基于液冷和相變材料冷卻的動力鋰電池熱管理系統研究

張海波　顧驍勇　魯福碩　席加誠　雷文博

摘 要：鋰離子電池在工作過程中會放出大量的熱，長時間工作會導致電池長期處于高溫環境中，對電池的性能和壽命造成嚴重影響。文章設計了一種基于液冷板和相變材料結合的動力鋰電池散熱系統，對比分析了不同的介質、不同的初始溫度、不同的水流速對電池散熱的影響。結果表明，在初始溫度為25℃，水的流速為0.2m/s時，采用水+相變材料的方式對電池進行散熱效果最佳。

關鍵詞：電池熱管理 相變材料 鋰離子電池 散熱性能 液冷板

1 引言

鋰離子電池因為沒有記憶效應、輸出功率大、使用壽命長、不含有毒有害物質等優點，在儲能和新能源汽車領域得到了廣泛應用。但由于溫度對動力鋰電池的性能影響很大，所以電池的最佳工作溫度范圍需要控制在20～45℃之間[1]。在實際的高溫環境和快速放電應用下，電池的產熱量迅速增加。若熱量得不到耗散，會發生不可逆的熱失控甚至爆炸。除此之外，電池工作前后的最大溫差應小于5℃。溫差過大就會導致電池的放電不平衡，加快電池老化速率，影響電池的容量保持率。為了提高電池的性能，確保電池壽命，簡單高效的電池熱管理技術顯得尤為重要[2]。

針對電池的研究中，盧欣欣等[3]研究新能源汽車動力電池分類及其常見問題，并提出解決方法，為電池發展提供理論指導。張良[4]設計了一套強制風冷散熱系統，通過改變電池間距、進風口風道角度等，有效改善了風冷散熱系統的散熱效果。賀春敏等[5]將Mxene與石蠟結合構建復合相變材料，探討不同參數對散熱性能影響，最終實現可將溫差控制在0.75℃以下。張曉光等[6]建立相變冷卻耦合空氣冷卻鋰電池組散熱模型，模擬不同單體電池間距以及相變材料用量下電池組溫度場變化情況。研究發現，當單體電池均勻排布時，隨著電池間距的增大，相變冷卻系統內溫差先降低后升高，在10mm時溫度均勻性最優。路玲等[7]研究發現，添加翅片的PCM散熱模型可將鋰電池最高溫度進一步降低2.4℃，增加翅片數量和延伸翅片長度均可提升鋰電池散熱性能。劉曉峰等[8]研究熱管和空氣冷卻結合的技術對電池進行散熱，相比強制空氣對流，彌補了熱介質空氣熱學性能差的缺點。吳凱等[9]研究對比風冷、液冷、相變材料制冷等不同方面，認為液冷適用范圍更廣、效率更高。王燁等[10]設計平板熱管與相變材料（PCM）復合的散熱系統，可以解決單塊電池溫差過大的問題。任雪萍等[11]采用一種基于口琴管的液冷方案模擬研究冷卻電池組的溫度分布，結果表明，該方案可以同時滿足電池所需的降溫和均溫要求。

本文設計了基于液體和相變材料冷卻的電池熱管理系統，研究了不同介質對電池散熱的影響，比較了不同冷卻方式下的電池散熱情況。

2 數值模型建立及實驗驗證

2.1 模型建立

鋰離子電池參數為直徑18mm，高65mm的18650圓柱電池，忽略電池細小部件對電池生熱和傳熱的影響，對電池單體進行簡化處理，使用Solidworks進行建模。如圖1所示，電池擺放在帶翅片的支架上，在電池周圍填充相變材料，支架下方鋪設有流道，水從支架底部的流道內流過用于冷卻電池，鋰離子電池、相變材料、支架和水的物性列于表1中，其中支架的材料為氧化鋁。

2.2 網格劃分

為了驗證網格數量對計算結果的影響，使用Ansys Mesh對電池單體模型進行網格劃分，網格模型如圖2所示，網格數及其放電結束后溫度的關系如圖3所示。

如圖3所示，當網格數量增加到57萬個之后，網格數量的增加對溫度的影響逐漸減小，當網格數量再次增加10萬個時，溫度變化在0.01K，因此采用的網格數量為57萬個。

2.3 控制方程

數值模型中采用的連續性方程（1）、動量守恒方程（2）和能量守恒方程（3）如下所示[13]。

式中：u為速度，m/s；t為溫度，K；P為壓力，Pa；ρ是密度，kg/m3；μ是黏度，Pa·s；λ是熱導率，W/（m·K）;cp為比熱容，J/（kg·K）。

式中：H為焓，J/kg；L為潛熱，J/kg，下表L和S分別代表液相和固相。

計算電池的生熱率的公式如下所示[15]。

式中：I為電流，A；R為電阻，Ω，U為電壓，V。

2.4 初始條件

假設電池分別在初始溫度為25℃、30℃、35℃的工況下以3C電流放電，水的流速分別為0.05m/s、0.1m/s、0.2m/s，忽略重力，采用SIMPLE算法，壓力、動量和能量采用二階迎風格式，除能量外收斂條件為殘差小于10-3，能量的收斂條件為殘差小于10-6。

2.5 實驗驗證

通過實驗驗證電池的生熱模型。如圖4所示，將4個18650電池串聯后置于恒溫箱內，使用充放電裝置（型號EBC-A20）將電池進行3C放電。使用了四個熱電偶來測量電池的實時溫度，并使用一個無紙記錄儀（型號MIK-R5000C）記錄并保存數據。仿真的結果和實驗的結果如圖5所示。

根據圖5，實驗結果與仿真結果之間的差異很小，最大偏差在1℃以內，這表明仿真使用的電池生熱模型是可靠的。

3 不同介質對鋰離子電池散熱的影響

3.1 不同冷卻方式的影響

不同冷卻方式下的溫度云圖如圖6所示，在僅用空氣對電池進行散熱時，電池的溫度較高，由于電池底部的熱量在支架表面散發，所以電池底部的溫度低于電池頂端，圖中頂端的顏色也更深。四周的電池比中間的電池與空氣的接觸面積更多，自然對流帶走了側面電池的一些熱量，所以顏色也比中間的電池較淺。在用水作為冷卻劑的情況下，由于冷卻水在電池下方的流道中流動，會帶走大量熱量，所以電池底部的溫度明顯低于電池頂部，在翅片的作用下，電池中上方的部分熱量也被水帶走，冷卻效果優于僅用空氣冷卻。當用相變材料冷卻電池時，冷卻效果明顯好于前兩種，電池的大部分熱量被相變材料吸收。使用水+相變材料作為冷卻劑效果是四種冷卻方式中效果最好的，因為其結合了水冷電池和相變材料冷卻電池的優點。

不同條件下的冷卻溫度變化如圖7所示，電池的初始溫度為303.15 K，電池產生的熱量隨時間逐漸增加。前220 s在四種冷卻方式下的電池升溫速度相差不大，220 s之后相變材料和水+相變材料的方式升溫速度明顯低于另外兩種，相變材料的相變溫度是308.15K，此時電池的溫度達到了這一數值，所以相變材料開始融化，在相變材料融化逐漸過程中，電池的溫度幾乎不發生變化，相變材料吸收了電池散發出的熱量，當電池底部流道中有水通過時，水也能帶走電池的熱量，因此當使用水和相變材料冷卻電池的時候，放電終了時電池的溫度最低，為313.51K，比僅使用空氣冷卻電池時降低了20.78K。

電池熱管理系統不僅需要快速降低電池溫度，而且還需要將電池的溫差保持在± 5℃范圍內，因此電池的溫差對冷卻方式的選擇也尤為重要。不同冷卻方式下的溫差如圖8所示，采用四種冷卻方式下的電池溫差均隨時間推移而逐漸增加。其中相變材料和水+相變材料冷卻的電池溫差有些波折，在220 s之前的溫差略高于另外兩種冷卻方式的溫差，在220 s至300 s之間溫差又會減小至0，這是因為在相變材料融化的過程中相變材料的溫度幾乎不發生變化，之后到1000 s 四種冷卻方式的溫差相差不大，但1000 s之后它們間的差異隨時間推移而增大，在放電終了時，電池溫差最小的冷卻方式是水+相變材料。

3.2 不同初始溫度的影響

本節研究的是不同初始溫度對電池散熱的影響，其余變量一致的情況下分別設置了初始溫度為25℃、30℃、35℃。

圖9所示的是在初始溫度不同的情況下電池的溫度。從圖中可以看出當，初始溫度為298.15K時，放電終了時電池的溫升是三組中最大的，當初始溫度為308.15K時，放電終了時電池的溫升是三組中最小的，這是由于當初始溫度為308.15K時，放電終了時，已經有大部分相變材料融化，相變材料融化時維持了電池的溫度，降低了電池的溫升，如圖10所示，初始溫度為35℃時，放電終了時液相質量分數遠遠大于初始溫度為25℃時的液相質量分數。不同初始溫度下液相質量分數隨時間的變化情況如圖11所示，從圖中可以看出當初始溫度為35℃時，在電池放電剛開始時相變材料就開始融化，而當初始溫度為25℃時，在電池放電后450s相變材料才開始融化。

初始溫度不同時的電池溫差如圖12所示。三組溫度達到308 K后溫差會降低一段時間，之后溫差又會隨時間推移而不斷增大，在900s時，初始溫度為25℃的電池溫差為0.4 K，初始溫度為30℃電池溫差為0.6K，初始溫度為35℃電池溫差為0.7K。初始溫度為25℃的電池溫差最小。

3.3 不同流速的影響

本小節研究的是在其余條件都相同的情況下，水的流速對電池散熱性能的影響。圖13展示了不同流速下電池的溫度，從圖中可以看出隨著水流速的增大，電池的溫升速度減慢，但速度對電池溫度的影響不顯著，這是由于流速較高時水流沖刷流道邊界，提升了對流換熱系數，使得更多的熱量從電池傳遞給水，但是流道與電池的接觸面積較小，因此這種效果不明顯。

不同流速下的電池溫差，如圖14所示。220s相變材料熔化之前三種流速相差不大，但熔化之后，同一時刻，流速越大溫差越低，例如在900 s時，流速為0.05m/s的溫差為0.58K，流速為0.1m/s時溫差為0.56K，流速為0.2m/s時溫差為0.5 K，這表明了在相變材料融化后，流速增大電池之間的溫差減小。

4 結論

本文設計了基于液體和相變材料冷卻的電池熱管理系統，研究了不同介質對電池散熱的影響，比較了不同冷卻方式下的電池散熱情況，得出結論如下：

（1）在電池周圍包裹相變材料后，放電終了時電池的溫度和溫差均降低，水+相變材料的冷卻方式為最優。

（2）電池初始溫度較高時，放電終了時相變材料的液相質量分數較高，電池的溫升較小。

（3）水的流速增大將導致電池的溫度和溫差降低。

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