，提出了將PCM 與液冷耦合的熱管理方案以提高散熱能力，并對(duì)比了在自然對(duì)流冷卻、單一PCM 和PCM 結(jié)合液冷幾種方案的散熱效果，證明所提出的PCM 結(jié)合液冷熱管理方案的優(yōu)越性，為電池模組熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供一定的參考價(jià)值。
1 模型描述
相比于傳統(tǒng)的一維和二維電化學(xué)模型[10-11]，三維電化學(xué)模型充分考慮了邊緣對(duì)電池長(zhǎng)度和高度的影響，更能展現(xiàn)電池內(nèi)部的細(xì)節(jié)，得到更準(zhǔn)確的溫度分布。因此在COMSOL 中建立了一種耦合了三維電化學(xué)模型和三維熱模型的三維電化學(xué)-熱耦合模型來(lái)模擬電池組的傳熱過(guò)程，其平均耦合示意圖見圖1。
圖1 三維電化學(xué)-熱耦合模型
1.1 電化學(xué)模型
電化學(xué)模型采用的是Doyle 等提出的P2D 模型[12]，以濃溶液理論和多孔電極理論為基礎(chǔ)，建立了包含質(zhì)量守恒原理、電荷守恒原理和電極動(dòng)力學(xué)的模型。電化學(xué)模塊由正/負(fù)極、隔膜、正/負(fù)極、集流體五部分組成。表1 列出了電化學(xué)模型的控制方程和邊界條件設(shè)置，這些方程在其他文獻(xiàn)[13-14]中都有解釋，此處就不再累贅。
表1 電化學(xué)模型的控制方程和邊界條件設(shè)置[13-14]
1.2 熱模型
熱模型描述了電池產(chǎn)熱、傳熱以及散熱之間的關(guān)系，其能量守恒控制方程[15]為：
式中：ρ 為密度(kg/m3)；cp為比熱容[J/(kg·K)]；T為某點(diǎn)的溫度(K)；λ 為各方向的導(dǎo)熱系數(shù)[W/(m·K)]；q為總產(chǎn)熱速率(W/m3)，總產(chǎn)熱速率包括反應(yīng)熱qre、歐姆熱qohm、極化熱qact以及熱耗散率qexch。
其中：
式中：h為傳熱系數(shù)[W/(m2·K)]，取值為7；d為極片厚度(m)；T為電池溫度(K)；Tam為外部環(huán)境溫度(K)。
2 模型驗(yàn)證
本文研究的對(duì)象為一款50 Ah 三元鋰離子電池，正極材料為鎳鈷錳(NCM,LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2)，負(fù)極材料為石墨。對(duì)單體電池進(jìn)行不同倍率下的放電測(cè)試，并采集電池表面中心處的溫度，同樣在模型相同的位置點(diǎn)采集表面溫度，其相關(guān)實(shí)物及模型圖如圖2 所示。電池有限元建模時(shí)的相關(guān)參數(shù)如表2 所示。
表2 電池模型相關(guān)參數(shù)
圖2 (a)樣品電池實(shí)物圖；(b)三維模型圖；(c)網(wǎng)格劃分圖
為驗(yàn)證模型的有效性，對(duì)單體電池進(jìn)行恒流放電測(cè)試，并將所得電壓和溫度與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證分析。在恒溫箱控溫的三個(gè)溫度(283.15、298.15 和308.15 K)下，進(jìn)行了三個(gè)倍率(0.5C、1.0C和1.5C)的放電實(shí)驗(yàn)。同理，在仿真軟件中也設(shè)置相同的測(cè)試條件。將仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，其仿真曲線與實(shí)驗(yàn)曲線對(duì)比見圖3。
由圖3 可知，不同放電倍率和不同環(huán)境溫度下電池溫升的仿真曲線與實(shí)驗(yàn)曲線吻合較好。其中放電電壓最大誤差小于5%，電池溫差的最大值也小于2 K，驗(yàn)證了模型的有效性[16]。因此，該模型可以用來(lái)研究電池在充放電過(guò)程中的熱特性。
圖3 電池放電電壓和溫度的仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比
3 電池模組熱特性分析
本文研究的電池模組由六個(gè)單體電池串聯(lián)而成，電池間距為4 mm，如圖4(a)所示。研究分析模組在298.15 K 的環(huán)境溫度下進(jìn)行不同倍率放電時(shí)的溫度變化情況，并且對(duì)比分析加入PCM 后模組的散熱效果及溫度一致性。電池中間、前后都填充4 mm 厚度的PCM，以及電池兩側(cè)也填充了8 mm 厚度PCM，PCM 高度與電池一致，其俯視圖如圖4(b)所示。由于電池組的對(duì)稱性原因，這里選取了1 號(hào)電池外側(cè)底部作為最低溫度采集點(diǎn)，選取靠近3 號(hào)電池的4 號(hào)電池那一表面中心點(diǎn)為最高溫度采集點(diǎn)，其兩者溫度相減作為模組的最大溫差。
3.1 自然對(duì)流冷卻電池模組的溫度分析
在298.15 K 環(huán)境溫度下，對(duì)電池進(jìn)行三個(gè)放電倍率(0.5C、1.0C和1.5C)放電，研究電池組溫度隨時(shí)間的變化。圖4(c)、(d)分別為在空氣自然對(duì)流冷卻下電池組的最大溫度和最大溫差。從圖中可以看出，電池組最高溫度和最大溫差有相同的變化趨勢(shì)，都隨著放電倍率的增大而明顯上升，在放電結(jié)束時(shí)，電池組的最高溫度和最大溫差達(dá)到最大值。0.5C時(shí)的電池組溫度和溫差最小，1.5C的電池組溫度和溫差值最大。在1.5C放電結(jié)束時(shí)，其最大溫度達(dá)到了327.82 K，最大溫差為2.89 K，但電池組的最大溫度已經(jīng)超過(guò)適宜工作溫度范圍，如果在這種溫度環(huán)境下長(zhǎng)期工作的話，電池性能會(huì)受到影響，甚至導(dǎo)致電池?zé)崾Э兀M(jìn)而危及安全。因此，需要一個(gè)熱管理系統(tǒng)來(lái)降低電池組的溫度，保持電池組能在適宜的溫度下工作。
圖4 電池模塊及模組溫度曲線
3.2 PCM 對(duì)電池模組散熱效果的影響
PCM 由于具有較高的潛熱特性，所以能很好應(yīng)用于動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)進(jìn)行被動(dòng)冷卻。而PCM 的選擇應(yīng)滿足電池組最高溫度與最大溫差的基本要求，因此PCM 的相變溫度最好選擇為40～45 ℃溫度范圍[17-18]。石蠟由于具有高相變潛熱、安全、無(wú)毒及化學(xué)性能穩(wěn)定等特性，所以經(jīng)常被應(yīng)用于電池?zé)峁芾硌芯恐小５炗捎谄鋵?dǎo)熱系數(shù)低，難以及時(shí)吸收電池充放電時(shí)產(chǎn)生的熱量，因此需要提高石蠟的導(dǎo)熱能力，普遍的做法是添加高導(dǎo)熱率的材料，如碳材料、金屬材料和納米材料等。石蠟中添加高導(dǎo)熱性材料形成復(fù)合PCM，復(fù)合PCM 直接與電池發(fā)熱面接觸，吸收電池的產(chǎn)熱量。本文選用的復(fù)合PCM 的熱物性參數(shù)如表3 所示[19]。
表3 復(fù)合PCM 的熱物性參數(shù)[19]
圖5 為電池組在空氣自然對(duì)流冷卻和PCM 冷卻兩種情況下的最高溫度和最大溫差。表4 為兩種冷卻方案的最高溫度與最大溫差的數(shù)值對(duì)比。由圖表可知，采用PCM 冷卻方案能夠明顯降低電池組最高溫度和最大溫差。在1.5C高倍率放電結(jié)束時(shí)，電池組最高溫度從327.82 K 降到315.08 K，最大溫差從2.89 K 降到1.31 K，其最高溫度降了12.74 K，最大溫差降了1.58 K，提高了電池組的溫度一致性。這表明PCM 溫控效果好，能夠使電池維持在合適溫度下工作，提高了電池的安全性。
表4 自然冷卻與PCM 冷卻的數(shù)據(jù)對(duì)比 K
圖5 自然對(duì)流冷卻與PCM 冷卻的溫度對(duì)比
3.3 PCM 結(jié)合液冷對(duì)電池模組散熱效果的影響
上述研究表明，在一個(gè)放電工況下使用復(fù)合PCM 進(jìn)行電池?zé)峁芾頃r(shí)，可以很有效地控制電池的溫度，保持電池組溫度的一致性。但當(dāng)電池需要進(jìn)行多次充放電循環(huán)時(shí)，單單采用被動(dòng)冷卻系統(tǒng)是滿足不了電池散熱需求的。為了解決上述問題，將PCM 與液冷方式相結(jié)合形成主被動(dòng)式電池?zé)峁芾眢w系，并研究其在循環(huán)充放電工況下的散熱效果，本文研究的循環(huán)工況為：1.5C放電-1C充電-1.5C放電。
由于不需要考慮液冷管與電池接觸帶來(lái)的復(fù)雜管路設(shè)計(jì)問題，本文保留系統(tǒng)簡(jiǎn)單的液冷結(jié)構(gòu)，在電池左右側(cè)PCM中分別加了5 根半徑為2 mm 的等距離圓形口液冷管，管道通過(guò)厚度0.5 mm 的鋁制材料將冷卻液和PCM 分開，如圖6(a)所示。為研究冷卻液進(jìn)出口位置對(duì)電池模組散熱效果的影響，設(shè)計(jì)了三種進(jìn)出口方案：方案一為左右側(cè)進(jìn)出口方向相同；方案二為左右側(cè)進(jìn)出口方向相反；方案三為左右側(cè)進(jìn)出口方向交錯(cuò)。冷卻液進(jìn)出口位置不同的結(jié)構(gòu)如圖6(b)～(d)所示。本文選用液態(tài)水作為冷卻液，冷卻液入口處流量為1×10-3kg/s，冷卻液入口溫度為298.15 K。
圖6(e)、(f)為電池組在單一PCM 冷卻和PCM 結(jié)合液冷三種方案冷卻的四種情況下電池組的最高溫度和最大溫差。由圖6(e)可知，僅有PCM 冷卻時(shí)，電池組在第二次放電時(shí)溫度迅速上升，說(shuō)明這時(shí)PCM 的相變潛熱降為0，失去了溫控能力；而結(jié)合PCM 和液冷進(jìn)行冷卻時(shí)，即使在充放電循環(huán)結(jié)束時(shí)電池組的最高溫度也能維持在315 K 以下，滿足電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的要求。雖然加入液冷管后，電池組的最高溫度得到很好的控制，但由圖6(f)可以看出，電池組的最大溫差卻變大了，充放電循環(huán)結(jié)束時(shí)方案一最大溫差(7.30 K)和方案二最大溫差(5.98 K)都超過(guò)了5 ℃，但方案三最大溫差(4.19 K)還在5 ℃之內(nèi)。圖7 為充放電循環(huán)結(jié)束時(shí)電池組沿高度方向中部截面的溫度分布圖，由圖我們可以很直觀地看到方案三冷卻時(shí)電池組溫度一致性更好。PCM 耦合液冷的三種方案中，雖然方案二模組的最高溫度最小，但其最大溫差超過(guò)了5 ℃；而方案三模組的最高溫度(314.52 K)比方案二最高溫度(313.93 K)僅僅高出0.59 K，且其最大溫差最小，滿足電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)要求的5 ℃之內(nèi)。
圖6 液冷結(jié)構(gòu)及模組溫度曲線
圖7 充放電循環(huán)結(jié)束時(shí)電池組中部截面的溫度分布圖
通過(guò)對(duì)上述研究結(jié)果分析，可以得出：本文提出的一種PCM 結(jié)合液冷的冷卻方式可以有效地帶走電池組的產(chǎn)熱，其中方案三結(jié)構(gòu)最優(yōu)，使電池組可以維持在合適溫度范圍下工作，且電池組的溫度均勻性好。
4 結(jié)論
本文以方形三元鋰離子電池為研究對(duì)象，建立了3D 電化學(xué)-熱耦合模型，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明該模型具有很好的估算精度和魯棒性。在此基礎(chǔ)上建立了電池模組，研究分析電池模組在自然對(duì)流冷卻、PCM 冷卻以及PCM-液冷復(fù)合冷卻的冷卻方式下的熱特性，并比較分析冷卻液的三種進(jìn)出口方案對(duì)模組散熱效果的影響。結(jié)果表明：自然對(duì)流冷卻電池模組溫升最大，1.5C放電結(jié)束時(shí)最高溫度(327.82 K)超過(guò)50 ℃；單一PCM 冷卻能使電池組在第一次放電工況下可以很有效地控制電池組溫升，但對(duì)于充放電循環(huán)工況下，PCM 就失去其有效的控溫功能；PCM-液冷復(fù)合熱管理方案使電池模組在充放電循環(huán)工況下也可以很有效地控制電池組溫升，使電池工作溫度維持在最佳范圍內(nèi)，其中方案三結(jié)構(gòu)最優(yōu)，整個(gè)充放電循環(huán)過(guò)程中電池組的最高溫度和最大溫差可控制在50 和5 ℃以內(nèi)，為電池?zé)峁芾碓O(shè)計(jì)提供一定參考。
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