复合相变材料电池热管理模型及结构优化

李世远

摘要：针对锂离子电池的热管理问题，建立了电池产热与相变材料相变控温过程耦合的计算模型，基于纯石蜡的导热系数低，后期采用膨胀石墨/石蜡复合相变材料作为控温材料，在2.5C充放电倍率下研究了相变材料层厚度、性质及结构优化对电池散热性能的影响。研究发现，当整体相变控温层厚度为4mm，靠近电池1mm附近填充质量分数为12%的膨胀石墨复合材料而其余部分填充9%的膨胀石墨复合材料时，可以实现综合性能最佳的控温效果，使电池的最高温度控制在45℃以内。

关键词：电池热管理;相变材料;结构优化;最高温度

中图分类号：U469                                   文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）11-0221-02

0  引言

近年来，随着能源的消耗世界各国政府花费大量的人力及物力发展新能源汽车[1]，而电池作为电动汽车的三大组件之一[2]，显得尤其重要。电池在使用的过程中会释放大量的热量，因此需要设计一套高效合理的电池热管理系统（BTMS）来对电池的温度进行控制。其中相变材料冷却具有结构紧凑、接触热阻低、冷却效果好等优点，大量的学者对相变材料的的结构以及导热率进行了研究[3-5]。本文针对相变材料系统固有的缺陷，在前人的基础上提出了一种针对方形锂离子电池的相变材料热管理系统，通过对相变材料填充区进行分区操作从而对不同的小区间填充不同性质的复合相变材料，使相变材料系统在不结合其他冷却方式的情况下达到更好的控温效果。

1  物理及数学模型

1.1 物理模型

本文的研究对象为由磷酸鐵锂离子电池与相变材料构成的电池热管理系统。物理模型如图1所示，锂电池组是由1×6纵向排列的6个锂离子电池组成，其中锂离子电池的参数如表1所示。采用将相变材料镶嵌在两个锂离子电池之间的方法，两电池之间为相变材料区，其中电池组左、右边缘的相变材料厚度为中间相变材料厚度的一半，其中纯石蜡和石蜡与不同质量分数的膨胀石墨复合而成的复合材料的参数如表2所示。

1.2 边界条件

本文模拟锂离子电池在2.5C功率下充放电情况，模拟时选取的环境温度及初始温度为303.15K，且相变材料与周围环境为自然对流换热，换热系数为5W·m-2K-1。

2  结果与讨论

2.1 CFD网格数相关性

将石蜡的厚度设为2mm，进行网格相关性分析。如图2所示，电池最高温度和最大温差随网格数的增加变化趋势基本相同，且在网格数达到187万之后出现平缓趋势。故选择网格数为187万的网格进行后续研究，且本文以最高温度和最大温差作为评价指标，单位为K。

2.2 改变石蜡厚度及电池热分析

本节首先对石蜡的厚度进行模拟研究。如图3所示，随着石蜡厚度的增加，电池最高温度和最大温差都呈先下降后平稳的趋势。经过分析可知，当中间部位的石蜡厚度从2mm增加到4mm时，最高温度和最大温差分别降低了约2.86℃和0.58℃，而厚度从4mm增加到6mm时，两者分别仅改善了约0.18℃和0.09℃。而且相变材料厚度的增加会占据整车的额外空间，然而实际的电动汽车在空间上有严格的控制。因此，相变材料的厚度增加虽然可以提高降温效果，但并不是单调关系。故本文认为当中间部位的石蜡的厚度为4mm，电池组两侧的石蜡为2mm时，冷却效果最好。

2.3 相变材料的性质对电池温度的影响

在以上研究中的相变材料最优厚度的基础上，将相变材料从纯石蜡换为不同质量分数的石墨与石蜡的复合材料，研究膨胀石墨质量不同对电池最高温度与最大温差的影响。从图4中可以看出当总质量相同时，膨胀石墨的质量分数为12%的复合材料对电池有更好的控温效果。其中最高温度与纯石蜡相比降低值为1.20221℃，效果显著。故本文认为，改变材料的导热率会对电池温度的降低带来较好的改善。

2.4 改变相变材料的结构及电池热分析

继上述研究，对两电池之间的相变材料区进行结构优化。以靠近电池1mm处对相变材料区进行分割，分别模拟在添加不同质量分数的石墨下电池的散热特性，即电池组中间部分的相变材料区分成1mm、2mm、1mm三种宽度的小区间;而电池组两侧相变材料区分成两个宽度为1mm的小区间。研究结果，如图5所示，其中，表3表示工况对应的填充区结构，当靠近电池1mm附近的相变材料小区间与中间2mm宽的小区间分别填充质量分数为12%和9%的膨胀石墨，电池组两侧则靠近电池1mm内填充质量分数为12%，剩余部分填充质量分数为9%的膨胀石墨时相变材料控温效果最好，记为12/9。此时，电池的最高温度为318.12℃，相比相变材料为2mm宽的石蜡初始工况，最高温度降低了4.10℃（8.36%），最大温差降低了0.64℃（91.01%）。至于其他质量分数组合标记类似12/9，其中0表示纯石蜡。

3  结论

本文对复合相变材料电池热热管理模型及结构进行优化，通过CFD模拟发现：

①通过相变材料对电池进行热管理时，改变相变材料的厚度能对电池温度的控制带来较好的改善。②当采用不同质量分数的膨胀石墨与石蜡复合相变材料时，对电池的最高温度有显著的影响。③当对两电池之间的相变材料区进行分区而填充不同的复合材料时，对相变材料的控温效果有一定的改善。

参考文献：

[1]G.D.Xia， L.Cao， G.L.Bi， A review on battery thermal management in electric vehicle application， J. Power Sources 367 （2017） 90-105.

[2]Qianqian， Zhang， Cunjin， et al. Analysis of Research and Development Trend of the Battery Technology in Electric Vehicle with the Perspective of Patent[J]. Energy Procedia， 2017.

[3]Morteza Alipanah，Xianglin Li. Numerical studies of lithium-ion battery thermal management systems using phase change materials and metal foams[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer，2016，102.

[4]Greco A ， Jiang X . A coupled thermal and electrochemical study of lithium-ion battery cooled by paraffin/porous-graphite-matrix composite[J]. Journal of Power Sources， 2016， 315（may 31）：127-139.

[5]Jiajia Yan，Ke Li，Haodong Chen，Qingsong Wang，Jinhua Sun. Experimental study on the application of phase change material in the dynamic cycling of battery pack system[J]. Energy COnversion and Management，2016，128.