基于相变材料和液冷的LiFePO4电池包热管理研究

魏增辉，　许思传，　李　钊，　林春景，　常国峰(1.同济大学汽车学院，上海201804；2.同济大学新能源汽车工程中心，上海201804)

基于相变材料和液冷的LiFePO4电池包热管理研究

魏增辉1,2，许思传1,2，李钊1,2，林春景1,2，常国峰1,2
(1.同济大学汽车学院，上海201804；2.同济大学新能源汽车工程中心，上海201804)

将相变材料和液冷管路相结合用于LiFePO4电池包热管理系统，研究在相变材料完全融化前，液冷开启时刻对电池温升的影响；同时研究了不同冷却液流速对电池温升的影响。结果表明：在相变材料相变结束时，冷却液开启时刻越早，电池温降的斜率越小；随着冷却液流速的增加，电池的温升及温差逐渐减小。

LiFePO4电池；热管理；相变材料；液冷

目前电池冷却方式主要有风冷、液冷以及相变材料冷却等。风冷和液冷需要风扇及水泵等额外的耗能部件，不仅增加电池能量消耗，还降低了系统的可靠性[1]，这对续驶里程本来就短的电动车而言是非常不利的。而相变材料利用其相变潜热来吸收电池在充放电过程中产生的热量，不仅没有能量寄生损失，同时由于相变过程的等温性，还能保持电池单体间温度的均匀性。R.Kizilel等[2]研究了相变材料应用于锂电池包，得出在产热较大情况下，相变材料散热效果比风冷效果好，且能保持较好的温度均匀性。S.A Khateeb等[3]研究了将相变材料用于踏板车，结果证明了相变材料用于电池热管理的可行性。

虽然利用相变材料进行冷却具有许多优点，但是单独使用相变材料作为电池的热管理系统，在极端恶劣工况下完全融化时有冷却失效的可能。而液冷可以迅速实现电池温降，因此，通过将相变材料和液冷相结合，当电池产热较低时，相变材料通过自身相变吸热对电池进行单独冷却，不开启液冷，此时为被动冷却，从而降低能耗；当电池产热较高时，相变材料通过自身相变无法将热量全部吸收并释放出去时，开启液冷，进行主动冷却。H.Fathabadi[4]研究了风冷和相变材料相结合应用于锂离子电池包的主被动冷却，结果表明，主被动结合能够

本文对主被动冷却模型进行仿真，首先对不同相变温度点复合相变材料应用于电池冷却进行仿真，然后研究了液冷不同开启时刻对电池温升的影响，并对不同冷却液流速对电池温升的影响进行仿真研究，从而为电池主被动冷却研究提供参考。

1 仿真模型

1.1仿真布置方案

为了降低系统的复杂程度，本文采用在复合相变材料中直接嵌入冷却管道的冷却模型，如图1所示。仿真用电池包模型由LiFePO4电池组成，电池与电池间为高导热石墨片，电池两侧为复合相变材料，电池及相变材料参数见参考文献[5]。热量通过高导热石墨片传导至复合相变材料，在两侧复合相变材料内嵌入三根圆型冷却管，冷却液由外部冷却系统进入管道带走相变材料中的热量，从而实现主被动相结合的冷却方式。

复合相变材料的尺寸为180 mm×32 mm×30 mm，冷却管道放置在复合相变材料的中间，中间管道的中心高度为90 mm，两侧管道中心离电池模块的上下面为20 mm，以便带走相变材料四个角落的热量，冷却液管道的直径为10 mm。在数值模拟中，分为冷却液开启及冷却液不开启两种情况，通过研究不同冷却液流量、温度对电池温度均匀性及温升的影响，为主被动热管理系统优化和设计提供依据。

图1　相变材料液冷耦合散热方案示意图

1.2相变材料相变过程的数值描述

相变材料的相变过程如图2[6]所示。

图2　相变材料焓值随温度变化示意图

由图2可知，相变材料的相变温度为定值或某个温度范围，当相变材料开始融化后其焓会急剧增加。为了方便对电池散热问题的研究，需要对复合相变材料的数值模拟做如下假设[7]：

(1)石蜡/膨胀石墨复合相变材料内部各物质分布均匀且物性参数各向同性；石蜡融化后在膨胀石墨内不会流动。

(2)复合相变材料的比热容、密度及导热系数、相变潜热在整个过程中始终为恒定值。

基于以上假设，数值模拟中控制方程为：

其中：

式中：ρ为密度，kg/m3；t为时间，s；k为导热系数，W×m－1· K－1；H为任意时刻的焓值，J；href为基准焓值；h为显热焓值；L为相变潜热，J/kg；q为电池的产热率；β为液相体积分数，其定义为：

式中：Ts为相变材料的相变起始温度；Tf为相变终止温度。

1.3网格划分

网格采用结构化网格(图3)，网格节点数量为123万，求解器采用FLUENT。仿真模拟中，系统的初始温度为25℃，冷却液介质为水，假设整个系统与外界无换热，电池运行工况为3 C充放电，忽略整个系统的接触热阻。在冷却液不流动的情况下，将出口及入口设置为壁面边界条件。

图3　相变材料液冷冷却系统网格

在环境温度为25℃，相变材料的相变温度为35℃，电池3C充放电情况下分析冷却液不同开启时刻，流速及冷却液温度对电池散热的影响。在FLUENT设置中，由于冷却液的流速较小，动量方程设置为层流，将每次迭代步长设置为200以便求解动量方程。

2 结果与讨论

2.1不同相变温度对电池温升的影响

在环境温度为25℃时，冷却不流动情况下，当相变材料的相变温度分别为35、40、45℃时，电池温升曲线如图4所示，当相变材料完全融化时，电池最终时刻的温升不会因相变材料相变温度不同而改变，只是影响融化过程中电池表面的温度，在相变材料融化过程中电池表面的温度基本处于相变温度附近。

图4　不同相变温度电池温升曲线

2.2液冷开启时刻对电池温升的影响

在相变材料的相变温度为35℃时，3C充放电工况下，相变材料完全融化的时刻为2 450 s。为了研究相变材料不同融化阶段，冷却液开启时刻对电池散热的影响，分别在2 040、2 160和2 520 s开启液冷。在冷却液入口速度为0.8 m/s，冷却液温度为28℃时，电池的温升曲线如图5所示。

图5　　液冷不同时刻开启对电池温升的影响

由图5可知当通入冷却液后，电池的温升显著下降，说明耦合主动液冷后能够有效控制电池的最高温升。同时，液冷开启时刻越早，在相同的情况下电池温降越慢，原因是开启时刻越早，复合相变材料的温度较低，冷却液与复合相变材料之间的温差较小，因此冷却液带走的热量越小，电池表面温降越慢。同时，电池表面温度会维持在相变材料的融化温度区域较长时间，原因是复合相变材料在凝固过程中其自身温度会维持在相变温度附近，直到相变材料完全凝固。

2.3冷却液流速对电池温升的影响

在环境温度为25℃，相变温度为35℃，液冷的开启时刻为2 520 s情况下，冷却液不同流速对电池温升的影响如图6所示。当增加冷却液流速时，电池表面温度呈现下降的趋势，当流速增加到0.5 m/s时，继续增加冷却液的流速对电池的温升影响不大；当冷却液的流量为0.05 m/s时，电池表面的温度出现不再继续增加的现象。图7为在3 720 s时电池温降与冷却液流速的关系，当流速从0.1 m/s增加到0.5 m/s时电池的温度下降了3℃左右，但是当冷却液的流速从0.5 m/s增加到0.8 m/s时，电池表面的温度下降不到1℃。

可以通过热阻的概念解释上述现象发生的原因，建立热量从热源传递到冷却液的简化传热表达式：

图6　不同冷却液流速对电池温升的影响

图7　电池温降随流量关系

式中：Δt为电池与冷却液间的温差；q为热流密度；δ为热量传递的距离；k为导热系数；h为冷却液的换热系数。在等式右边其他条件相同的情况下，随着流速的增加，冷却液的换热系数不断增加，则等式左边的值越小，所以电池的温降便越小。

当冷却液开启后，不同流速下电池体温差如图8所示。由图8可知，当冷却液开始流动时，单电池间的温度均匀性明显变差，但随着冷却液流速的增加，电池单体间的温差逐渐变小。

图8　不同流速下电池体温差曲线

为了分析引起电池温差的主要因素，取流速为0.5 m/s，电池运行时刻为3 300 s时电池的温度云图，如图9所示。

图9　电池温度场分布

由图9可知，由于冷却液在入口处的温度为28℃，小于电池运行过程中的最高温度，且高导热石墨片的导热效果极好，造成入口处第一块电池的温度始终比随后几块电池温度低，同时可以明显发现在电池侧面有冷却管道造成的温度梯度，说明此种主/被动方案在维持电池表面温度均匀性方面需要改善。可以从以下方面进行改善：

(1)将圆管改为液冷板，从而增大与相变材料的接触面积，使其能够更好地维持电池表面的温度均匀性。

(2)让高导热石墨片不与冷却液流道接触，这样可以避免冷却液入口处高导热石墨片对温度均匀性的影响。

3 结论

本文研究了相变材料和液冷相结合的主被动式电池热管理系统，研究了不同液冷开启时刻及冷却液流速对电池热管理的影响，得到以下结论：

(1)主被动结合的热管理方案能够控制电池的最高温升，但加入主动散热系统后，由于液冷管路布置位置以及接触面积等因素会破坏原被动系统的温度均匀性，因此在耦合主动系统时要尽量减小其对电池温度均匀性的破坏。

(2)冷却液开启时刻越早，电池温降的斜率越小；随着冷却液流速的增加，电池的温降斜率变小，温度均匀性变好，当流速增加到一定程度后，继续增加流速对电池的温升影响不大。

(3)由于液冷管道为圆管造成电池侧面的温度出现一定的不均匀现象，因此在耦合主动系统时尽量和相变材料进行面接触，以消除电池表面的温度不均匀性。

[1]凌子夜，方晓明，汪双凤，等.相变材料用于锂离子电池热管理系统的研究进展[J].储能科学与技术,2013(5):451-459.

[2]KIZILEL R,SABBAH R,SELMAN J R,et al.An alternative cooling system to enhance the safety of Li-ion battery packs[J].Journal of Power Sources,2009,194(2):1105-1112.

[3]KHATEEB S A,FARID M M,SELMAN J R,et al.Design and simulation of a lithium-ion battery with a phase change material thermal management system for an electric scooter[J].Journal of Power Sources,2004,128(2):292-307.

[4]FATHABADI H.High thermal performance lithium-ion battery pack including hybrid active-passive thermal management system for using in hybrid/electric vehicles[J].Energy,2014,70:529-538.

[5]LIN C J,XU S C,CHANG G F,et al.Experiment and simulation of a LiFePO4battery pack with a passive thermal management system using composite phase change material and graphite sheets[J]. Journal of Power Sources,2015,275:742-749.

[6]AL-HALLAJ S,SELMAN J R.Thermal modeling of secondary lithium batteries for electric vehicle/hybrid electric vehicle applications[J].Journal of Power Sources,2002,110(2):341-348.

[7]LING Z,CHEN J,FANG X,et al.Experimental and numerical investigation of the application of phase change materials in a simulative power batteries thermal management system[J].Applied Energy,2014,121:104-113.

Research on active-passive thermal management system of LiFePO4battery pack

WEI Zeng-hui1,2，XU Si-chuan1,2，LI Zhao1,2，LIN Chun-jing1,2，CHANG Guo-feng1,2
(1.School of Automotive Studies,Tongji University,Shanghai 201804,China；2.Clean Energy Automotive Engineering Center,Tongji University,Shanghai 201804,China)

In order to control the temperature of the LiFePO4battery,phase change materials and liquid cooling were applied to the thermal management system of the battery pack.Before the phase change materials were totally melt, different opening time of the liquid cooling are simulated.Besides,models were built to analysis the relationship between the liquid velocity and the temperature of the battery.The results show that the temperature is lower when the liquid loop opens earlier.And the temperature difference would be smaller when the liquid velocity was higher.

LiFePO4battery;thermal management;phase change material;liquid cooling

TM 912

A

1002-087 X(2016)01-0044-03

2015-06-15

国家“973”重点基础研究发展计划(2011CB711203)

魏增辉(1990—)，男，河南省人，硕士研究生，主要研究方向为电动汽车动力系统热管理。很好地将电池包的温升控制在设定目标，且温度均匀性较好。相变材料起到一个削减能量消耗的作用。由于纯相变材料的导热率较低，通常情况下在纯相变材料中加热高导热材料，以提高其导热率，因此又叫做复合相变材料。