相變材料和液冷結(jié)合的鋰離子電池?zé)峁芾硇阅軆?yōu)化

作者：蘭洋科技????瀏覽量：5342????時(shí)間：2023年06月13日????標(biāo)簽: PCM相變材料電池散熱

摘要：相變材料因其良好的控溫能力在電池熱管理中得到了廣泛的研究，但在高溫環(huán)境和高放電倍率下，單純依靠相變材料很難滿足熱管理的要求。設(shè)計(jì)了相變材料和冷卻板混合的電池?zé)峁芾矸绞讲ζ溥M(jìn)行數(shù)值模擬，與采用純相變冷卻進(jìn)行了對比。分析了電池間距、冷卻液入口速度對電池最高溫度以及相變材料液化率的影響，并對充放電循環(huán)過程進(jìn)行了探究。結(jié)果表明，在高溫和高放電工況下，液冷的引入解決了因相變材料完全液化導(dǎo)致的電池溫度惡化和中間電池?zé)崃坷鄯e的問題。相比于純相變冷卻，當(dāng)冷卻液速度為 0.5 m/s 時(shí)，混合冷卻可將電池的間距減小至3 mm，繼續(xù)增大冷卻液的速度對熱管理性能提升較小。同時(shí)，液冷板的加入可以減少首次充放電循環(huán)對后續(xù)循環(huán)過程的影響，增加電池的使用壽命。

作者：姜鑫鑫，李凌上海理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，上海

為了應(yīng)對環(huán)境危機(jī)，減少二氧化碳的排放，清潔無污染的新能源汽車引起了人們越來越多的關(guān)注。作為儲/供能裝置，電池性能的好壞直接決定了汽車的產(chǎn)品質(zhì)量。其中，鋰離子電池因?yàn)闊o記憶性、能量密度高、循環(huán)壽命長等優(yōu)點(diǎn)，在儲能和新能源汽車領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但鋰離子電池的性能受溫度的影響很大，電池的最佳工作溫度范圍需要控制在 20 ～45 ℃ 之間。

在實(shí)際的高溫環(huán)境和快速放電應(yīng)用下，電池的產(chǎn)熱量迅速增加。若熱量得不到耗散，會發(fā)生不可逆的熱失控甚至爆炸。另一方面，電池間的最大溫差應(yīng)小于 5 ℃，過大的溫差會導(dǎo)致電池內(nèi)的不平衡放電，加快老化速率，影響電池的壽命。為了提高電池的性能，高效的電池?zé)峁芾砑夹g(shù)顯得尤為重要。根據(jù)工作介質(zhì)的不同，目前電池?zé)峁芾矸绞?可以分為空氣冷卻、液體冷卻、相變材料 (phase change material, PCM) 冷卻、熱管冷卻等。其中相變冷卻比空冷冷卻能力強(qiáng)，比液冷、熱管冷卻結(jié)構(gòu)簡單，并且在相變過程中可以吸收大量的熱，使電池的溫度維持在相變溫度附近[15]，因此得到了廣泛的研究。

Javani研究了單體電池在放電過程中，不同厚度的PCM對電池溫度的影響，結(jié)果表明，相比空氣自然冷卻，PCM的加入使電池的溫度下降了3K左右，電池溫度變得更加均勻。然而，相變材料存在導(dǎo)熱率低和自身散熱差兩個(gè)主要問題。雖然通過加入例如膨脹石墨（EG）、金屬泡沫、碳納米管等高導(dǎo)熱率材料可以增加相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)，但是，相變材料自身的散熱仍是大問題。在高溫和快速放電工況下，若僅通過與環(huán)境的自然對流散熱，相變材料會完全液化，電池的熱量無法高效耗散，導(dǎo)致局部電池溫度過高。為了解決這個(gè)問題，結(jié)合了相變冷卻和其他冷卻（如空冷、液冷、熱管冷卻）的混合冷卻方式得到了廣泛的研究。

例如，Safdari 等數(shù)值研究了PCM和強(qiáng)制空氣冷卻的混合冷卻效率。通過改變?nèi)肟诳諝獾牧魉?，與自然對流相比，在流速為0.2m/s 的情況下，強(qiáng)制空冷的冷卻能力提高了6倍以上。但是，當(dāng)電池在較大電流工況時(shí)，該冷卻方式將很難滿足熱管理的要求。相比于空氣，液體更適合電池在大電流工況時(shí)的冷卻。

Zhang等實(shí)驗(yàn)表明在高放電倍率時(shí)結(jié)合相變材料和底部液體冷卻可以將電池的最高溫度控制在 50 ℃ 以下，并且電池的溫度呈現(xiàn)良好的均勻性。為了增加冷卻液的換熱面積，Zhuang 等設(shè)計(jì)了包含冷卻孔的冷卻板，將電池和相變材料包覆其中，在高放電過程中防止了電池?zé)崃康睦鄯e，有效地降低了電池的溫度，但是過多的冷卻孔會增加系統(tǒng)的復(fù)雜度。

對于目前相變材料和液冷混合的系統(tǒng)，大部分都僅探究電池的放電過程，卻對使用更多的充放電循環(huán)過程探究較少。并且在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，冷卻能力的提升往往伴隨著系統(tǒng)體積的增加，所以減小系統(tǒng)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和體積也至關(guān)重要。

本文設(shè)計(jì)了一種相變材料和液冷板復(fù)合的冷卻結(jié)構(gòu)，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜程度。在此基礎(chǔ)上，討論了電池的間距、冷卻液的速度對電池?zé)嵝阅艿挠绊?。在考慮了放電的同時(shí)，也對充放電循環(huán)過程中電池的溫度以及相變材料的液化情況進(jìn)行了探究，并和無液冷板的相變模組進(jìn)行對比分析。通過對混合模組的優(yōu)化設(shè)計(jì)，減小了模組的體積和輸入功。

01研究方法

物理模型

本文研究的物理模型如圖1所示，該模組由24個(gè)圓柱形鋰離子電池構(gòu)成，直徑 D=26 mm，高度 H=65 mm。電池的具體參數(shù)如表1所示。電池模組周圍穿插了中空鋁制冷卻板，冷卻介質(zhì)從中間流過。冷卻板的壁厚為 0.5 mm，冷卻液通道橫截面的尺寸為1mm×64 mm，冷卻介質(zhì)為水，具體物性參數(shù)如表2所示。電池和液冷板的間隙處填充了由石蠟、脂質(zhì)和膨脹石墨（EG）復(fù)合的相變材料，用來吸收電池充放電過程中產(chǎn)生的熱量，這部分熱量將由導(dǎo)熱性能較好的鋁金屬板傳遞給冷卻水耗散掉，相變材料的具體參數(shù)如表3所示。為了確保安全，整個(gè)電池組用絕緣材料包裝起來。初始電池之間的間距 d=6 mm。

數(shù)學(xué)模型

為方便計(jì)算，作出如下假設(shè)：a.冷卻液為不可壓縮的牛頓流體；b.各材料之間的接觸熱阻忽略不計(jì)，材料的物性為定值；c.電池與相變材料之間只通過導(dǎo)熱進(jìn)行熱量傳遞，忽略輻射的影響；d.忽略相變材料在相變后的體積與壓力的變化。

電池的導(dǎo)熱方程為

式中：pb，Cb和T分別表示電池的密度、比熱容和溫度；Kx ，Ky ，Kz表示電池沿著3個(gè)坐標(biāo)軸方向的導(dǎo)熱系數(shù)；源項(xiàng)Qgen表示電池的產(chǎn)熱量，根據(jù)產(chǎn)生原理，又可分為由于熵變產(chǎn)生的可逆熱和由于電池內(nèi)阻產(chǎn)生的不可逆熱兩部分。

目前常用的電池發(fā)熱量的計(jì)算公式是從Bernardi 等提出的公式中簡化而來的，即

式中：I 為電池的工作電流；U和V表示電池的開路電壓和工作電壓。式（2）右側(cè)第一項(xiàng)表示不可逆熱，右側(cè)第二項(xiàng)表示可逆反應(yīng)熱。電池和相變材料以及相變材料和外界環(huán)境在交界面之間處于熱平衡，遵循以下的公式：

式中：h，TPCM和Ta分別表示表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)、相變材料的溫度和環(huán)境的溫度；λb和λPCM分別為電池和復(fù)合相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)；?T/?N表示溫度的梯度。

相變材料的熱量傳遞方程可以表示為

式中：表示相變材料的密度；表示相變材料的焓；，分別為相變材料的比熱容、潛熱和液化率；TS表示固相溫度；TL表示液相溫度。流體的連續(xù)性方程、動量方程、能量方程分別表示為

式中：pc，cpc和λc分別表示冷卻液的密度、比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)；TC表示冷卻液的溫度；v表示冷卻液的速度矢量；μc表示流體的運(yùn)動黏度。

冷卻液的雷諾數(shù)為

式中：vc為流體的速度；l為矩形板的當(dāng)量直徑。

為了對電池溫度的空間分布進(jìn)行解析，定義了電池最高溫度和最低溫度之差為電池的溫差?T，即

式中：Tmax和Tmin分別表示電池的最高溫度和最低溫度。

整個(gè)系統(tǒng)的初始溫度為 303.15 K，冷卻液的入口為速度進(jìn)口，溫度為 303.15 K。出口邊界為壓力出口邊界條件。除此之外，整個(gè)系統(tǒng)與外界環(huán)境之間的換熱系數(shù)恒定為 5，換熱系數(shù)恒定為 5 W/(m2·K)。入口的速度范圍在 0～1 m/s 之間，經(jīng)過計(jì)算，雷諾數(shù)Re < 2300，按層流計(jì)算，并且壁面無滑移。

02結(jié)果與討論

網(wǎng)格無關(guān)性和模型驗(yàn)證

在電池間距6mm，入口速度0.5 m/s的情況下，繪制了 5套網(wǎng)格。計(jì)算了5C放電倍率（表示0.2 h將電池容量放完，放電電流為 15A）結(jié)束時(shí)電池的最高溫度，如圖 2 所示。5套網(wǎng)格的數(shù)量分別為481173，932399，1278268， 1735924和2134791。由圖2可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)達(dá)到1278268時(shí)，隨著網(wǎng)格數(shù)的增加，電池的最高溫度基本不變，誤差在±0.1 K以內(nèi)。所以，在滿足計(jì)算精度的條件下，選取1278268的網(wǎng)格數(shù)量來進(jìn)行仿真模擬。為了對模型進(jìn)行驗(yàn)證，對基于復(fù)合相變材料的電池在不同放電倍率下的最高溫度進(jìn)行了模擬，并與黃菊花等[26]的結(jié)果進(jìn)行了對比。在 1C，3C，5C 放電倍率下電池的最高溫度隨時(shí)間的變化如圖3所示。從圖3可以發(fā)現(xiàn)，模擬的結(jié)果與文獻(xiàn)結(jié)果吻合度很好，最大的相對誤差為1.2%，證實(shí)了模型的準(zhǔn)確性。

不同冷卻方式下的電池?zé)嵝阅芊治雠c優(yōu)化

不同的冷卻方式會影響電池的溫度變化，本文首先模擬了5C放電倍率時(shí)在自然冷卻、相變冷卻以及混合冷卻模式下，電池的最高溫度隨時(shí)間的變化，結(jié)果如圖4所示。從圖4可以發(fā)現(xiàn)，自然冷卻模組電池的溫度最高，混合冷卻模組電池的溫度最低。在自然對流冷卻方式下，電池溫度直線上升，在放電結(jié)束時(shí)的溫度達(dá)到了346.27K，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過電池的最佳工作溫度。加入相變材料后，電池的最高溫度明顯下降，并維持在相變溫度附近，曲線的斜率先減小后趨于不變。在放電結(jié)束時(shí)，電池的最高溫度為 316.27 K。引入液冷板后電池的最高溫度進(jìn)一步降低，在放電結(jié)束時(shí)，電池的最高溫度為313.92K，比相變冷卻降低了2.35K。此外，電池的最高溫度所在位置也不相同，圖5為放電結(jié)束時(shí)模組高度方向上中間截面的溫度云圖，從圖5可以發(fā)現(xiàn)，在相變模組下，電池的最高溫度出現(xiàn)在模組的中間位置，這是因?yàn)橹虚g相變材料的散熱能力相較于模組兩邊較差，模組中間相變材料完全液化，進(jìn)而發(fā)生熱量的累積，此時(shí)電池模組的最大溫差為3.9K。在液冷板加入后，由于對流換熱的影響，增強(qiáng)了模組相變材料的換熱能力，降低了相變材料的溫度，進(jìn)而增強(qiáng)了電池和相變材料之間的導(dǎo)熱，降低了混合冷卻模組中間電池的最高溫度，此時(shí)電池的最高溫度出現(xiàn)在與液冷板傳熱面積較小的模組兩邊。但是相較于純相變模組，混合冷卻模組的最大溫差為 4.76K，增加了0.8K 左右。這是因?yàn)橐豪浒宓募尤?，相變材料的減少，模組中間電池溫度下降的幅度大于兩邊的電池。

在混合冷卻的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探究了冷卻液速度對放電過程中電池溫度、最大溫差以及冷卻液壓降的影響，結(jié)果如圖6和圖7所示。由圖6可以發(fā)現(xiàn)，隨著速度的增加，相變材料和液冷板之間的散熱增強(qiáng)，電池的溫度逐漸降低，電池溫升曲線的斜率慢慢減小并趨于不變。當(dāng)速度大于0.5m/s 時(shí)，電池溫升曲線在整個(gè)放電時(shí)間內(nèi)基本重合，放電結(jié)束時(shí)最高溫度維持在313.9K左右，說明再增加冷卻液速度對改善電池溫度的作用已經(jīng)可以忽略。從圖7可以發(fā)現(xiàn)，隨著速度的增加，電池之間的溫差趨于不變，但壓降急劇增長，所以過大的速度會增加系統(tǒng)的輸入功，但對電池溫度的影響很小。因此，后續(xù)混合冷卻模組的冷卻液速度定為0.5m/s。

為了優(yōu)化電池模組的體積，研究了不同電池間距下的散熱特性。圖8為不同間距下電池最高溫度隨時(shí)間的變化情況。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，放電初期電池間距對于溫度的變化影響不大。隨著電池的持續(xù)放電，到了放電后期，隨著間距的減小，溫度逐漸升高。這是因?yàn)楫?dāng)電池間距減小時(shí)，相變材料的質(zhì)量也減小，導(dǎo)致相變材料吸收的熱量減少，電池的最高溫度增加。這種趨勢在純相變模組下愈發(fā)明顯。從圖8（b）中可以發(fā)現(xiàn)，相較于相變模組，由于液冷的引入，增強(qiáng)了模組的換熱能力。即使在3mm間距時(shí)，混合模組仍然具有良好的控溫效果，電池的最高溫度為315.73K，并且相變材料通過潛熱吸熱的時(shí)間明顯增加，所以放電末期的溫升變得相對平緩。在3mm 間距下，由于相變材料質(zhì)量減小，模組兩邊的電池與液冷板接觸的面積相對較小，出現(xiàn)了相變材料的局部完全液化問題，導(dǎo)致電池的最高溫升速率變大，在減小模組體積的要求下，此時(shí)電池的最高溫度依然滿足要求。圖9表示了相變材料的液化率隨電池間距的變化。如圖9所示，液冷板的加入改善了小間距時(shí)相變材料完全液化的現(xiàn)象，所以降低了電池的溫度。綜上所述，在冷卻效果提升的同時(shí)，混合冷卻可以減小電池模組的體積。后續(xù)電池的間距恒定為3mm。

充放電循環(huán)下電池溫度的探究

為了進(jìn)一步探究電池在使用更為普遍的充放電循環(huán)過程中的溫度變化，對混合冷卻模組進(jìn)行了2次充放電循環(huán)的模擬研究，并和無液冷板的相變模組進(jìn)行了對比。結(jié)果如圖10和圖11所示。電池的放電倍率為5C（720 s），充電倍率為0.5C（7200 s），無靜置時(shí)間。由于充電倍率較小，電池的最高溫度在充電過程中會有所下降。從圖10和 11中可以發(fā)現(xiàn)，在純相變模組下，首次充放電循環(huán)對后續(xù)的循環(huán)過程影響很大。在第一次循環(huán)結(jié)束時(shí)，電池的最高溫度在310 K附近，相變材料基本處于完全液化的狀態(tài)。導(dǎo)致了在第二次放電過程中，電池的最高溫度急劇增加接近340K，相變材料完全處于液化狀態(tài)。其中，電池的溫差為同一時(shí)刻模組中電池的最高溫度和最低溫度之差。從圖 10（b）中可以發(fā)現(xiàn)，第一次循環(huán)過程中由于相變材料的凝固電池溫差發(fā)生短暫的上升，然而在第二次循環(huán)過程中，由于相變材料的完全液化，這種現(xiàn)象消失。當(dāng)液冷板加入后，首次充放電循環(huán)對后續(xù)的循環(huán)過程基本沒有影響。在第一次循環(huán)結(jié)束時(shí)，電池的溫度趨于環(huán)境溫度，此時(shí)相變材料的液化率為 0，在第二次充放電循環(huán)中，相較于相變模組，液冷板的加入強(qiáng)化了電池和相變材料的散熱，明顯降低了電池的最高溫度。并且，在兩次充電過程中都可以發(fā)現(xiàn)相變材料凝固放熱所導(dǎo)致溫差短暫上升的現(xiàn)象。所以在充放電循環(huán)過程中，液冷板的加入可以減少首次充放電循環(huán)對后續(xù)循環(huán)過程的影響，降低電池在循環(huán)過程中的溫度，增加電池的循環(huán)壽命。Tmax vc Tmax vc液冷的引入可以有效降低電池的溫度，改善電池的性能，但同時(shí)也會消耗一定的輸入功。為了減小模組的輸入功，在電池的最高溫度降低到相變材料的初始熔點(diǎn)以下時(shí)，可以適當(dāng)減小冷卻液的入口速度。如圖 12 所示，當(dāng)小于相變材料的液化溫度時(shí)，減小為 0.1 m/s，此時(shí)電池模組的溫度性能仍保持在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。