基于相变材料的电池组复合散热方式性能研究

王秋诗 兰 博 毕海权



基于相变材料的电池组复合散热方式性能研究

王秋诗 兰 博 毕海权

（西南交通大学机械工程学院 成都 611756）

针对电动汽车目前对动力电池组的温度控制要求，优化了现有电池箱，设计了新型复合相变材料与热管耦合电池组散热结构；依据钴酸锂动力电池组在混合动力电动汽车中的应用，搭建试验台，制作相应样机，进行了充电效果实验和温度测量；对所设计不同散热方式所得出的实验结果进行对比分析，得出复合相变材料与热管耦合电池组散热的效果。

电池热管理；复合相变材料；温度；热管；电动汽车

0 引言

现今电动汽车快速发展，动力电池作为电动汽车上最为重要的部件，提高其性能尤为值得研究[1]。动力电池作为储能装置元件，是电动汽车的关键部件，它在充、放电过程中产生大量的热量引起电池模块内部的单体电池出现热失控现象，使得各个单体电池之间产生严重的不均衡温度分布，以及电池组局部过热，从而造成单体电池之间的性能不匹配，进一步导致电池模块过早失效[2]。

在动力电池热管理系统中，空气冷却、液体冷却、相变材料冷却是较为常用的三种冷却方式。其中，前两种是主动热管理，第三种是被动热管理[3]。其中单一的散热方式在国内已有的研究较多，而传统的自然和强制风冷的方法难以满足动力电池组的散热要求，易导致现有电池组性能失效。所以，本文把相变材料-热管翅片-强迫空气对流耦合散热方案用于动力电池散热，将翅片组装于热管冷凝段，相变材料填充于电池单体之间，强迫空气对流散热。在自然对流和强制对流的情况下分别进行实验模拟分析，建立了新型电池热管理系统。

1 实验方案

1.1 仪器及材料

本实验模拟某公司18650钴酸锂电池，该电池容量2200mAh，直径0.018m，高0.065m。具体使用实验设备如表1。

表1 实验设备表

1.2 相变材料用量计算

计算冷却特定工作状况下的电池所需要的相变材料的质量可采用计算公式（1）得到[4]：

式中：C为工质的比热容，J/(kg·K)；为工质的质量，kg；T为工质的初始温度，℃；T为工质的沸点温度，℃；Q为工质吸收的热量，J；为工质的相变潜热，J/kg。

利用上式，可以计算出使一个电池保持在合适且稳定工作温度范围下所需要的相变材料的质量。假定电池最佳工作温度为40℃-50℃，查得成都2016年平均气温16℃，已知复合相变材料相变温度为40℃，Q、C、由文献[5]查取并计算得出所需相变材料985.4g。在保证石蜡总质量不变前提下，改变石墨添加量，并研究石蜡/石墨复合相变材料的组成对电池散热性能影响，为此配制了3种石蜡/石墨复合相变材料，其组成和主要热物理性质见表2。

表2 复合相变材料配制比例和主要热物理性质

1.3 电池单体排列方式

目前大多数电池为顺排和叉排，但是由于冷却风冷却上游电池模块，自身温度上升，其冷却下游电池的能力下降，整个电池箱内的整体温度分布不均。因此，在叉排排列的基础上提出的梯形排列，可以在一定程度上缓解上述温度分布不均匀的问题[6]。

根据梯形排列方式，选用某公司18650钴酸锂电池为研究对象进行建模，并且进行简化，仅考虑26个电池单体作为研究对象。单体电池尺寸为18mm×65mm，26个电池呈梯形排列，电池均匀排列且两两间距为35mm，本文建立的电池箱体梯形排布如图1所示。

图1 电池箱体梯形排布

1.4 冷却系统装置说明

相变材料与热管耦合散热冷却系统设计包括生热部分和散热部分的结构尺寸设计、相变材料的选用以及填充位置确定等方面。考虑到动力电池的空间布局，该冷却系统采用重力型热管[7]。

图2 热管-翅片式电池冷却系统结构图

图2所示为相变材料与热管耦合散热冷却系统结构图。该系统选用石蜡石墨复合相变材料为散热材料，翅片材料为铝，热管材料为铜，电池箱体及壳层材料均为不锈钢。所设计冷却体统结构紧凑，则各部件制造所需材料少，成本较低。

1.5 实验方案

由于在受热（冷却）过程中随着材料本身状态的变化，相变材料的导热过程是一个动态的过程，导热系数在相变前后是不断变化的，到目前为止其测试方法还没有统一的国家或国际标准，因此有必要对相变材料在相变过程中的导热性能进行实验[8]。

在整个实验过程中采用的方法是控制变量法，即改变某一单一变量而其他参数保持不变。实验过程是在该方案的基础上测试电池模块的散热性能。模块内包含26个电芯，电芯高80mm，外部热管翅片高度为80mm。因此实验过程中需要改变的变量是相变材料的有无、风速的大小和室内环境空气温度。

实验过程中，为了验证热管翅片的散热能力，电池模块的外表面需做保温处理，使电芯工作时散发的热量绝大部分由外部导热片与空气对流换热带走。

1.5.1 相变材料冷却效果测试

具体操作如下：对电池箱进行保温处理，然后增加到设定电压使电池发热。通过对比实验分析，记录相变材料有无时电池最大温差和长时间后局部所达到的最大温度。

1.5.2 相变材料结合风冷效果测试

在之前的基础上增加热管和翅片，通过风机来进行对流散热。通过对比实验分析，记录相变材料有无时电池最大温差和长时间后局部所达到的最大温度。

1.5.3 不同环境温度工况对散热效果测试

实验确定实际工作温度最极端的两种情况，分别为夏季工况和冬季工况。夏季工况环境温度设定为22℃，冬季工况环境温度设定为12℃，通过加热器对环境加热进行控制，用热电偶进行实际温度调试。

2 结果与分析

2.1 电池发热特性

图3 自然冷却下各个测点电池温升

考虑在自然条件下对电池发热特性进行研究。首先，在初始室温为12.33℃的条件下，对模块进行保温处理，没有进行强迫风冷，改变电压和电流，使每一个电池单体放热功率为0.83W，数据处理结果如图3。

由图3处理结果可知，对箱体进行保温处理后，没有强制通风对流冷却的条件下，在实验进行到2小时左右，电芯表面温度就已经接近56℃，当实验进行到3小时电芯表面最高温度已经接近60℃。考虑电池内部温度分布不均匀的问题，为此研究电池内部最大温差变化情况，如图4。

图4 自然冷却下电池内部最大温差变化

由图4可以看出，电芯表面的温差在实验前25min阶段有一个明显增大过程，后来逐渐减少，随着实验的进行温差有增大的趋势，在100min后逐渐稳定，在实验结束时温差达到最大值为24.6℃。

由此可见，该工况下电池内最高温度较高，最大温差较大，仅通过自然对流散热并不能对电池模块起到很好的冷却效果。电池通过这种单一散热方式，会由于温差过大和温度过高等因素，大大减少电池寿命。因此，对于动力电池在单一散热模式下的改进显得尤为重要。

2.2 不同散热方式比较

通过对自然对流换热条件下电池散热情况实验分析与数值计算，确定了不同工况下的散热方案。首先，根据表1比较不同石蜡石墨配比下的热物理性质，选择热物理性质相对适中的填充质量比为4:1的复合相变材料进行实验。考虑到热管散热具有效果好、热阻小、使用寿命长、无噪音、导热系数是普通金属100倍以上的特点，所以附加热管翅片进行辅助散热。另外，电池在冬季和夏季发热情况不同，为此增加冬季工况和夏季工况的电池分析，来研究室外温度对电池发热、散热情况的影响。最后，考虑引空调风风速大小对电池发热、散热情况的影响。

设定表3的六组实验，对以上各组情况进行对比分析。实验结果如表3、图5。

表3 不同散热方式下电池温度参数对比

图5 不同散热方式下电池温升

3 结论

（1）对比实验1、2可得出：填充相变材料后，电池最高温度从59.4℃降至56.4℃，温差从24.8℃降至14.4℃。故填充相变材料一定程度上能够降低最大温度，有效减少电池内部各点温差。

（2）对比实验2、3可得出：其余条件不变，引入风冷加热管翅片，电池最高温度从56.4℃降至41.9℃，温差从14.4℃降至11.4℃。大大降低了电池的最高温度，温差略有降低。故加入热管翅片进行风冷能够有效降低电池最高温度，一定程度上能够缓解电池内部温差。

（3）对比实验3、4、5、6：其余条件不变，风速增大至2.4m/s，冬季工况下，电池最高温度从41.9℃降至41.1℃，温差从11.4℃降至8.2℃。夏季工况下，电池最高温度从50.4℃降至49.3℃，温差从10.9℃降至7.5℃。温度和温差变化不大，为此可以从节能的角度分析较为经济合理的引空调风风速。同时，通过夏季工况和冬季工况对比分析，在夏季工况时明显需要加强散热。

钴酸锂动力电池采用相变材料-热管翅片-强迫空气对流耦合散热方案具有良好的冷却效果，电池温度有非常明显的下降，最大温度最大有接近18℃的温度下降，电池模块内部不同热边界条件下的26节电池单体的温差明显下降，最大降低了17.3℃，说明相变材料-热管翅片-强迫空气对流耦合散热方式具有降低温度和控制温差的能力，进而延长电池寿命，减少其对环境的污染。同时，该冷却系统具有形式和布置灵活，系统紧凑，投资费用适中等特点，进一步完善后，可应用于混合动力车电池热管理系统中，对于未来新能源汽车的发展具有促进作用。

[1] 曹姿娟.动力电池热管式散热器的数值模拟分析[D].杭州:浙江大学,2012.

[2] 丁福辰,易玉峰.制氢储氢技术[M].北京:化学工业出版社,2006:16-240.

[3] 王彦红,张成亮,俞会根,等.相变材料在动力电池热管理中的应用研究进展[J].功能材料,2013,(2):3213.

[4] Al-Hallaj S, Selman J R. Thermal modeling of secondary lithium batteries for electric vehicle/hybrid electric vehicle applications[J]. J Power Sources, 2002,110(2): 341-348.

[5] Eastman J A, Choi S U S, Li S, et al. Anomalously increased effective thermal conductivities of ethylene glycol-based nanofluids containing copper nanoparticles [J]. Appl.Phys.Lett. 2001,78:718-720.

[6] 眭艳辉,倪永,王文,等.电池冷却装置[P].中国实用新型专利,申请号：200820155639.7

[7] 王雪峰,孙志坚,吴存真,等.电子器件冷却用重力型热管散热器的实验研究[J].电子器件,2004,27(3): 393-396.

[8] 廖星宇,徐龙,沈袁,等.一种新型复合相变材料导热性能的实验研究[J].制冷与空调,2014,(5):524-527.

Cooling Performance Experiment of Battery Pack Based on Phase Change Material

Wang Qiushi Lan Bo Bi Haiquan

( School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu, 611756 )

In terms of the temperature control of battery pack required by current electric vehicles, optimized current battery pack, designed a new battery pack cooling system made of composite PCM coupling with heat pipe. Based on the application of lithium cobalt oxide battery pack in hybrid electric vehicles, set up a mechanical workbench, made the corresponding prototype, carried out charging effect test and temperature measurement; conducted comparative analysis to several different cooling methods, concluded the thermal effect of composite PCM coupling with heat pipe.

Battery Thermal Management; Composite Phase Change Material; Temperature; Heat Pipe; Electric Vehicle

1671-6612（2016）06-712-04

TM911

A

王秋诗（1994.10-），男，在读本科生，E-mail：wqs1006@hotmail.com

毕海权（1974.12-），男，博士，教授，研究方向为隧道通风及火灾、建筑节能，E-mail：bhquan@163.com

2016-08-10